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Eis

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Wie sieht Natur aus?

Es ist fraglich, ob die Natur überhaupt ‚aussieht‘. Es ist fraglich , ob die Welt einen feststehenden Aspekt bietet. Es könnte sein, daß die Augen ein Netzwerk ins Dunkle auswerfen, das eine dem Menschen faßbare Welt durch den Menschen selbst entstehen läßt. Die objektive Substanz ist für den Menschen sinnengemäß nicht faßbar. Malerei ist Kanon der Sicht.*

Die Naturwissenschaften, die Kunst, die Literatur… sind verschiedene und möglicherweise komplementäre Zugänge zur Natur und der durch sie mitbestimmten Wirklichkeit. Jedes ist eine besondere Art und Weise einen Zugang zu dem zu finden, was die Menschen als Substrat dieser Wirklichkeit ansehen.


* Willi Baumeister. Das Unbekannte in der Kunst. Stuttgart 1947, S.18

Nadeldialog

Es scheint als würden die nadelförmig wachsenden Raureifkristalle die stachelige Form der realen Tannennadeln imitieren. Allerdings sind sie so frei, nur eine Seite des Zweigs zu besiedeln. Denn anders als ihre botanischen Vorbilder wachsen sie nicht der Sonne, sondern dem Wind entgegen, der reichlich Nahrung in Form von Wassermolekülen heranführt. Möglicherweise hat er bei Temperaturen von einigen Graden Celsius unter null auch noch winzige Nebeltröpfchen (unterkühlt) im Gepäck, um sich an den bereits vorhandenen Kristallen anzulagern. Da bei der Kristallisation Wärme abgeführt werden muss, sind die in die kalte Luft hineinreichenden äußeren Spitzen besonders prädestiniert.

Naturkunst trifft Physik

Als ich noch während des Regens einige Tage vor dem Frost wie in Kindheitstagen eine Burg in der Pfütze formte und dann der Natur überlies, ahnte ich nicht, was einige Tage Später nach dem Einbruch der kalten Tage daraus werden würde. Offenbar ist das Wasser schnell versickert, sodass mein bereits vom Regen und dem Wasser in der Pfütze deformiertes Gebäude die von mir beabsichtigte Form weitgehend verloren hat. Dafür ist es durch die Eisstrukturen mit großer „Aufmerksamkeit“ für die Details in ein naturschönes Netzwerk von Eislinien in ein kühles Gesamtkunstwerk eingebunden worden.
Die hellen Bereiche der realtiv dünnen Eisschicht haben keine Berührung mehr mit dem Wasser, auf dem sie ursprünglich mal entstanden sind. Sie sind von unten mir Reifkristallen besetzt, sodass die ursprüngliche Transparenz verschwunden ist. Nur der ursprüngliche „Burggraben“ ist noch mit Wasser gefüllt und die dort noch aufliegende Eisschicht ermöglicht noch einen Durchblick auf den dunklen Pfützenboden.
Heute vor fast genau einem Jahr, bot die ganz unfreiwillig als Eiskunstinstallation mutierte Pfütze noch ein etwas anderes Bild.

Schattensäulen im Eis

Was hier wie eine feine Grafik daherkommt, ist in Wirklichkeit ein Naturphänomen. Wir blicken auf eine Eisschicht eines zugefrorenen Teichs. Die Dicke der Eisschicht lässt sich an der Länge der dunklen weitgehend senkrechten Striche abschätzen. Diese perspektivisch auf ein fiktives gemeinsames Zentrum (auch Fluchtpunkt genannt) weisenden Striche sind Schattensäulen. Sie werden hervorgerufen durch Gasblasen, die im Eis des zufrierenden Teiches steckengeblieben sind.
Das Gas entsteht durch biologische Aktivität irgendwelcher Pflanzen auf dem Grund des Teichs. Es sammelt sich zunächst an bestimmten Stellen der Pflanzen, bis die Auftriebskraft die Adhäsionskraft übersteigt und eine Blase aufsteigt. Da der Teich dabei ist zuzufrieren, bleibt sie unterhalb der Eisschicht sitzen und wird durch das tiefer in den Teich hineinwachsende Eis eingeschlossen. Je nach dem Zeitpunkt, in dem die Blasen aufstiegen, befinden sie sich in unterschiedlicher Höhe in der Eisschicht.
Die ältesten Blasen befinden sich unmittelbar unter der Oberfläche, die jüngsten an der unteren Fläche der Eisschicht. Sie sind dadurch zu erkennen, dass sie keinen Schatten haben. Denn das klare Wasser darunter streut das Licht nicht. Die Blasen haben einen Durchmesser von einigen Millimeter, sie sind als weiße Flecken zu erkennen. Das Weiß rührt daher, dass sie auf ihrer Innenseite eine Reifschicht aufweisen, die das Licht streuen.
Während des Fotografierens schien die Sonne. Die weitgehend opaken Blasen werfen Schatten. Die Eisschicht ist nicht völlig transparent, weil an Verunreinigungen (winzige Lufteinschlüsse) das Sonnenlicht diffus reflektiert wird und ihr ein leicht milchiges Aussehen gibt. In den Schattenbereichen findet hingegen keine Lichtstreuung statt, weil dorthin überhaupt kein direktes Sonnenlicht gelangt. Daher erscheinen sie in der aufgehellten Eisschicht wie dunkle Säulen.
Die Schattensäulen scheinen auf einen fiktiven gemeinsamen Punkt in der Tiefe zuzulaufen, den Fluchtpunkt.

