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Frost

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Nach dem ungekämmten Haareis kommt nun das Kammeis

Vor einiger Zeit hatte ich das Glück, erstmalig das sogenannte Haareis in freier Natur zu entdecken. Und wie das Schicksal es will, entdeckte ich es einige Zeit später noch einmal. Die Jahrzehnte vorher muss ich wohl blind gewesen sein für diese subtile und feine Hervorbringung der Natur. Vor ein paar Tagen entdeckte ich nur gewissermaßen die Ergänzung zum Haareis, das sogenannte Kammeis. Allerdings hatte ich das auch schon früher beobachtet, daraus aber nicht den Schluss gezogen, dass es auch Haareis geben müsse ;). Diesmal zeigte sich mir das Kammeis in vielgliedrigen Zapfen, die gewissermaßen aus dem Boden hervorquollen, obwohl sie aus Eis bestehen (siehe Foto).
Dieser „Boden“ befindet sich auf einem wenig bewachsenen Hang eines Bergs. Er besteht aus Sand und verwitternden Steinen des felsigen Untergrunds und war nur an der Oberfläche gefroren.
Die Nadeln entstehen anschaulich gesprochen dadurch, dass in den Poren des Bodens gespeichertes Wasser gefrierend sich ausdehnt. Dabei bewegen sich die Spitzen der gefrorenen Wasserfäden nach außen und ziehen aufgrund ihres inneren Zusammenhalts (Kohäsion) weiteres Wasser aus dem Innern nach, das dann in den kälten Bereich gerät und ebenfalls gefriert usw.. Auf diese Weise können beachtliche Eisnadellängen erreicht werden. Das im Foto zu sehende Kammeis ist maximal etwa 7 cm lang. Obwohl Kammeis bis zu 30 cm lang werden kann, habe ich in unseren Breiten nie Zähne gesehen, die länger als 10 cm waren. Manchmal werden mit den wachsenden Zähnen an der Oberfläche zusammengefrorene Bodenbestandteile aus ihrer „Verankerung“ herausgerissen und einfach mit angehoben.
Obwohl die einzelnen Nadeln zunächst unabhängig voneinander aufstreben, bleiben sie oft mehr oder weniger fest miteinander verbunden. Diese innere Verbundenheit macht sich auch darin bemerkbar, dass sich die Bündel aufstrebender Nadeln krümmen, wenn einige Nadeln schneller wachsen als andere. Dann neigt sich das Bündel zur Seite der langsamer wachsenden Nadeln. Im Foto sieht man sogar hauptsächlich gekrümmte Exemplare von Kammeisbündeln, sodass die Ähnlichkeit mit den Zähnen eines Kamms nicht gerade überwältigend ist. Solche Krümmungen aufgrund unterschiedlich starker Ausdehnungen kennt man auch aus anderen Zusammenhängen.
Wesenlich für das Auftreten von Kammeis ist die Eigenschaft des Wassers sich im Unterschied zu den meisten anderen Stoffen beim Erstarren auszudehnen. Das ist der sogenannten Anomalie des Wassers zu verdanken. Eine weitreichende Konsequenz dieser Anomalie für das Leben auf der Erde ist die allerdings sehr vertraute Tatsache, dass Gewässer von oben her zufrieren.

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.

Das zweitletzte grüne Blatt des Korkenzieherhasels

Obwohl der Korkenzieherhasel wie es sich gehört seinen Blättern das Chlorophyll entzogen und als braun verschrumpeltes Herbstlaub abgeworfen hat, sind ihm zwei strahlend grüne Blätter geblieben. Warum diese beiden Blätter sich solange gehalten haben, konnte ich nicht in Erfahrung bringen. Vielleicht wollten sie nur die Regel bestätigen, dass es immer auch eine Ausnahme von der Regel gibt. Wie dem auch sei, nach der letzten sehr frostigen Nacht bieten sie nunmehr ein sehr trauriges Bild, jedenfalls gemessen am „Überlebenswillen“ den sie bislang bewiesen haben.
Die leuchtenden Eiskristalle und das vom durchscheinenden Licht der frühen Sonne entflammte Grün verleiht ihnen jedoch eine letzte Grazie, bevor auch sie für die nächste Blattgeneration Platz machen..

