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Physik im Alltag und Naturphänomene, Rubrik: "Schlichting! "

Skurrile Eispodeste auf dem Baikalsee

VLADIMIRPB / GETTY IMAGES / ISTOCK

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 1 (2022), S. 60 – 61

Das Schöne ist eine Manifestation
geheimer Naturgesetze

Johann Wolfgang von Goethe (1749–1832)

Selbst bei lang anhaltenden tiefen Temperaturen kann die Eisdecke eines Sees allmählich schrumpfen. Das liegt an der Wärmestrahlung des Tageslichts. Aufliegende Steine schirmen diese unter sich ab, während das restliche Eis abgetragen wird. Sie finden sich daher schließlich auf einer Säule balancierend wieder.

In unseren Regionen trifft man auf einem zugefrorenen Gewässer zuweilen Steine, Blätter und Äste an, die sich in einer Mulde befinden, so als wären sie dort unter dem eigenen Gewicht eingesunken (siehe »Schmelzabdruck«). Der Eindruck trügt. Vielmehr absorbieren sie die direkte Sonnenstrahlung und erwärmen sich deswegen über den Gefrierpunkt hinaus. Bei nicht allzu tiefen Temperaturen entsteht zunächst Schmelzwasser und dann mit dessen Verdunstung eine passgenaue Mulde, die bei länger andauernder Sonneneinwirkung immer tiefer wird. Das Eis an sich ist weitgehend transparent und nimmt nur wenig Sonnenenergie auf. Es wird an unberührten Flächen in der Umgebung also kaum angegriffen.

Manchmal lässt sich aber eher das Umgekehrte beobachten, etwa bei lang anhaltenden tiefen Temperaturen auf schneefreien, zugefrorenen Seen wie dem Baikalsee in Sibirien. Dort sind Steine zwar auch von einer Mulde umgeben, aber statt darin zu liegen, scheinen sie vielmehr darüber zu schweben. Tatsächlich werden sie von einem schmalen Eispodest getragen, das aus der Vertiefung herausragt. Wegen der visuellen Ähnlichkeit zu meditativ genutzten Steintürmchen werden solche Fundstücke gelegentlich als Zen-Steine bezeichnet (siehe »Zen-Stein«).

Die Kontur der Zen-Steine erinnert an pilzartige Felsformationen, wie sie beispielsweise im türkischen Kappadokien zu bewundern sind (siehe »Feenkamine«). Solche »Feenkamine« entstehen, indem härteres Gestein, das auf weicherem liegt, an manchen Stellen die Erosion durch Wasser und Wind abschirmt und damit verzögert.

Es war bereits bekannt, dass die Erosion auch beim Entstehen der Zen-Steine eine wesentliche Rolle spielt. Bisher ließ sich allerdings nicht erklären, welcher Mechanismus bei derart tiefen Temperaturen das Eis so stark abträgt. Denn einerseits ist die direkte Sonneneinstrahlung jahreszeitlich bedingt sehr schwach, und zum anderen erfolgt die Strukturbildung der Zen-Steine unabhängig davon, ob und aus welcher Richtung die Sonne scheint.

Im Oktober 2021 haben die Physiker Nicolas Taberlet und Nicolas Plihon von der Universität Lyon das Problem gelöst. Sie konnten sowohl experimentell als auch anhand eines physikalischen Modells zeigen, dass die Erosion durch die Sublimation von Eis bewirkt wird. Beim Sublimieren einer Substanz geht diese direkt vom festen in den gasförmigen Zustand über. Das flüssige Stadium wird sozusagen übersprungen. Das ist kein ungewöhnlicher Vorgang – im Winter verschwindet Schnee selbst in unseren Breiten unter bestimmten Bedingungen, ohne zuvor flüssig geworden zu sein (siehe »Spektrum« 2/2020, S. 78). Ein solcher unmittelbarer Übergang geschieht außerdem beispielsweise beim festen Kohlenstoffdioxid, das umgangssprachlich bezeichnenderweise Trockeneis heißt und bei Umgebungstemperatur in einer stürmischen Reaktion gasförmig wird (siehe »Spektrum« 11/2009, S. 52).