Galaktische Nebel in der Wasserpfütze

Was mag das sein, das hier wie ein galaktischer Nebel durch zahlreiche Sterne hindurch gesehen daherkommt? Ich war mir vollkommen sicher, dass ich den Blick nicht nach oben gerichtet und kein Riesenteleskop vor Augen hatte, sondern ohne Hilfsmittel nach unten in eine zugefrorene Wasserpfütze.
Schaut man genauer hin, so erkennt man durch die ansonsten ziemlich glatte Eisschicht hindurch verfaulende Blätter und andere Überbleibsel aus der vergangenen Vegetationszeit. In die Eisschicht integriert zeichnen sich in zarten vor allem Blautönen Strukturen ab, die an Spuren biologischer Aktivität erinnern. Ähnlich wie beim Gefrieren von Wasser die darin enthaltene Luft gewissermaßen ausgeschwitzt wird, sind es hier vermutlich proteinhaltige Bestandteile der verwesenden Biomasse, die sich an der Wasseroberfläche abgesetzt haben und einen äußerst dünnen Belag bilden. Dieser ist offenbar so dünn, dass es aufgrund der Überlagerung des an der vorderen und hinteren Grenzschicht reflektierten Lichts zu ähnlichen Strukturfarben wie bei einer Ölschicht auf einer nassen Straße. Die weißen „Sterne“ sind winzige im Eis eingefrorene Gasblasen, die von innen mit Reif belegt sind.
Wie dem auch sei, es ist auf jeden Fall ein naturschöner Anblick, der zumindest einen Teil seines Geheimnisses bewahrt hat – jedenfalls bis jetzt. Ich habe schon einige Male die Schönheit zugefrorener und zufrierender Pfützen gezeigt. Dort wurden die Strukturen vor allem durch das parallel zum Gefrieren versickernde Wasser hervorgerufen. In diesem Fall zeugt aber die glatte Eisfläche davon, dass der Wasserspiegel während des Gefrierens weitgehend gleich geblieben sein muss. Als Ursache käme eine Versiegelung des Pfützenbodens durch die Sedimentation feinstrukturierter Überreste der verwesenden Biomasse infrage. Meist sind solche Pfützen sehr langweilig und manchmal bei genügender Länge allenfalls zum Glitschen zu gebrauchen. Hier aber finden wir in der verhältnismäßig dicken Eisschicht andere beeindruckende Strukturen.
Das Schöne an der dicken Eisschicht ist außerdem, dass sie nicht so leicht zu zerstören ist. Viele Menschen, auch Erwachsene, genießen eher das akustische Phänomen der klirrend zerbrechenden Eisscheiben als die Wohltat für die Augen.

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

Rätselfoto des Monats Januar 2022

Wie kommt es zu den langen weißen Nadeln?

Erklärung des Rätselfotos des Monats Dezember 2021

Frage: Wie kommt es zu dieser geraden Begrenzung der Reifschicht?

Antwort: Wir blicken frontal auf die Seitenscheibe einer Busstation. Sie ist etwa bis zur Hälfte mit Reif bedeckt, der wie mit einem Lineal gezogen begrenzt ist. Ursache dafür ist die Sonne, die schräg von oben und von der Seite in den Unterstand scheint und teilweise durch das Dach abgeschattet wird. Weil sich die Sonne allmählich von links nach rechts bewegt und immer mehr von vorn in den Unterstand leuchtet, verschiebt sich der Schatten des Dachs und damit die Trennlinie weiter nach oben. In dem Maße, wie der beschattete und noch vom Raureif überzogene Teil der Scheibe in die Sonne gerät, schmilzt das Eis. Denn obwohl die Eiskristalle weitgehend transparent sind, wird das Licht im rauen Reif mehrfach reflektiert, wobei immer auch ein Teil des Lichts absorbiert und in Wärme umgewandelt wird, die für das Schmelzen benötigt wird.
An der Geradlinigkeit der Schmelzgrenze erkennt man übrigens die Geradlinigkeit der Lichtausbreitung.

Wintergrafik

Es ist als wollten Pfützen ihr schlechtes Image damit aufbessern, dass sie sich sehr oft als naturschöne Hervorbringungen von Zufall und Notwendigkeit präsentieren. Dabei spielen nicht nur die oft sehr individuelle Morphologie des Untergrunds und die Geschwindigkeit, mit der das Wasser unter dem Eis versickert eine wesentliche Rolle, sondern auch der Temperaturwechsel, die Bedeckung des Himmels und anders mehr. Jedenfalls lasse ich keine Gelegenheit aus, zugefrorene Pfützen aufzuspüren und wenn möglich wie Bilder in einem Kunstmuseum zu betrachten. In vielen Fällen gelingt es mir, wenigstens im Prinzip, die physikalischen Hintergründe ihrer Entstehung aufzudecken (siehe z.B. hier, hier, hier).

