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Schlichting!: Ein Geysir mitten in Deutschland

Im Grundwasser kann sich bei hohem Druck Kohlendioxid lösen. Wenn sich die Mischung den Weg zur Oberfläche bahnt, kommt es zu einem spektakulären Ausbruch – und zwar immer wieder.
Schlammgeysir (Symbolbild)Laden...

Ein Geysir ist ein besonderer Anblick, vom plötzlichen Ausbruch bis zum Kollaps der Fontäne. So ein Naturschauspiel ist auch hier zu Lande in Andernach am Rhein zu erleben – erschaffen mit etwas menschlicher Hilfe. Anders als die aus Island und weiteren Teilen der Erde bekannten Exemplare, die von heißem Wasserdampf angetrieben werden, befindet sich dort ein so genannter Kaltwassergeysir. Er bezieht seine Energie aus dem Lösungsvermögen von Kohlenstoffdioxid (CO2) in Wasser.

Wir kennen das Phänomen im Prinzip von kohlensäurehaltigen Getränken (siehe »Spektrum« Januar 2020, S. 72). So trennt sich beim Öffnen einer Sprudelflasche ein Teil des Gases zischend vom Mineralwasser. Das CO2, das bei höherem Druck im Wasser gelöst war, sammelt sich in Gasblasen. Diese steigen infolge des Auftriebs zur Oberfläche und entweichen in die Atmosphäre. Verstärkt man den Vorgang, indem man die Flasche vor dem Aufdrehen heftig schüttelt, so hat man grob gesehen bereits eine Miniaturversion eines Kaltwassergeysirs.

Dass nichts von selbst geschieht, sondern unter dem Druck der Notwendigkeit
(Leukipp, 5. Jh. v. Chr.)

Kohlendioxidhaltiges Wasser entsteht oft natürlicherweise in der Erde. So auch beim Geysir von Andernach – das CO2 stammt aus tiefen Magmakammern. Obwohl das darüber befindliche Schiefergestein ziemlich undurchlässig ist, gelangt das Gas durch Risse und Brüche zu den immer noch mehrere hundert Meter unter der Erdoberfläche liegenden Grundwasserschichten. Dort steht das Wasser unter einem relativ hohen Druck. Deswegen kann es beachtliche Mengen CO2 aufnehmen. Ein Rechenbeispiel: Die Löslichkeit von CO2in Wasser beträgt bei normalem Luftdruck und einer Temperatur von 20 Grad Celsius 1,7 Gramm pro Liter. Verzehnfacht man den Druck, erhöht sie sich auf 14 Gramm pro Liter, also auf mehr als das Achtfache.

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Kaltwassergeysir | Der welthöchste Kaltwassergeysir in Andernach wirft die Wassermassen zirka acht Minuten lang bis zu 60 Meter hoch.

In Andernach wurde ein 350 Meter tiefer Brunnen gebohrt. Nun verbindet ein langes Rohr, das in den unteren Bereichen mit seitlichen Öffnungen versehen ist, die dortigen Wasserschichten mit der Erdoberfläche. Die unter Druck stehende Flüssigkeit dringt ein und steigt langsam auf. Wenn das Rohr gut gefüllt ist, lastet die hohe Wassersäule stark auf dem untersten Bereich. Darum bleibt das CO2 hier im Wasser gelöst. Weiter oben ist der hydrostatische Druck jedoch kleiner. Wie beim Öffnen einer Sprudelflasche bilden sich dort Gasblasen. Während sich das Wasser allmählich dem oberen Rand nähert, entweicht blubbernd CO2. Die Zuschauer an der Oberfläche sehen von alldem noch nichts.

Hinter vielen alltäglichen Dingen versteckt sich verblüffende Physik. Seit vielen Jahren spürt Hans-Joachim Schlichting diesen Phänomenen nach und erklärt sie der Leserschaft von »Spektrum der Wissenschaft«. Schlichting ist Professor für Physik-Didaktik und arbeitete bis zu seiner Emeritierung an der Universität Münster.