Bei der Sublimation von Eis finden Schmelzen und Verdampfen gewissermaßen gleichzeitig statt. Daher muss die dazu nötige Wärme für beides auf einmal aufgebracht werden; obendrein ist beim Wasser jeweils relativ viel Energie dafür erforderlich. Woher stammt sie? Eis absorbiert Licht sichtbarer Wellenlängen kaum. Deswegen kommen fast ausschließlich die langwelligen Anteile des diffusen Tageslichts in Frage, das aus allen Richtungen einstrahlt.

Aus dessen Intensität lässt sich die Rate der Eiserosion durch Sublimation abschätzen. Dabei zeigt sich: Der Schwund geht sehr langsam vonstatten. Dabei schirmt ein auf dem Eis liegender Stein die unter ihm befindliche Fläche ab und schützt sie vor Verlusten. So senkt sich allmählich das Eisniveau außerhalb des Schattens, und der Stein bleibt auf einem Podest liegen. Dieses scheint aus der sinkenden Eisfläche herauszuwachsen und wird dabei der diffusen Strahlung des Tageslichts stärker ausgesetzt. Dadurch trifft die von überall kommende Wärme auch auf die zunehmend hohen Seiten der Eissäule, die zu einem immer schmaleren Stiel erodiert – der schließlich unter dem Gewicht des Steins bricht.

Taberlet und Plihon haben ihre Theorie durch Laborexperimente abgesichert. Sie führten sie in einer Vakuumkammer durch, wie sie zur Gefriertrocknung etwa von Lebensmitteln verwendet wird. Bei den dort herrschenden niedrigen Drücken und Temperaturen konnten die beiden Physiker die Sublimationsrate wesentlich erhöhen und damit die Erosionsdauer entsprechend verkürzen. Sie stellten die Geschehnisse auf dem Baikalsee gewissermaßen im Zeitraffer nach. Statt Steine verwendeten sie kleine Metallplatten. Diese wurden mit dem Schrumpfen der umliegenden Eisschicht in der Kammer schnell auf ein immer höheres und schmaleres Podest gehoben. Bei Versuchen mit Plättchen unterschiedlicher Art war der Effekt unabhängig vom Material. Insbesondere spielte die Wärmeleitfähigkeit des Stoffs keine Rolle.

Bei einem näheren Blick fällt auf: Ähnlich wie bei den eingangs genannten Blättern auf hiesigen zugefrorenen Flächen bildet sich unter den Zen-Steinen ebenfalls eine Mulde. Denn sie absorbieren – anders als Eis – auch Energie im sichtbaren Bereich des Tageslichts und geben diese als Wärmestrahlung an die Umgebung ab. Das erodiert die in unmittelbarer Nähe befindliche Eisfläche zusätzlich. Hier zu Lande bringt das die Unterlage üblicherweise zum Schmelzen, in Sibirien aber erhöht es wegen der sehr tiefen Temperaturen lediglich die Sublimationsrate.

Quelle

Taberlet, N. , Plihon, N.: Sublimation-driven morphogenesis of Zen stones on ice surfaces. PNAS 2021 Vol. 118 No. 40 e2109107118

Diskussionen

27 Gedanken zu “Skurrile Eispodeste auf dem Baikalsee

  1. Diesen Schmelzabdruck der Blätter kenne ich von einem früheren Post von Dir und habe diesen auch letzten Winter wiedergefunden, entlang eines Fahrradwegs, weil es da Senken hin zu den Uferbäumen gab.

    Verfasst von kopfundgestalt | 3. Januar 2022, 01:01
    • Ich weiß, dass dir als aufmerksamen Leser nichts verborgen bleibt. Die Baikalseestrukturen verweisen jedoch auf unsichtbare Phänomene, an die ich nicht gedacht hätte.

      Verfasst von Joachim Schlichting | 3. Januar 2022, 10:31
      • Spannend.
        Der Kern der Sache mit dem Zenkern ist also die Sublimation…von der ich bisher nichts wusste.
        Ich bin auch ein wenig fasziniert von den Versuchen. Offenbar wurden sie finanziert, denn wie sonst kann man sie wohl so umfachreich untersuchen.