Wurmlöcher im Eistropfen

Dieser wurmstichige Wassertropfen ist gar keiner. Vielmehr war es einer, der über Nacht vom Frost erwischt und in einen tropfenförmigen Eiskristall verwandelt wurde. Und die Wurmlöcher sind auch keine, sondern luftgefüllte Gänge, in denen die im Wasser gelöste Luft während der Kristallisation hineingedrängt wurde. Denn für sie ist kein Platz im Kristallgitter des Eises.

Blick auf das Packeis

Auf dem Flug nach Fairbanks (Alaska) geben die Wolken teilweise den Blick auf das Packeis des Nordpolarmeeres frei. Das schräg einfallende Sonnenlicht wird vom Wasser zwischen den Eisschollen reflektiert – ein äußerst erhabener Anblick! Um den schönen Anblick zu genießen, muss man die Probleme einen Moment vergessen…

Der Mond eine glasige Lichtlache

Nach dem gestrigen nahezu Sommertag ist es kaum noch vorstellbar, dass vor gut einem Monat noch Schnee und Kälte herrschten. Indem ich nunmehr feststelle, dass der Vollmond vom Palmsonntag allmählich angeknappert wird, also abnimmt, werde ich an die runde Eisscholle erinnert (siehe Foto), die ich aus der Vogeltränke herausgelöst und dann spielerisch in den Schnee gesteckt hatte, wo sie von der tiefstehenden Sonne lichterloh entflammt wurde. Mir stand sofort das Bild des Vollmonds vor Augen, der durch eine Wolkenschicht hindurchtauchte. Einiges stimmt an dieser Assoziation: das Runde, das im Sonnenlicht leuchtende, die Strukturierung der Oberfläche, das Eisige… Dass diese glasige Lichtlache* eine flache, transparente Scheibe ist und zudem kein Licht reflektiert, sondern bricht und einen Schatten hervorruft, stört dabei nur wenig. Weiterlesen

Schatten und Kristalle

Vor ein paar Tagen fror der Teich noch einmal zu, jedenfalls: fast. Am geschützten Rand sind noch einige flüssige Stellen, die gerade von linear vorauseilenden Eiskristallen kolonialisiert werden, indem sich zwischen ihnen eine flächenhafte Eisschicht ausbildet. Da diese Eisschicht – vermutlich wegen der massenhaften Verunreinigungen durch faulende Blätter etc. eine aufgeraute Oberfläche aufweist, enden die perfekten Spiegelungen der randständigen Pflanzen auf der glatten Wasserhaut zunehmend  in schemenhaften Reflexionen auf der Eisfläche.
Wie man an den hellen Lichtreflexen an den Eiskristallen erkennt, mischt sich auch die Sonne in das Geschehen ein. Sie sollte schließlich die Oberhand gewinnen und die festen Strukturen in das für  unsere Augen amophe Wasser zurückführen. Aber solange dieser Prozess noch nicht vollendet ist, genießen wir die stille visuelle Zwiesprache zwischen den linearen Strukturen von Schatten und Kristallen…

Naturschöne Wasserpfütze

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Zur Kunst der Handhabung

All perception of truth is
the perception of an analogy;
we reason from our hands to our head.

Henry David Thoreau (1817 -1862)

Als ich spaßeshalber mit der Hand feststellen wollte, wie sich das leicht übergefrorene Moos anfühlte, spürte ich wie die Hand zunächst auf harte, kalte Eispartikel stieß, die aber unversehens ihren Widerstand aufgaben, indem sie sich verflüssigten. Das Moss wurde weich, die Hand sank ein und das Gefühl entsprach wieder dem vertrauten Moosgefühl – wenn auch stark unterkühlt.
Doch das war nicht alles. Als ich die Hand wieder entfernte, hinterließ sie eine visuelle Spur, die mir deutlich vor Augen führte, dass meine Berührung den berührten Gegenstand verändert hatte.
In diesem kleinen Spiel liegt eine große Wahrheit: Um den wahren Zustand eines Systems zu ermitteln, muss man behutsam vorgehen. Denn die nicht zu vermeidende Rückwirkung ist oft unerwünscht.
Dies gilt zumindest für die physikalische Praxis. Denn die Sensoren/Messgeräte sollen möglichst keinen Einfluss auf das System ausüben und es dadurch verändern. In anderen Bereichen mag es genau umgekehrt sein.