Die Lage ändert sich dramatisch, sobald schließlich das Rohr voll ist. Dann läuft es über. Denn von unten kommen beständig weiter Gasblasen, die Wasser verdrängen. Nach dem ersten Herausschwappen lastet weniger Gewicht auf den tieferen Schichten. Das wiederum verringert die druckabhängige Löslichkeit des CO2 und beschleunigt dessen Ausperlen. Außerdem dehnen sich die in größere Höhen gelangenden Blasen aus – dort wird der hydrostatische Druck geringer, durch den sie komprimiert werden. So fließt noch mehr Wasser heraus. Die mittlere Dichte in der mehr und mehr von Gas durchsetzten Wassersäule nimmt weiter ab. Manche Blasen füllen den Rohrdurchmesser sogar völlig aus und schieben das ganze darüber befindliche Wasser wie Kolben nach oben. Ausgasung und Abnahme des hydrostatischen Drucks verstärken sich gegenseitig in positiver Rückkopplung und erfassen schließlich auch die Flüssigkeit im unteren Bereich des Rohrs. So pressen immer größere Blasen die Wasser-Gas-Säule eruptionsartig in Form des Geysirs empor.

Ende des AusbruchsLaden...
Ende des Ausbruchs | Am Ende wirkt es, als wäre nichts gewesen. Restwasser fließt in das Rohr zurück. In der Tiefe braut sich der nächste Ausbruch zusammen.

Entscheidend für einen solchen Ausbruch ist der Aufstieg des gashaltigen Wassers in einem engen Kanal. Bei einer großflächigen Verbindung mit der Außenwelt könnte Wasser, das von den nach oben entkommenden Blasen verdrängt wird, von den Seiten zurückfließen und den entstandenen Hohlraum schnell wieder füllen. In Andernach verhindert das der dünne Rohrdurchmesser.

Der Ausbruch dieses Kaltwassergeysirs dauert etwa acht Minuten. Dabei erhebt sich die Wasserfontäne bis zu einer Höhe von 60 Metern. Danach sackt sie in sich zusammen; oberflächlich ist die Aktivität zu Ende. Doch tief im Inneren füllt sich der entleerte Brunnen allmählich wieder mit kohlendioxidhaltigem Wasser, und nach rund 100 Minuten herrschen abermals die richtigen Bedingungen für ein erneutes Aufwallen. Es sei denn, man verschließt den Brunnen und verhindert das Überlaufen – dafür sorgt außerhalb der Besuchszeiten eine entsprechende Vorrichtung.

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Kristallisation | Am Boden kristallisieren gelöste Feststoffe aus der niedergegangenen Flüssigkeit zu ästhetisch ansprechenden Mustern.

Was aufsteigt, muss herunterkommen. Das Wasser regnet in der Nähe der Rohröffnung ab und landet unter anderem auf den gepflasterten Wegen, wo es versickert und verdunstet. Dort wird erkennbar, dass im ausgestoßenen Wasser nicht nur CO2 gelöst ist. Die Steine sind von einem Belag vor allem in Rot- und Brauntönen überzogen. Leider schenken die Besucher diesem Phänomen kaum Aufmerksamkeit oder tun es mit einem negativen Unterton als Rost ab. Schaut man sich den Belag jedoch genauer an, entdeckt man ein ästhetisch ansprechendes, natürliches Kunstwerk. Im Lauf der Zeit sind die im Mineralwasser des Geysirs gelösten Stoffe wie Magnesium, Eisen und Kalzium auskristallisiert und haben filigrane, farbige Muster gebildet.

Der Geysir zerstäubt das Wasser und vergrößert dessen Oberfläche. So verdunstet es leicht. Das reichert die in den Tropfen gelösten Mineralien bereits etwas an, bevor diese sich nach dem Auftreffen auf dem Pflaster zufällig gesteuert mit den vorhandenen Kristallschichten verbinden. Die abwechslungsreichen Strukturen wachsen damit in jeder Pause ein mikroskopisch kleines Stück weiter. Während sich unter der Erde schon eine neuerliche Eruption anbahnt, ist die Situation deswegen auch oberirdisch nur scheinbar ereignislos.

Juni 2020

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft Juni 2020

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