        Verfasst von kopfundgestalt | 3. Januar 2022, 10:56
      • Ja, die Sublimation wird oft übersehen, weil sie schwer zu beobachten ist. Ich selbst habe das Phänomen schon seit Jahren in der folgenden Version vor Augen: Nach dem Schneeschieben (wenn es denn in unseren Breiten mal dazu kommt) bleibt wegen der Rauigkeit der Straße immer ein Rest des Schnees zurück. Bei großer Kälte verschwindet dieser Rest aber oft sehr schnell, auch wenn die Sonne nicht scheint. Hier ist dann also der Schnee direkt in Wasserdampf übergegangen – sublimiert.

        Verfasst von Joachim Schlichting | 3. Januar 2022, 11:59
      • Noch nie beobachtet…Tja, wenn man davon WEISS, dann wird man es sehen können.

        Verfasst von kopfundgestalt | 3. Januar 2022, 12:01
      • Genau! Dabei wird wieder einmal die Bedeutung des „Sehens“ vor Augen (sic!) geführt. 😉

        Verfasst von Joachim Schlichting | 3. Januar 2022, 13:33
      • Man stösst wohl des öfteren auf Objekte, die von manchen nicht gesehen werden, etwa diese von Dir geschätzen Pareidolien.
        Ich frage mich, wie ein Auge mit etwas umgehen würde, für die es intern kein Bild als Übersetzung hat. Kann es so etwas geben? Eigentlich nicht.

        Verfasst von kopfundgestalt | 3. Januar 2022, 14:01
      • Man weiß, dass das Bild des Gesichts der Mutter für Kinder von großer Bedeutung ist und unter vielen anderen Gesichtern erstaunlich gut erkannt wird. Vermutlich zählen menschliche Gesichter, die bei Pareidolien eine wichtige Rolle spielen, zu den internen Urbildern, die selbst bei schlechten „Vorlagen“ versuchsmäßig abgerufen werden.

        Verfasst von Joachim Schlichting | 3. Januar 2022, 17:29
      • Die Sublimation nehme ich auch als einen besonderen Aspekt mit. Vielleicht kann ich ihn ja auch bei meiner Frau anwenden, wenn sie mich fragt wo denn die letzten Pralinen oder das letzte Glas Sekt geblieben wären.

        Verfasst von paulpeterheinz | 3. Januar 2022, 13:58
      • Gute Ausrede! sogar wissenschaftlich begründet. Sigmung Freud hat diesen Begriff im Bereich des Psychischen so populär gemacht, dass mir jemand angesichts der Sublimation der Eiskristall sagte: Du willst doch nicht behaupten, dass das Eis eine Seele hat 😉

        Verfasst von Joachim Schlichting | 3. Januar 2022, 17:24
  2. Da: Stein auf Wasser. Das Wasser denkt nicht an den Stein: es schmilzt, umfließt den Stein, der Stein denkt nicht an den Frühling.

    Sie erwecken – für zwei Augen mit großem Hirnanhang – den Eindruck, als könnte der Stein übers Wasser gehen, also das was er nicht kann, aber mal konnte, nur vergessen hatte: nämlich im tragenden Wasser schweben.

    So tat das „Auge mit Hirnanhang“, was es naturgesetzlich tut -bis es ruht-: Es dachte mit seinem geheimen, verschlungenen, verknoteten Naturgesetz der Assoziation, aber zunächst provisorisch: Wenn das Schöne einfach eine Manifestation zunächst geheimer, doch nach und nach entschlüsselter Naturgesetz ist, dann wäre es doch auch das Böse. Somit ist am Anfang etwas weder Schön noch Böse, sondern alles IST, geht naturgesetzlich so. Es gibt Eispodeste auf dem Baikalsee. Es gibt Energie und Entropie. Es gibt….