Glänzende Farben im Eis

Als vor einigen Tagen die Wasserpfützen noch einmal zufroren, war ich nach der Kälte- und Schneeperiode etwas enttäuscht, weil ich mich bereits auf den bevorstehenden Frühling eingestellt hatte. Aber immerhin schien die Sonne und ich war vollends versöhnt, als ich auf eine zugefrorene Pfütze stieß, die intensiv blaue Farben zum Vorschein brachte (siehe Foto). Dafür hatte ich zunächst keine Erklärung. Als ich jedoch weitere Pfützen in Augenschein nahm, auf denen das Phänomen weniger ausgeprägt war, erinnerte es an ein ähnlich „gefärbtes“ Eis auf einer Regentonne. Die Ursache sind hier wie dort ölhaltige Stoffe, die von vermodernden Pflanzen herrühren. Sie sollten daher nicht mit „Verschmutzungen“ durch Mineralöl verwechselt werden, die ungerechterweise ebenfalls farbenprächtige Muster hervorrufen können. Auch die Aktivitäten von Bakterien auf manchen Tümpeln machen sich zuweilen durch ästhetisch ansprechende Farbexplosionen bemerkbar.
Das ist einmal mehr ein Beispiel für ein naturschönes Phänomen, mit dem auch der Winter sich zuweilen von seiner farblichen Seite zeigt. Auch andere Phänomene wie Risse im Eis, Polarisation durch das blaue Himmelslicht usw. können einer transparenten Eisschicht eindrucksvolle Farbenstrukturen verleihen.

Rätselfoto des Monats März 2021

Wie kommt es zu diesem Phänomen?

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Erklärung des Rätselfotos des Monats Februar 2021

Frage: Wie kommt es zur Stabilität der Eisbrücken?
Oder: Warum bricht sich das Eismonster nicht den Hals?
Antwort: Schaut man sich den dünnen „Hals“ des gläsernen Monsters an, so staunt man vielleicht darüber, dass der vergleichsweise große „Kopf“ durch ihn getragen werden kann. Dieses Erstaunen resultiert aber hauptsächlich daraus, dass unsere Anschauung über die Tragfähigkeit von Strukturen in anderen Größenordnungen ausgebildet wird. Das hier zu sehende Gebilde ist aber nur etwa 10 cm lang und das ist entscheidend.
Dass der Unterschied in der Größenordnung eine wesentliche Rolle spielt, kann man sich folgendermaßen veranschaulichen: Die Tragfähigkeit des Halses (Biegekraft des Kopfes auf den Hals) ist proportional zur Querschnittsfläche des Halses. Sie variiert ungefähr mit dem Quadrat der Größe des Monsters. Das Volumen und damit die Masse des Kopfes variieren aber mit der Größe hoch drei. Wenn wir uns nun vorstellen, dass das Gebilde linear (unter Beibehaltung der Proportionen) um den Faktor 10 vergrößert wird und damit etwa im uns vertrauteren Meterbereich angesiedelt wäre, so nimmt die Querschnittsfläche des Halses um den Faktor 10 mal 10 = 100 zu. Das Volumen des Kopfes wächst aber mit dem Faktor 10 mal 10 mal 10 = 1000. Wenn man davon ausgeht, dass die Querschnittfläche gerade ausreichend war, den Kopf des Monsters zu tragen, wird bei einem 10 mal größeren Gebilde die Querschnittsfläche um den Faktor 10 zu klein sein, denn es muss ein 10 mal größeres Volumen tragen. Daher sind Hälse umso plumper/graziler, je größer/kleiner die Geschöpfe.

Dendriten im Schneematsch

Wasserpfützen können schön sein, obwohl es nicht so klingt. Entsprechendes gilt für Schneematsch auf einer Eisfläche. Davon kann man sich anhand der beiden Fotos überzeugen, von denen das obere einen Ausschnitt des unteren darstellt. Sie zeigen Schnee auf einem zugefrorenen flachen Gewässer der teilweise mit schönen Verästelungen verziert wird. Die Fotos stammen von Wolfgang Knappmann der sie mit Hilfe einer Drohne gemacht hat. Dadurch wurde das Szenario aus einer Perspektive zugänglich, die man vom Ufer aus nicht hätte einnehmen können.
Beeindruckend sind die fraktalen Verästelungen, die situationsbedingt nicht wie auf einer früheren Aufnahme quasi symmetrisch in alle Richtungen wachsen, sondern eine Richtung bevorzugen.
Bevor es zur Entstehung der Dendriten kam, war der Teich bereits zugefroren. In dieser Situation fiel Schnee und belastete die Eisdecke, sodass durch undichte Stellen oder noch nicht zugefrorene Löcher im Eis Wasser hochgedrückt wurde. Anders als im früher diskutierten Fall, in dem die Eisdecke bei der Absenkung weitgehend horizontal ausgerichtet blieb, haben wir es hier mit einer Neigung der Schnee bedeckten Eisflächen zu tun. Offenbar hat sich der Bereich in der Mitte, der noch mit trockenem, weißen Schnee bedeckt ist, überhaupt nicht gesenkt. Von hier ausgehend haben sich die Eisflächen dann zu den Seiten hin geneigt. Das aus den Öffnungen herausgequollene Wasser hat sich daher diesem Gefälle entsprechend ausgebreitet. Dabei kann man zwei Prozesse unterscheiden.
In dem einen Fall erfolgte eine langsame Durchnässung, indem die Feuchtigkeit gewissermaßen von Kristall zu Kristall weitergegeben wurde und zu einer „Verwässerung“ der weißen Farbe des Schnees führte. Dass feuchte Objekte, zum Beispiel ein durchnässtes Kleidungsstück oder eine Straße nach dem Regen dunkler aussehen als im Falle der Trockenheit dürfte bekannt sein. Das erklärt die unterschiedlich starke Verdunklung des Untergrunds.
Im anderen Fall, der durch die Dendriten geprägt ist, strömte das Wasser stärker gegen den Schnee an und durchdrang ihn in einem nicht genau zu beurteilenden Verhältnis von Verschieben und Schmelzen. Dass dies nicht in der vielleicht erwarteten Form erfolgte, in der das Wasser den Schnee großflächig durchdringt ist typisch für fraktale Strukturbildungsprozesse. Demnach breitet sich eine dickflüssige (stärker viskoses) Flüssigkeit in einer dünnflüssigeren (weniger viskosem) Flüssigkeit auf einer ebenen Fläche radial-kreisförmig aus. Im umgekehrten Fall ist die Grenzflächenfront zwischen den Flüssigkeiten instabil und es kommt wie früher bereits beschrieben zu den astförmigen Durchbrüchen, die dann ihrerseits instabil sind und Seitentriebe entwickeln, die sich dann weiter verästeln usw. Wegen der leichten Abschüssigkeit der Eisflächen entwickeln sich im vorliegenden Fall die Dendriten einseitig in Richtung der Neigung.
Die zu den Rändern hin dunkleren Bereiche sind wie gesagt zum einen der zunehmenden Durchtränkung des Schnees mit Wasser geschuldet. Zum anderen ist das sich in den Dendriten ausbreitenden Wasser vermutlich verschmutzt, was auf ein flaches Gewässer schließen lässt. Jedenfalls macht sich eine deutliche Braunfärbung bemerkbar.

