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Stehende Eiszapfen


Am Morgen des 6. Februar 1996 bemerkte meine Frau beim gemeinsamen Frühstück in unserem Wintergarten plötzlich drei sieben bis acht Zentimeter hohe Eiszapfen, die aus der Oberfläche unserer zugefrorenen Vogeltränke emporragten. Obwohl ich meinen Augen kaum traute, hatte ich umgehend eine Erklärung zu geben; denn der mit uns frühstückende vierjährige Enkel erwartete selbstverständlich, daß Opa als Werkstoffwissenschaftler im Ruhestand wissen müsse, wie so etwas zustande kommt.

Einen ersten Hinweis auf die Ursache des überraschenden Phänomens lieferte die Beobachtung, daß alle drei Zapfen gleich hoch waren, obwohl sie nicht parallel standen. Offenbar handelte es sich um kommunizierende Röhren. Wenn dies stimmte, mußten die Eissäulen innen hohl sein, worauf auch ein jeweils obenauf sitzendes Wasserkäppchen deutete. Tatsächlich ließ sich eine von meiner Frau geholte Stricknadel mühelos in jeden der Zapfen einführen und bis zum Boden der Tränke hinabschieben, während aus den beiden anderen jeweils etwas Wasser austrat. Die Außenwand der Röhren war oben hauchdünn und verdickte sich stetig nach unten – ein klares Indiz, daß die Säulen von außen nach innen erstarrt waren. Dafür sprach auch die Anreicherung der beim Gefrieren des Wassers ausgeschiedenen Luftbläschen entlang der scharfen Kanten der Zapfen, wo der Kältezutritt am stärksten und somit die Kristallisationsgeschwindigkeit am höchsten war.

Anhand dieser Befunde konnte ich eine recht einleuchtende Theorie über das mutmaßliche Geschehen aufstellen. Am vorhergehenden Abend hatte die Temperatur in unserer Gegend noch bei +4 Grad Celsius gelegen, während sie in der Nacht schnell unter den Gefrierpunkt gefallen war. Der jähe Frosteinbruch ließ die Tränke rasch zufrieren. Wie die stark ausgeprägte Eisstruktur auf der Wasseroberfläche zeigt, begann die Eisbildung offenbar an der konkaven Seite des Wasserbehälters, wo die Kälte leicht Zutritt hatte, und breitete sich von dort strahlenförmig aus. Wenig später müssen auch von den anderen Seiten Eiskristalle in die Tränke hineingewachsen sein. Wo sie sich im Weg waren, blieben zunächst drei- und viereckige Löcher offen. Da Wasser bei 4 Grad Celsius seine höchste Dichte hat, dehnte es sich beim weiteren Abkühlen in der Tränke aus und wurde folglich aus den verbliebenen Löchern in der Eisdecke herausgedrückt. In den kleineren Öffnungen gefror die austretende Wasserlinse sofort vollständig, so daß sie sich schlossen. Bei den größeren Löchern dagegen entwickelte sich ein Gleichgewicht zwischen dem Zufrieren der Wasserlinse von außen und dem Nachschub frischen Wassers von unten. Durch eine zufällige günstige Kombination von Abkühlrate, Wassermenge und -ausdehnung, Wachstumswinkel und Erstarrungsgeschwindigkeit wuchs so eine Eisröhre in die Höhe. Zwei Besonderheiten sind mit dieser Hypothese allerdings nicht zu erklären. Zum einen hatten alle Zapfen Dreiecksform, obwohl sie teils auch aus viereckigen Löchern entstanden waren. Zum anderen ragten sie nicht senkrecht empor, sondern waren durchweg im stumpfen Winkel von etwa 120 Grad gegen die Eisfläche geneigt – und zwar in verschiedene Richtungen. Kann die Neigung etwas mit dem Winkel von 118 Grad zwischen den beiden Wasserstoffatomen und dem Sauerstoffatom im Wassermolekül zu tun haben? So suggestiv die Übereinstimmung ist, vermag ich mir doch keinen möglichen Zusammenhang vorzustellen. Andererseits beträgt auch der Sechseckwinkel 120 Grad, und Wasser bildet hexagonale Kristalle. Allerdings sollte das Wachstum in Richtung der kristallographischen Hauptachse (der c-Achse) erfolgen, die senkrecht auf den beiden anderen Achsen steht. Für die Neigung der Zapfen habe ich also bisher ebensowenig eine befriedigende Erklärung wie für ihre durchgehende Dreiecksform.

Das von mir zufällig beobachtete Phänomen ist so ungewöhnlich, daß es verdient, im Labor genauer erforscht zu werden. In kontrollierten Experimenten mit Wasser und anderen Flüssigkeiten sollte man zu ermitteln suchen, unter welchen Bedingungen es auftritt. Nur so kann man schließlich Sicherheit darüber gewinnen, welche Effekte dahinterstecken, und Antworten auf die noch offenen Fragen finden. Und vielleicht ergeben sich sogar Anwendungsmöglichkeiten.





Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 1998, Seite 23
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
1 / 1998

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 1 / 1998

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