    Es gibt den beweglich-bewegenden Drang und sonst gibt es NICHTS. Es arbeitet wie der Koch der für seinen Herrn Ochsen zerlegt. Kaum war der HIER ist er auch DORT, kaum war er SO schon auch ANDERS: Er folgt nur seinem natürlich-gesetzlichen Drang. Das Messer schneidet natürlich. Wasser fließt von Hoch nach Tief bis der gewandelte Drang es erfriert. Der Drang lebt vom Kontext, den er auch schafft: wirkt er im Schatten oder wirkt er im Licht, bewegt sich der Kontext, bewegt der Drang sich mit. Er wirkt in und durch die Gezeiten seines Kontexts. Ein uralter Freund, eingebettet in Sonnen- und Mondgesetze.

    Peter Sloterdijk schreibt in Eurotaoismus: „Die Kinetik ist unser Schicksal“

    So dachte Es in ihm und hätte ihn bald an den Rand gebracht, dort wo das schwarze Loch lauert.
    Warum nur viel ihm jetzt das Lied ein „sag mir wo die Blumen sind..“ Egal!
    Schnell klickte er auf „Kommentar absenden“, um seine Theorie dem Experten und Freund der Eissteine auf dem Baikalsee zum Kommentar vorzulegen. Er fand noch eine Briefmarke mit einer kurzen Replik an Goethe: „Grün teurer Freund ist der Theorie goldner Baum, und grau ist alles Leben“.

    Verfasst von paulpeterheinz | 3. Januar 2022, 07:58
    • Das verstehe ich jetzt als eine poetisch-philosophische Annäherung an das Phänomen der schwebenden Steine. Wenn man sich die zahlreichen im Internet zu findenden Fotos zu den Zen-Steinen (sic!) auf dem Baikalsee anschaut, wird man vielleicht auch noch durch ein weiteres erstaunliches Phänomen irritiert: Wie stark muss die Adhäsionskraft und die Biegesteifigkeit der oft völlig „exzentrischen“ und erstaunlich dünnen Eissäulen sein, um angesichts der Last der Steine nicht abzubrechen.

      Verfasst von Joachim Schlichting | 3. Januar 2022, 10:43
      • Das ist doch auch bei „deinen freischwebenden Eiszungen“ die Frage…

        Verfasst von kopfundgestalt | 3. Januar 2022, 10:57
      • Ja klar. Im engeren Sinne kann ich bei Deinen Texten überwiegend nur still staunen und animiert werden, mich mehr um das Naturwissenschaftliche zu kümmern. Für einen fachlichen Beitrag i.e. Sinne fehlen mir die Jahre!.
        Der zweite Satz hat eine religösen Hintergrund. :-))

        Doch in erster Linie sehe ich den obigen Beitrag als „Fortsetzungsroman“ zum Thema Entropie, die ja auch hier ihre Hand im Spiel hat: Sowohl bei der Bildung, der Erhaltung wie auch der Auflösung solcher Phänomene – wenn ich das richtig verstanden habe. Entropie war mir als Begriff nur aus der Systemtheorie während meiner Arbeit als Coach für Organisationen heraus geläufig. Dabei geht es ja auch um den/die „geheimen Beweger in Organisationen“: Was macht sie erfolgreich, was läßt sie schwächeln, was führt zum Organisationsabsturz. Welche „geheimen Gesetze“ regeln das Miteinander der Akteure? Was hält sie wie ZEN- Steine zusammen.

        Diese ähnlich wie Zen-Steine „fragilen“ Gebilde. Dabei war es mir all die Jahre eine Freude solchen „Gesetzen“ auf die Spur zu kommen. Der externe Betrachter entdeckt die ersten Anzeichen solcher Gesetze oft leichter, schneller als die direkten Spieler. In der Vielstimmigkeit der Kommentare entdeckt er oft leichter den roten Faden, die Adhäsionskraft und die Biegesteifigkeit der oft völlig „exzentrischen“ und erstaunlich dünnen Organisations-Kultur-Schichten, um angesichts der Last der Märkte und den internen Konflikten nicht abzubrechen. Indem er sie ins System rückkoppelt, erhält er Feedback und mein Feedback lässt die Organisation zu neuen Einsichten kommen. Sie entdecken, wenn es gut läuft, ihre schwachen Punkte.