Raucheis

Wie kalt es zurzeit bei uns ist, kann man an der Rauchfahne sehen, die während ihres Jobs Abgase zu entsorgen eingefroren ist. Hoffentlich dauert es keine 100 Jahre, wie im Märchen Dornröschen.

Hier findet man Genaueres zur Physik dieser Struktur.

Ohne Anomalie des Wassers geht es nicht

Als Kind war ich erstaunt, dass man viel mehr Bauklötze in den dafür vorgesehenen Kasten bekam, wenn man sie ordentlich hineinsetzte, jeden an seinen Ort. Irgendwann danach erschien es mir plausibel, weil – so mein Gedanke – jeder Zwischenraum genutzt wird, anders als wenn alles kreuz und quer durcheinander liegt. Ich musste wohl in der Zwischenzeit so etwas wie das Prinzip der Invarianz (nach Jean Piaget (1896 – 1980) ) verinnerlicht haben, dass eine Anzahl von Klötzen immer dasselbe Volumen beanspruchte, egal ob sie ungeordnet und geordnet waren. Im ungeordneten Zustand ist nur mehr oder weniger viel Luft zwischen ihnen. Weiterlesen

Verborgene Muster im Eis

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 2 (2021)

Das Sichtbare erschließt den Blick in das Unsichtbare

Anaxagoras (499–428 v. Chr.)

Wenn eine mit Wasser bedeckte Eisschicht schmilzt, entsteht auf ihr eine regelmäßige Struktur. Dabei spielt Wärmeübertragung durch Konvektion eine wichtige Rolle – und die besondere Dichteanomalie des Wassers.

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Ein Kreis unter dünnem Eis

Wer sich auf dünnem Eis befindet, sollte vorsichtig sein. Allzu leicht kann das Eis einbrechen. Das ist in diesem völlig harmlosen Beispiel geschehen. Der Teich ist nur mit einer dünnen Eisschicht bedeckt, die zudem mit einer Temperatur über dem Gefrierpunkt dabei ist, langsam in die flüssige Phase zu wechseln. Die Eisschicht fällt durch eine fast perfekte kreisförmige Öffnung zum darunter befindlichen Wasser auf, denn alle anderen Strukturen sind eher von floraler Unregelmäßigkeit. Wie kommt zu diesem Kreis?
Nachts waren Gase der biologischen Aktivitäten am Grunde des Teichs aufgestiegen und fanden die Weg in die Atmosphäre versperrt vor. Also sammelte sich eine wachsende Gasblase – genauer: eine Halbblase unter der Eisschicht. Blasen streben die Kugelgestalt an, weil die Kugel ein gegebenes Volumen mit der kleinsten Oberfläche begrenzt. Und da der Aufbau von Oberflächen Energie erfordert, kann Energie eingespart werden, wenn ein Gas sich mit einer kugelförmigen Oberfläche ausstattet. In diesem Fall gibt es eine noch günstigere Möglichkeit, nämlich die Unterseite der Eisschicht in den Bau der Blase mit einzubeziehen und so etwas wie eine Halbblase zu bilden.
Da im Lauf des Tages die Eisschicht begonnen hat zu schmelzen, ist auch die Eisbegrenzung der Blase dünner geworden. Vermutlich hat irgendwann der Auftriebsdruck ausgereicht, die dünne Eisschicht an der schwächsten Stelle zu brechen und das Gas endlich in die Atmosphäre zu entlassen.
Die ehemalige Blase ist übrigens nicht allein. Sie ist von zahlreichen kleineren Blasen umgeben, die wohl noch einige Zeit warten müssen, bis sie ins luftige Element entlassen werden.

