Wenn Wasser gefroren ist - Eis

Eis ist festes, gefrorenes Wasser. Wasser friert bei Temperaturen unter 0 Grad. Auf nassen Straßen entsteht dabei Eisglätte.

Ein Tag, an dem das Maximum der Lufttemperatur unter 0 Grad Celsius liegt, wird als Frosttag bezeichnet. Gemessen wird in einer Wetterhütte in 2 Meter Höhe. Die Luft erwärmt sich dabei auf nicht mehr als 0 Grad, demnach herrscht Dauerfrost. Eistage sind zugleich auch immer Frosttage. Die Temperaturen am Boden können von den ermittelten Werten deutlich abweichen.

Eis bildet sich im Allgemeinen, wenn sich flüssiges Wasser oder Wasserdampf auf 0 Grad Celsius abkühlt. Eis zählt als natürlich vorkommender kristalliner Festkörper und tritt in der Natur in verschiedenen Erscheinungsformen auf, von der Schneeflocke über das Hagelkorn bis zum Gletscher. Seine Dichte von 0,918 Gramm pro Kubikzentimeter ist geringer als die von Wasser. Aufgrund dieser sogenannten Dichteanomalie schwimmt Eis, weil es leichter ist als Wasser. Darum bildet sich Eis höchstens auf der Oberfläche eines Sees oder Meeres.

Eis und Schnee an der Ostseeküste:

In reiner Form besteht Eis aus farblosen, transparenten Kristallen. Eisblöcke enthalten jedoch meist viele feine Luftbläschen, die während der Erstarrung der Eiskristalle eingeschlossen werden. Deshalb erscheinen sie durch die vielfache Lichtbrechung weiß.

Eis braucht mehr Platz als flüssiges: Im Vergleich zu flüssigem dehnt sich gefrierendes Wasser fast um ein Zehntel aus. Aus diesem Grund können volle Glasflaschen platzen, wenn man sie in den Gefrierschrank stellt. Dass sich gefrierendes Wasser ausdehnt, ist etwas Besonderes, denn andere Flüssigkeiten nehmen weniger Platz ein, wenn sie gefroren sind.

Die bläuliche Färbung des Eises entsteht, wenn in ihm nur wenige Luftbläschen eingeschlossen sind. Scheint das Sonnenlicht durch einen solchen kompakten Eisblock, werden alle Farbtöne außer Blau geschluckt. So entsteht der Eindruck der Blaufärbung.

Wenn ruhige Gewässer zufrieren, dann bilden sich unter bestimmten Bedingungen sogenannte Eisblumen. Sie sind jedoch selten zu beobachten, denn dazu braucht es mehrere Wettereigenschaften:

Schon geringe Temperaturveränderungen oder ein nur leicht auflebender Wind reichen aus, um die Eisformen zu schmelzen.

Eiszapfen sind neben der Schneedecke das Wintersymbol schlechthin. Jeder von uns kennt die schmalen Säulen gefrorenen Wassers, die bei Frostwetter von Hausdächern herabhängen oder an Bächen und Wasserfällen entstehen.

Eiszapfen wachsen, wenn Wasser von einem Vorsprung herabrinnt und in der frostigen Luft gefriert. Dies ist vor allem bei klarem Frostwetter der Fall. Bringt die Kraft der Sonne den Schnee zum Schmelzen, tropft Wasser herab und gefriert aufgrund der Minusgrade im Schatten sofort wieder. Es bildet sich ein Eiszapfen.

Eisvorhänge bilden sich, wenn flüssiges Wasser bei frostigen Temperaturen auf breiter Front, beispielsweise an Felswänden, nach unten rinnt. Dann können sich mehrere Meter lange Eiszapfen bilden. Frieren ganze Wasserfälle zu, sind noch beeindruckendere Extreme möglich.

So erstarrten 2014 die Niagarafälle. Dort, wo sich sonst der Niagara-Fluss 50 Meter in die Tiefe stürzt, bestaunten Schaulustige riesige Eiszapfen, die bei rund minus 20 Grad entstanden waren. Durch die starken polaren Winde fror das Wasser, noch während es die Fälle herabstürzte.

Eiszapfen können meterlang und Hunderte Kilo schwer werden. In der Natur ist dies unproblematisch. Gefährlich sind die Eisriesen an Dächern, da sie jederzeit abbrechen können. Hausbesitzer sind daher verpflichtet, Eiszapfen rechtzeitig abzuschlagen, bevor sie zu einer Gefahr werden.

Eisberge tauchen nicht unter und fallen nicht auf den Grund, sondern sie schwimmen. Rund 90 Volumenprozent des Eises befinden sich unter Wasser. Dabei gleicht die Auftriebskraft des Wassers die Gewichtskraft des Eises aus. Deshalb liegen nur zirka 10 Volumenprozent oberhalb der Wasseroberfläche. Salzwasser friert übrigens erst, wenn es noch etwas kälter ist als 0 Grad.

Klareis ist eine Form der Nebelfrostablagerung, das sich bei einer Lufttemperatur von 0 bis minus 3 Grad durch langsames Anfrieren von unterkühlten Nebelwassertröpfchen bildet. Die oft sehr fest anhaltende Eisablagerung ist glatt, kompakt und im Allgemeinen durchsichtig oder trübungsfrei, sie hat eine unbestimmte Form und eine unregelmäßige Oberfläche.