Rätselfoto des Monats Dezember 2021

Wie kommt es zu dieser geraden Begrenzung der Reifschicht?


Erklärung des Rätselfotos des Monats November 2021

Frage: Warum krümmt sich der Strahl?

Antwort: Das ist eine alte Frage und hat zu zahlreichen Erklärungen geführt. Neueren Untersuchungen zufolge spielt die Benetzbarkeit (Hydrophilie) des Tüllenmaterials, die bei üblichen Teekannen verhältnismäßig groß ist, die entscheidende Rolle bei der Krümmung der Flüssigkeitsströmung. Die Stärke der Benetzbarkeit kann durch den sich zwischen Tülle und Flüssigkeit einstellenden sogenannten Kontaktwinkel charakterisiert werden. Ein kleiner Kontaktwinkel weist auf eine starke Anziehung (Adhäsionskraft) hin. Wenn die Flüssigkeit über die nach unten gekrümmte Tülle strömt, tendiert sie einerseits aufgrund der Trägheitskraft dazu, ihre Richtung beizubehalten. Andererseits wird sie aufgrund der Adhäsionskraft von der Tülle „festgehalten“ und folgt ihrer Krümmung. Da die Trägheitskraft mit der Strömungsgeschwindigkeit zunimmt, überwiegen die Adhäsionskraft und damit die Krümmung umso mehr, je langsamer die Flüssigkeit strömt. Beim vorsichtigen Einschenken des Tees wird dieser also auch gegen die Schwerkraft zur Kanne hin gekrümmt. Erreicht der Strom dabei den ebenfalls hydrophilen Kannenhals, wird der Strahl durch diesen angezogen und bildet den im Foto zu sehenden gekrümmten Strahl aus.
Die beste Möglichkeit zur Vermeidung des Teekanneneffekts besteht demnach darin, die Teekannentülle aus Material mit einer geringen Benetzbarkeit (hydrophob) zu fertigen, was durch entsprechende Beschichtungen erreicht werden könnte.

Erst Tau dann Frost

Manchmal sieht man nach einer kalten Nacht neben den gewohnten Eiskristallen auch schön gerundete Eiskugeln. Das sieht schön aus und es lohnt sich in dieser Zeit darauf zu achten. Wie kommt es dazu?

Wenn sich die Erde nachts bei klarem Himmel abkühlt, sinkt die maximale Wasserdampfkonzentration. Wird dabei der Wert der absoluten, also der tatsächlich vorhandenen Wasserdampfkonzentration unterschritten, muss der überschüssige Wasserdampf kondensieren. Man sagt auch, der Taupunkt werde unterschritten. Das ist die Temperatur, bei der absolute und maximale Wasserdampfkonzentration gleich sind. Meist führt das dazu, dass besonders an den kleinen Teilen von Blättern Tautropfen entstehen. Wenn in der kalten Jahreszeit auch noch der Gefrierpunkt unterschritten wird, geht der Wasserdampf direkt in Eiskristalle über (Resublimation), die sich besonders an den winzigen Blattspitzen zeigen.
In manchen Nächten, in denen zunächst Tautropfen entstehen und die Temperatur anschließend noch unter den Gefrierpunkt sinkt, entstehen fortan Eiskristalle durch Resublimation. Aber gleichzeitig gefrieren die bereits abgesonderten Tautropfen und es entstehen kleine Eiskugeln. Dann kann man wie im obigen Foto beides beobachten, gefrorene Tropfen und Eiskristalle.
Die Eiskügelchen sitzen relativ fest auf dem Blatt. Man muss sie förmlich losreißen, meist von den Blatthärchen, an denen sie festgefroren und somit verankert sind.

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

Stehende Eiszapfen

Der Winter treibt merkwürdige Blüten, wenn er denn überhaupt bereit ist uns zu beehren. Früher (ja, ich weiß: Früher war alles besser.) konnte ich diese Blüten in frostigen Nächten häufiger züchten. Inzwischen wird es seltener. Umso mehr freue ich mich von außerhalb Beispiele dafür zu erhalten, dass der Winter es noch kann – mehr oder weniger aufrecht stehende Zapfen wachsen zu lassen. Weiterlesen

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.