        Verfasst von paulpeterheinz | 3. Januar 2022, 11:43
      • Es stimmt, die Entropie ist ein so universelles Konzept, dass sie in vielen Bereichen meist mehr implizit als explizit der entscheidede Faktor ist. Da die Entropie neben der phänomenologischen (energetischen) auch eine äquivalente statistische Formulierung besitzt, spielt sie auch in anderen Bereichen, z.B. der Wirtschaft (Nicholas Georgescu-Roegen, The entropy law and the economic process) eine wesentliche Rolle, bzw. sollte es zumindest.

        Verfasst von Joachim Schlichting | 3. Januar 2022, 12:16
      • Mein erster Kontakt zu den Themen begann im Grundstudium der Wirtschaftswissenschaft. Unser BWL Prof. war ein kleiner, immerzu schmunzelnder Praktiker. Er begann die BWL Vorlesung mit dem Satz: Meine Damen und Herren, wenn sie hier und heute nicht erfassen, dass Unternehmen komplexe, soziale, kybernetische Systeme sind, dann werden sie scheitern. Du kannst dir sicherlich vorstellen, wie wir als junge Wilde uns anschauten und dachten… Was genau will der uns denn hier nun beibringen? Sein „Doktovater“ wiederum war Hans Ulrich, der seine Managementlehre dem sog. St. Galler Management-Modell entwickelt hatte; von Beginn an wurde ich so auf den Umgang mit komplexen Systemen ausgerichtet. Später kam u.a. Frederic Vester, Hellmut Willke, Dirk Baecker, u.v.a.m hinzu. Frederic Vester gab mir dabei die wichtigsten Impulse. Durch ihn fehlte in keinem meiner Seminare und Beratungen das Stichwort Assoziation: Wir verstehen uns nur sehr bedingt korrekt, weil wir alle! unterschiedlich assoziieren.

        Mit einer kleinen Einführung verstanden die Praktiker schnell mehr, wenn wir ihre Fälle und Projekte im Kontext von: Assoziation, DenkenLernenVergessen, Komplexität, Rückkoppelung, autopoietisch und selbstreferenziell, Systemverhalten etc. besprachen. Begonnen habe ich dann meist mit dem wichtigsten Energie-Kraft-Element eines Unternehmens: der Entscheidung! Dann wussten alle sofort Bescheid. Ich brauchte kaum noch weitere „Systemtheoretische“ Erklärungen. Das war ja ihr oft „unbegreiflicher“ Alltag, der sie täglich und stark betraf. Wie werden sie getroffen, warum sie oft nichts und doch soviel bewirkten, Verzögerungs- oder Hinderungsgründe, wie sie selber ihr Entscheidungsverhalten einschätzen…. Hätte ich damals von den physikalischen Gesetzen der ZEN Steine im Baikalsee gewusst – ich hätte daraus ein Spiel konstruiert.

        Verfasst von paulpeterheinz | 3. Januar 2022, 13:42
      • Vester habe ich in den 70er Jahren und auch danach intensiv gelesen. Es lief damals noch alles unter dem Begriff der Kybernetik, die so etwas wie eine Vorstufe zu nichtlinearen Dynamik anzusehen ist, die dann in den 80er Jahren popular wurde und auch mich voll in ihren Bann gezogen hatte.

        Verfasst von Joachim Schlichting | 3. Januar 2022, 17:22
      • In der Komplexitätsfoschung ist man ja auf der Jagd nach solchen universellen Konzepten.
        Brockmann erwähnte bspweise Biologie und Soziologie als Felder, in denen sich verwandte Phänomene tummeln…

        Verfasst von kopfundgestalt | 3. Januar 2022, 14:04
      • Das ist richtig. Ohne derartige Konzepte können komplexe System nicht vernünftig beschrieben werden.

        Verfasst von Joachim Schlichting | 3. Januar 2022, 17:41
      • Eine gute, seriöse Seite zur Komplexität:
        https://complexity-research.com/index.html

        Verfasst von paulpeterheinz | 3. Januar 2022, 18:36
      • Vielen Dank!

        Verfasst von Joachim Schlichting | 3. Januar 2022, 20:48
  3. Ein toller Beitrag! Danke für die Erklärung 😀

    Verfasst von Mütze | 5. Januar 2022, 18:45

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