Man spricht dann auch von Glatteis, wenn unterkühlte Regen- oder Wolkentropfen Oberflächen berühren. Dann gefriert der Niederschlag sofort. Glatteis bildet sich auch, wenn Regen auf unterkühlte Oberflächen trifft.

Klareis lagert sich bevorzugt an Ästen und Freileitungen an. Die zusätzliche Gewichtsbelastung kann zu Schäden führen. Auch für Flugzeuge kann Klareis gefährlich werden, wenn es sich auf Tragflächen und am Steuerwerk bildet. Die Ruder können durch das Eis blockiert werden. Das Fluggewicht eines Flugzeuges kann durch Klareisansatz so stark erhöht werden, dass es nicht mehr mit voller Motorleistung steigen kann.

Blitzeis legt das öffentliche Leben in kürzester Zeit lahm. Es gehört daher zu einem der am meisten gefürchteten Wetterphänomene im Winter. Wenn feuchtmilde Meeresluft auf frostige Luft trifft, gleitet sie auf die bodennahe Kaltluft. Aus höheren Luftschichten fallender Schnee taut auf und erreicht als Wasser die Kaltluftschicht am Boden. Man spricht auch von gefrierendem Regen. Dort friert es blitzartig an allen Gegenständen fest. Spiegelglatte Straßen und Gehwege sind die Folge.

Eis regiert die Polargebiete der Erde. Sie sind ein Klimaarchiv unseres Planeten. Veränderungen der Zusammensetzung unserer Atmosphäre sind in den einzelnen Eisschichten gespeichert. Durch Bohrungen werden Eiskerne gewonnen, die wie Baumringe Informationen zu jedem vergangenen Jahr enthalten.

Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen können daraus auf das Klima der Vergangenheit schließen. Heute ist das ewige Eis bedroht und schwindet in hohem Tempo. Die Arktis ist davon sehr viel stärker betroffen als die Antarktis, wo es im Innern zum Teil extrem trocken ist. Im Winter liegen die Temperaturen oft unter minus 60 Grad. Für den Menschen ist dies zwar eine gnadenlose, aber auch faszinierende Umgebung, die Abenteurer und Forscher magisch anzieht.

Die Wolkentröpfchen bleiben bei einer Temperaturspanne von 0 bis minus 15 Grad Celsius (seltener bis minus 40 Grad Celsius) im unterkühlten Zustand und gefrieren nicht. Erst wenn Gefrierkerne auftreten, gefrieren die ersten Wassertröpfchen und werden zu Eiskristallen. Man spricht dann von einer Mischwolke.

Mit weiter abnehmender Temperatur vergrößert sich die Zahl der Eiskristalle auf Kosten der Wassertröpfchen. Ab minus 35 Grad Celsius bestehen die Wolken ausschließlich aus Eiskristallen. Sie werden dann als Eiswolken oder Cirren bezeichnet.

Heißes Wasser gefriert schneller als kaltes. Das klingt paradox. Experimente beweisen diese Erkenntnis. Schleudert man heißes Wasser in weitem Bogen in die eisige Luft, verdampft und gefriert dieses binnen Sekundenbruchteilen und somit viel schneller als kaltes Wasser.

Zum ersten Mal beschrieb der tansanische Schüler Erasto B. Mpemba das Phänomen 1963. Daher auch der Name "Mpemba-Effekt". 2012 lobte die Royal Society of Chemistry einen Preis für die "beste und kreativste Erklärung des Phänomens" aus. Es gewann der Kroate Nikola Bregovic. Er stellte fest, dass er keine Lösung für dieses Rätsel finden konnte.

Wie dieser Effekt zustande kommt, beschäftigt die Wissenschaft nach wie vor. Der Mpemba-Effekt hängt in erster Linie von der verwendeten Menge sowie der ursprünglichen Temperatur des Wassers und der Umgebungstemperatur ab.

Die wohl derzeit stärkste Theorie sieht als Hauptgrund die Verdunstung. Bei hohen Temperaturen verdunstet mehr Wasser als bei niedrigen. Das liegt daran, dass grob gesagt mehr Energie für die Verdunstung zur Verfügung steht. Bei gleicher Ausgangsmenge und Umgebungstemperatur ist also bei Erreichen des Gefrierpunkts die Menge des ursprünglich heißen Wassers kleiner als die des nicht erhitzten Wassers.

Da eine geringere Wassermenge weniger Wärme speichern kann als eine größere Wassermenge, gefriert diese geringere Menge auch schneller als die vergleichsweise größere und ursprünglich kältere.

Bei einer weiteren Theorie spielen die im Wasser gelösten Salze eine entscheidende Rolle. Beginnt Wasser zu gefrieren, erhöht sich der Salzgehalt der noch flüssigen Wassermenge. Dadurch wird der Gefrierpunkt des Wassers gesenkt. Dies ist vergleichbar mit dem Salzen der Straßen im Winter. Bei heißem Wasser fallen die Salze dagegen aus, das bedeutet sie setzen sich ab und verlieren dadurch ihren hinderlichen Einfluss auf den Gefrierprozess.