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

Ein gefrorener Teich mit blauen Augen

H. Joachim Schlichting. Physik in unserer Zeit 50/6 (2019), S. 305

Ein harmloser Blick in einen zugefrorenen Teich bei Sonnenlicht wirft einige physikalische Fragen auf, die sich erst mit Hilfe von leicht zu übersehenden Indizien beantworten lassen.

Indem uns der Winter den festen Aggregatzustand des Wassers in unterschiedlichen Formen präsentiert, bietet er oft ungewohnte physikalische Situationen. Im oberen Foto sind gleich mehrere bemerkenswerte Phänomene zu beobachten. Man blickt durch die transparente Eisschicht auf den vom Sonnenlicht erhellten Grund eines Teiches. Dicht unter der Oberfläche zeigen sich einige Blasen, von denen die größte einen Durchmesser von etwa 3 cm hat. Weiterlesen

Frostige Parallelen

Da die frostigen Tage nun schon kaum mehr erinnerlich sind – jedenfalls in unseren Breiten – kommt man vielleicht nicht sofort darauf, dass es sich auf dem Foto um einen Ausschnitt aus einer zugefrorenen Fensterscheibe handelt. Zwar haben wir hier nicht die typischen Eisblumen, die ganz besondere Entstehungsbedingungen benötigen, sondern ganz andersartige – ich würde sagen – geometrische Figuren. Ich vermute, dass mangelnde Feuchtigkeit und nicht besonders tiefe Temperaturen zu dieser Sparausgabe der Eisblumen führen. Weiterlesen

Kalte Pfützenkunst

Zuerst lag ein etwa 15 cm langer Kieselstein in einer Wasserpfütze. Bevor das Wasser versickerte, fror die Pfütze zu  und der Stein verschwand unter einer Eisschicht. Man konnte ihn aber weiterhin durch das transparente Eis hindurch sehen. Unter dem Eis versickerte das Wasser und der Stein wurde allmählich trocken gelegt. Dann kamen die sonnigen Tage. Der Stein absorbierte die Sonnenernergie, erwärmte sich und gab die Energie u.A. als Wärmestrahlung wieder ab. Dadurch schmolz ein Loch in die unmittelbar darüber befindliche Eisschicht.
Als die Sonne untergegangen war und die kalte Luft wieder die Oberhand gewann, bildeten sich auf dem noch feuchten Rand des Lochs große Eiskristalle, die von außen nach innen wuchsen, so als wollten sie das Loch wieder schließen. Weiterlesen

Geometrie, Ästhetik und Poesie

eiskristalle2_img_1209a_rv… es waren Myriaden im Erstarren zu ebenmäßiger Vielfalt kristallisch zusammengeschossener Wasserteilchen (. . . ) und unter den Myriaden von Zaubersternchen war nicht eines dem anderen gleich; eine endlose Erfindungslust in der Abwandlung und allerfeinsten Ausgestaltung eines und immer desselben Grundschemas, des gleichseitig-gleichwinkligen Sechsecks herrschte da, aber in sich selbst war jedes der kalten Erzeugnisse von unbedingtem Ebenmaß und eisiger Regelmäßigkeit.

Thomas Mann (1875 – 1955), aus: Der Zauberberg

Asphaltherz

asphaltherzUm die Vollkommenheit zu erreichen,
wäre eine außermenschliche Kühle notwendig,
und dann gäbe es kein Menschenherz,
mit welchem man die eigene Vollkommenheit lieben könnte.

Fernando Pessoa (1888 – 1935)

Dieses Asphaltherz zeugt nicht gerade von der Vollkommenheit menschlicher Straßenbaukunst. Kleine Risse haben Wasser in den Straßenbelag eindringen lassen, das im Winter gefror, sich ausdehnte und den Asphalt wegsprengte. Das so durch Zufall (?) entstandene Herz, selbst nicht vollkommen, hat mich immerhin dazu gebracht, es in einem Foto festzuhalten und einen Moment über das Herzliche in der Welt nachzudenken.