Die Blasen steigen übrigens in präziser Vertikalität auf. Das kann man immer dann besonders gut sehen, wenn sich unter der Eisschicht ein Blasenmuster abzeichnet, das die Umrisse des gasausscheidenden Objekts erkennen lässt. Manchmal werden sogar Fahrräder unter die Eisschicht gemalt.

Rätselfoto des Monats Februar 2021

Wie kommt es zu der Stabilität der Eisbrücken?

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Erklärung des Rätselfotos der Monats Januar 2021

Frage: Wie kommt es zu Form und Farbe des Sonnenreflexes?

Antwort: Dieses Foto wurde in etwa 10 km Höhe aus einem Flugzeugfenster gemacht.

Nach längerem Flug über einer dichten Wolkendecke bricht diese schließlich auf und gibt den Blick auf das Nordpolarmeer mit seinen teils schneebedeckten Eisschollen frei (Foto). Das Sonnenlicht wird in einem eindrucksvollen rot bis gelbfarbigen Schwert der Sonne vom dunkelblauen Meerwasser reflektiert. Davon ausgenommen sind die schneebedeckten Eisschollen, weil das Licht von ihnen nicht spiegelnd, sondern diffus reflektiert wird, was sich in einer richtungsunabhängigen Aufhellung bemerkbar macht.
An der eher runden Form der Lichtbahn kann man erkennen, dass die Sonne noch ziemlich hoch am Himmel ist. Es stellt sich daher die Frage, wieso hier bereits Dämmerungsfarben auftreten, die normalerweise nur zu sehen sind, wenn die Sonne tief steht und ein längliches vom Horizont ausgehendes Schwert hervorruft. Denn dann legt das Licht einen extrem langen Weg durch die dichte Luftschicht zurück und erleidet dabei entsprechend viele Streuvorgänge inklusive Mehrfachstreuungen. Die Ursache dafür ist in der ungewöhnlichen Beobachterposition zu sehen. Das reflektierte Sonnenlicht muss die dichte Luftschicht zweimal durchlaufen, bevor es in 10 km Höhe das Auge erreicht. Dabei treten ähnlich viele Streuvorgänge auf, wie wenn die Sonne am Horizont steht.


Eisbär

Eiskristallgestalten entstehen im Grenzbereich zwischen Gefrieren und Schmelzen. Hier blickt man bei einer Temperatur etwas unterhalb des Gefrierpunkts auf den kleinen Ausschnitt eines Seeufers. Das Wasser tendiert dazu, vom Rand her zu gefrieren. Durch die vom Wind verursachte Bewegung des Wassers wird es jedoch daran gehindert. Vom Ufer her baut sich einige Zentimeter über dem Wasser eine Eisbrücke auf, die mit hochspritzendem Wasser versorgt wird. Allerdings kommt es dabei auch immer wieder zum Abbau von Eis, sodass sich eine stationäre, zerklüftete Grenze ausbildet, deren konkrete Form weitgehend vom Zufall bestimmt wird und sich ständig ändert. Jedenfalls war die Pareidolie der tierischen Gestalt nach einer Stunde durch ein völlig anderes Muster ersetzt worden.

Metamorphose

Metamorphosis
When water turns ice does it remember
one time it was water?
When ice turns back into water does it
remember it was ice?*

 

 


* Carl Sandberg. The Complete Poems of Carl Sandburg. San Diego 1970, p. 734

Unscheinbare Blätter mit interessanter Wirkung

H. Joachim Schlichting. Physik in unserer Zeit 52/1 (2021), S. 43

Blätter von Bäumen können als Isolatoren und Absorber von Wärme fungieren und dank dieser Eigenschaft im Winter zu auffälligen und physikalisch interessanten Erscheinungen führen.

 Eigentlich gehören die im Herbst abgeworfenen Blätter nicht in den Winter. Sie werden auch kaum wahrgenommen. Es sei denn, sie stellen sich für eine auffällige physikalische Demonstration zur Verfügung.
Im vorliegenden Fall hat es zum ersten Mal geschneit. Weiterlesen

Pfützeneis – wie gemalt

Pfützen haben einen schlechten Ruf, weil sie meist mit Schmutz und Nässe in Zusammenhang gebracht werden. Dabei lässt man sie meist links liegen und verpasst zahllose Momente, in denen man entzückt wäre von der naturschönen Seite dieser zufällig entstandenen und auch nur begrenzte Zeit existierenden Miniteiche.
Vor allem wenn sie zufrieren, überziehen sie sich nicht einfach mit einer glatten Schicht à la Fensterscheibe. Vielmehr probieren sie in Abhängigkeit von den physi(kali)schen Umweltbedingungen und in Übereinstimmung mit den Naturgesetzen, die unterschiedlichsten Muster aus. Dabei spielen zufällige Einflüsse wie lokale Schwankungen der Temperatur, Geschwindigkeit mit der das Wasser versickert, Verschmutzungsgrad etc. eine nicht zu unterschätzende Rolle. Weiterlesen

