Eiszapfen, die gen Himmel wachsen

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 42/3 (2011), S. 38-39

Kein Wunder, dass aufwärts strebende Eiszapfen so selten sind. Für ihre Entstehung müssen zahlreiche Voraussetzungen erfüllt sein.

Ich wachse lang und dünn, doch niemals aus der Erden:
Kann auch dergleichen Stamm bei uns gefunden werden?
Hab’ keine Wurzel nicht,spross’ aus des Himmels Feld,
Mich kennt ein jedes Kind und kauft mich ohne Geld.
Georg Philipp Harsdörffer (1607 – 1658)

Eiszapfen gelten nicht gerade als überraschendes physikalisches Phänomen, schon gar nicht jetzt im Winter. Auch dass eine wassergefüllte Vogeltränke über Nacht zufrieren kann, ist völlig alltäglich. Wenn aber aus der Eisschicht in der Tränke unerwartet ein langer, dünner Eiszapfen herausragt, wird die physikalische Intuition auf eine harte Probe gestellt. Selbst der Dichter des einleitenden Verses kann sich offenbar nicht vorstellen, dass ein Eiszapfen anders als von oben, »aus des Himmels Feld«, nach unten wächst.
Auf alle Fälle hat man es mit einem in freier Natur nur selten zu beobachtenden Phänomen zu tun. Wesentliche Voraussetzung ist ein nicht zu großes Gefäß mit Wasser, das zunächst wärmer als vier Grad Celsius ist. Kommt es anschließend zu einem kräftigen Temperaturabfall, kühlt das Oberflächenwasser ab und sinkt, sobald es vier Grad erreicht hat, nach unten. Denn bei dieser Temperatur besitzt es, das ist die so genannte Dichteanomalie des Wassers, seine größte Dichte. Wird es noch kälter, nimmt die Dichte wieder ab.
Beim Übergang vom flüssigen in den festen Zustand muss das Wasser nun Kristallisationswärme an die Umgebung abgeben. Das ist dort am einfachsten, wo es in direktem Kontakt mit der kalten Außenwelt steht. Ist der Gefrierpunkt erreicht, bildet sich Eis darum zunächst an der Oberfläche – dank der wieder abnehmenden Dichte des Wassers sinkt dieses nicht mehr nach unten – und an den Gefäßwänden.
Die Dichte der eingeschlossenen Flüssigkeit nimmt aber ebenfalls ab, so dass diese ein größeres Volumen einzunehmen versucht. Das in das Gefäß hineinwachsende Eis beansprucht ebenfalls mehr Platz, als das verschwindende Wasser hinterlässt. Die Flüssigkeit gerät daher unter wachsenden Druck. Zu beobachten ist dies vor allem bei eher kleinen Gefäßen. Denn hier ist die Oberfläche der Flüssigkeit relativ groß im Verhältnis zu ihrem Volumen, so dass der Wärmeaustausch sehr effizient abläuft – das Wasser kühlt also schneller ab als in größeren Behältnissen.
Als Folge des zunehmenden Drucks »sucht« das eingeschlossene Wasser einen Ausgang: die schwächste Stelle der meist ungleichmäßig zufrierenden Oberfläche. Durch dieses Loch wird es langsam hinausgedrückt und gefriert zunächst an dessen Rand, wo es die Wärme schnell nach außen abgeben kann. Solange die Eisschicht von oben und den Seiten in das Wasser hineinwächst, bleibt der Druck hoch und erhält auch den Flüssigkeitsstrom aufrecht.
Weil das Wasser bis zu den jeweils oberen Rändern fließt und dort sofort gefriert, wachsen die Eisränder immer höher, und allmählich entsteht ein hohler Eiszapfen. Das Wachstum kommt erst dann zum Erliegen, wenn das meiste Wasser im Gefäß gefroren ist und nicht mehr nachströmen kann. Dann erstarrt auch die flüssige »Seele« des Zapfens. Darin eingeschlossene Luftbläschen erinnern aber auch später noch an sie: Die Bläschen bestehen aus im Wasser gelösten, dann aber beim Gefrieren frei gewordenen Luftmolekülen, die vom Zufrieren des Hohlraums gewissermaßen überrascht wurden.
Das Wachstum aufwärtsstrebender Eiszapfen lässt sich auch experimentell untersuchen. Ausgangspunkt ist eine Tiefkühltruhe – besser eine Kältekammer mit regelbarer Temperatur – sowie ein Eiswürfelbehälter, den man mit Leitungswasser füllt. Die Wahrscheinlichkeit für stehende Zapfen erweist sich allerdings als sehr gering, denn Verunreinigungen im Leitungswasser können dessen Kristallisationsverhalten nachhaltig stören. Dann fließt es einfach aus dem Loch heraus. Versuche mit destilliertem Wasser sind hingegen häufiger von Erfolg gekrönt.
Zunächst wachsen die Eiszapfen sehr langsam. Später nimmt das Tempo immer mehr zu, was die spitz auslaufende Form des Zapfens erklärt, und fällt schließlich abrupt auf null zurück. Eine konstante Temperatur von etwa minus zwölf Grad erweist sich dabei als optimal.
Warum aber ist die Züchtung stehender Eiszapfen überhaupt eine solch diffizile Angelegenheit? Vor allem deshalb, weil die Geschwindigkeit des Eiskristallwachstums ziemlich genau jener des nachströmenden Wassers entsprechen muss. Das obere Ende des Zapfens bildet idealerweise eine fast perfekte Halbkugel aus Wasser. Strömt aber mehr Wasser nach, als gefriert, läuft es einfach über. Dann wachsen die Zapfen in die Breite und sorgen lediglich für eine kleine Erhöhung der Eisfläche. Strömt zu wenig Wasser nach, friert der Zapfen zu.
Selbst auf das »richtige« Loch im Eis kommt es an. Wenn Wasser gefriert, geschieht dies vorwiegend in den durch die Symmetrie des Eiskristalls vorgegebenen Richtungen. Dabei spielt zwar der Zufall eine wichtige Rolle. Sind allerdings die Kristalle am Loch parallel zur Eisoberfläche orientiert, ist die Wahrscheinlichkeit dennoch gering, dass ein Zapfen in die Höhe wächst.
Kein Wunder angesichts so zahlreicher Voraussetzungen, dass stehende Eiszapfen selten anzutreffen sind. Nicht ganz so selten sind aber Varianten des Phänomens: »Eisfasern«, die geradezu wie Pflanzen aus dem Boden herausdrängen (und an die der Dichter in seinem Vers ebenfalls nicht gedacht hat). Entstehen können sie, wenn der Boden sehr feucht ist und plötzlich starker Frost auftritt. Dünne Bereiche in der entstehenden Eiskruste sorgen dann wieder dafür, dass das noch flüssige Wasser-Erde-Gemisch wie durch die Düse eines Tortengussbeutels herausgepresst wird und erstarrt. Doch es gibt einen entscheidenden Unterschied.
Anders als die Eisfläche in der Vogeltränke führt die unebene Oberfläche der feuchten Erde offenbar zu lokal unterschiedlichen Druckverhältnissen und damit zu mehreren Löchern im Eis – und vielen dicht an dicht stehenden Eisfasern.
Ein ähnliches Phänomen kennen Geomorphologen übrigens als Kammeis: An schneefreien, aber feuchten Berghängen können Bündel von bis zu 30 Zentimeter langen Eisnadeln aus dem gefrierenden Boden wachsen – ein Naturschauspiel, in dem sich überraschende Physik auf eindrucksvolle Weise mit ästhetischer Wirkung verbindet.

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