Eisblätter

Ein Stillleben aus zwei verschiedenen ins Eis geprägten Blättern, einem pflanzlichen und einem kristallinen. Während das pflanzliche Blatt als Wärmeabsorber sich bei Sonnenschein etwas in die Eisschicht eingeschmolzen hat und dann festgefroren ist, verdankt sich die dendritische Blattstruktur einem komplexeren Geschehen. Das Wasser des hier gefrorenen Teichs enthält gelöste pflanzliche Substanzen, die durch verrottende Biomaterie ins Wasser gelangt ist. Einige Bestandteile sammeln sich an der Oberfläche und werden beim Gefrieren als grau und manchmal farbig erscheinende Schicht bemerkbar. Wenn beim finalen Zufrieren der Eisdecke durch eine Schwachstelle reines Wasser auf die Oberfläche gelangt und sich ausbreitet wird die ölhaltige Substanz wegen ihrer größeren Viskosität dendritisch verdrängt, was sich in dem dunklen Muster widerspiegelt.

Eisige Kreise

Diese nur wenige Millimeter dicke, nach außen hin glatte Eisschicht bedeckt eine Wasserpfütze. Weil das Wasser teilweise im Boden versickert ist, hat sich ein Hohlraum zwischen Wasseroberfläche und der Unterseite der Eisschicht gebildet. Infolge der Sonneneinstrahlung am Tage kondensiert Wasser an der Unterseite der Eisschicht und läuft zu größeren Tropfen zusammen. Bevor sie herabfallen, gefrieren sie in der Nacht zu Eisnoppen, die hier die Größe einer 2-Euro-Münze angenommen haben. Die übrige Fläche der Unterseite wird durch die Bildung einer dünnen Reifschicht bedeckt, an der das Licht gestreut und infolgedessen der Durchblick getrübt wird.

Eismuster auf der Regentonne

In die Röhre zu gucken ist ja eigentlich negativ konnotiert. Schon vor einigen Tagen konnte ich ein Gegenbeispiel bringen. Diesmal haben wir eine Röhre in Form einer Regentonne. Sie ist immer wieder für Überraschungen gut – auch im Winter. Wenn es gefroren hat, schaue ich als erstes in die grüne Tonne. Vor einigen Tagen war sie wieder von einem sehr schönen Eismuster bedeckt – so schön, dass ich nicht wagte Wasser für die Blumen zu entnehmen. Am Vorabend hatte ich die Tonne noch einmal inspiziert und da ahnte ich bereits, dass es am Morgen etwas Schönes zu sehen geben würde. Vom Rand her trieben bereits einzelne lange Eiskristalle über die Wasseroberfläche, so als würden Claims für verschiedene Muster abgesteckt. Ein Ausschnitt der nächtlichen Frostaktivitäten ist im Foto zu sehen.

Eis ist mehr als gefrorenes Wasser

Gefrierendes Wasser und schmelzendes Eis präsentieren sich unter natürlichen Bedingungen in einem überbordenden Gestaltreichtum, der durch die physikalische Beschreibung als Phasenübergänge von flüssig nach fest und fest nach flüssig nur unzureichend erfasst wird. Den jeweiligen äußeren Umständen entsprechend laufen der Kristallisations- und Schmelzprozess meist in Wechselwirkung mit anderen physikalischen Vorgängen ab, die zu sehr komplexen und nicht selten ästhetisch ansprechenden Kompositionen aus Eiskristallen im jeweiligen Kontext der natürlichen Umgebung führen können. Zwischen streng geometrisch aufgebauten hexagonalen Kristallstrukturen und organisch wirkenden floralen Mustern entfalten sich zahlreiche Mischformen, deren Zustandekommen – wenn überhaupt – nur durch detektivische Kleinarbeit physikalisch zu entziffern ist.
In einigen der ausgewählten Fotografien drängen sich Korrespondenzen zwischen Eismustern und organischen Strukturen auf. Es entfaltet sich so etwas wie ein anspielungsreicher, stummer Dialog zwischen zwei Sphären, die wir als völlig verschieden wahrzunehmen gelernt haben. So scheinen sich die Eisblumen am Fenster in ihrem Gestaltreichtum an floralen Mustern zu orientieren und es sieht so aus, als ob die Raureifnadeln am Tannenzweig lediglich die realen Tannennadeln imitierten.
Ich werde über die Wintermonate immer mal wieder ein Foto auswählen das ein interessantes Szenario zwischen Gefrieren und Schmelzen aufzeigt oder einfach nur schön ist. Die unmittelbare Wirkung auf den Betrachter steht im Vordergrund.

 

 

Wenn Wasser zum Schmiermittel wird

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 12 (2020), S. 70 -71

Vermehrung der Kraft
durch weichenden Widerstand

Novalis (1772 – 1801)

Reichert sich eine dünne Wasserschicht mit dem Abrieb mikroskopisch feiner Eispartikel an, macht das die Flüssigkeit zähflüssig und glitschig. Weiterlesen

Von Seerosen und Eisblüten

Obwohl der meteorologische Winterbeginn erst für morgen angesagt ist und der astronomische ohnehin noch bis zum 20. Dezember auf sich warten lässt, hat es hier zum Auftakt des Winters zum ersten Mal gefroren. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats April 2020

CD-Rohling ins Gegenlicht gehalten. Wie kommen die Farbstreifen in den Schatten?


Erklärung des Rätselfotos des Monats März 2020

 Frage: Wie kommt es zu den etwa metergroßen Dendriten auf dem zugefrorenen See?

Antwort: Bei dem auf den ersten Blick rätselhaft erscheinenden Foto handelt es sich um eine Aufnahme aus einer Höhe von 50 bis 90 m, aufgenommen von Wolfgang Knappmann mit Hilfe einer Drohne. Die Größenordnung der Strukturen dürfte grob geschätzt im Meterbereich liegen. Wohl jeder, der sich ein wenig auf das Foto einlässt, wird erkennen, dass es sich um eine Eisschicht handelt, in diesem Fall die eines zugefrorenen Sees. Gespickt ist die Aufnahme mit einigen dendritischen Strukturen, die weniger bekannt sein dürften und daher rätselhaft erscheinen.
Diese Dendriten sind sogenannte Fraktale, die in der Regel dadurch entstehen, dass sich ein dünnflüssiges Fluid (geringe Viskosität) in einem dickflüssigen (größere Viskosität) ausbreitet. Wie an anderer Stelle ausgeführt, kann man solche fraktalen Strukturen selbst herstellen, wenn man beispielsweise (gefärbtes) Wasser zwischen zwei Plexiglasscheiben presst.

Im vorliegenden Fall stelle ich mir folgendes Szenario der Entstehung vor:
Nachdem der See zugefroren und mit einer noch dünnen Eisschicht bedeckt wurde, schneit es und der auflastende Schnee drückt das Eis in das Wasser.

  • An dünneren Stellen im Eis entstehen Löcher, aus denen das Wasser herausquillt und sich nach allen Seiten auszubreiten versucht.
  • Da das Wasser wärmer ist als der Schnee gibt es Wärme an diesen ab und „schmilzt sich“ in die Schneefront hinein. Dadurch kommt es zur Abkühlung und Verlangsamung des Vorgangs. Für ein kreisförmiges und damit großflächiges Fortschreiten der Schmelzfront reicht das nachströmende Wasser jedenfalls nicht aus.
  • Stattdessen bricht das Wasser an einigen Stellen, an denen zufällig bereits eine winzige Einbuchtung besteht ein und bahnt schmale vom Ursprung radial nach außen gerichtete Kanäle in die Schneeschicht. Auf diese Weise dringt das nachströmende wärmere Wasser in dem bereits gebahnten Kanal bis an die vordere Front vor und „schmilzt“ sich langsam weiter voran.

Je länger die Kanäle werden, desto mehr Wärme geht im Kontakt mit dem Schnee an den Uferwänden verloren und der Vortrieb des Kanals wird langsamer. Durch den „Druck“ des nachströmenden Wassers an die Uferwände kommt es schließlich zu Durchbrüchen, die zu Seitenkanälen führen, die sich gegebenenfalls weiter verzweigen usw.

Dieser Versuch einer Erklärung stützt sich allein auf das Foto und die typischen Mechanismen, die zu dendritischen Fraktalen führen und könnte daher mit einigen Unsicherheiten in den Schlussfolgerungen verbunden sein.


Erklärung der Rätselfotos des Monats Februar 2010

Die letzten Kunstwerke des Winters

Auch wenn der Winter in diesem Jahr ausgefallen ist, scheint er sich bei uns in den letzten Nächten mit schönen Eismustern zu verabschieden. Ich beobachte seit etwa einer Woche, wie sich die Wasserpfützen – Überbleibsel der vorangegangenen wasserreichen Wochen – allmählich zurückziehen indem das Wasser versickert. Die frostigen Nächte der letzten Tage geben ihnen Gelegenheit, dies mit einer letzten Grazie zu tun. Allerdings muss man schon früh aufstehen, bevor die Sonne die Eismuster bedenkenlos liquidiert (sic!). Eines dieser Muster ist in diesem Foto zu sehen (zum Vergrößern auf das Bild klicken). Obwohl es am Vortage noch ganz anders aussah, hat sich das fast zur Neige gehende Wasser noch zu einigen Resteismustern aufgeschwungen. Weiterlesen

Ein Eispalast zum Schutze der Pflanzen

Vor allem in Obst- und Weinanbaugebieten kann man in diesen Tagen, bzw. den frostigen Nächten Sprinkleranlagen in Betrieb sehen, die oft zu den lange vermissten Winterlandschaften mit ihren Kristallgärten führen. Dies ist natürlich nur ein ästhetischer Nebeneffekt des durch den künstlichen Regen beabsichtigen Schutzes der bereits Blätter und Blüten bildenden Pflanzen vor Erfrierungen. Auf den ersten Blick erscheint es paradox, dass die kristalline Verzauberung der Pflanzen durch die Beschichtung mit Eis eine Erwärmung der Pflanzen bewirken kann. Weiterlesen

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