Gestrickte Eisblumen

Organische-FlechtstrukturenWenn ich von gestrickten Eisblumen spreche, möchte ich damit drei Gedanken zum Ausdruck bringen, die beim Betrachten der Eismuster auf den Fensterscheiben kommen können (siehe Foto) . Erstens ist klar, dass es sich um Eiskristalle, also tote Materie handelt. Zweitens drängt sich die Ähnlichkeit der Muster mit Pflanzen geradezu auf. Mit ihren langen, organisch geschwungenen, Ästen und Zweigen scheinen die Eisgirlanden an der Scheibe hochzuranken. Und drittens bleibt dem genauen Beobachter nicht verborgen, dass hier auch noch etwas Künstliches, wenn nicht gar Künstlerisches im Spiel ist: Die Äste haben etwas Zopfartiges an sich und erinnern an geflochtene oder gestrickte Muster. Weiterlesen

Pflanzen im Glaskäfig

Da der Winter bis vor Eingefrorenes_Blattwenigen Tagen zumindest in unserer Gegend ausgeblieben ist, haben sich einige Pflanzen schon ganz schön weit hervorgewagt und bereits damit begonnen, Blattknospen zu entfalten, wie hier an einem Hortensienzweig. Nun hat sie der Winter kalt erwischt. Der Eisregen, der zurzeit alles überkrustet, hat ein solches embryonales Blatt eingehüllt, sodass es nunmehr wie in transparentem Kunstharz konserviert erscheint. Es sieht schön und völlig unversehrt aus (siehe auch: Unterkühlte Schönheiten). Fraglich ist nur, ob dem Blatt diese kalte Umhüllung gut bekommen wird. Weiterlesen

Ein großer Teich war zugefroren

Teich_zugefrorenEin großer Teich war zugefroren;
Die Fröschlein, in der Tiefe verloren,
Durften nicht ferner quaken noch springen,
Versprachen sich aber, im halben Traum:
Fänden sie nur da oben Raum,
Wie Nachtigallen wollten sie singen.
Der Tauwind kam, das Eis zerschmolz,
Nun ruderten sie und landeten stolz
Und saßen am Ufer weit und breit
Und quakten wie vor alter Zeit.

Johann Wolfgang von Goethe

Unterkühlte Schönheiten

Eispflanze3bJe nachdem, ob man in der Stadt oder auf dem Land lebt, unterwegs ist oder vor dem Fenster sitzt, kann gefrierender Regen als extrem störend oder als schön empfunden werden. Letzteres ist insbesondere der Fall, wenn der Regen vorbei ist und die Welt wie ein funkelnder Glaspalast erscheint. In jedem Fall handelt es sich um ein eindrucksvolles Naturphänomen. Extrem unterkühltes Wasser gefriert an der Stelle, an der es auftrifft: auf dem Boden, auf Bäumen und anderen Pflanzen. Alles wird mit einer mehr oder weniger dicken transparenten Eisschicht überzogen. Diese Eisschicht kann im Extremfall zur Last werden, unter der Bäume zusammenbrechen und Strommasten einknicken: Weiterlesen

Eisblumen auf einer Treppenfliese

Eisblumen-auf-TreppenflieseIn der Nacht war es feuchtkalt und windig gewesen. Als ich am Morgen vor die Haustür gehen wollte, fand ich die mit rotbraunen Fliesen versehene Treppe mit wunderschönen Eisblumen verziert vor, wie man sie früher (in der thermopanefreien Vorzeit) nur als Winterschmuck an der Innenseite von Fenstern vorfand. Die nahezu symmetrische Struktur erinnert an eine eingefrorene Wirbelstraße mit zwei gegenläufig rotierenden Wirbeln. Ob der über die Fliesen hinwegstreifende eiskalte Wind hier auf diese Weise seine Spuren hinterlassen hat? Dafür spricht, dass durch die strömende Luft Kristallisationswärme aufgenommen und wegtransportiert, sowie Wasserdampf herangeführt wurde.

Stämme mit weißen Streifen

IMG_6649rv„In die Mitte der Stämme hat der Wind senkrecht weiße Streifen gemalt, angewehter Schnee, der nur auf einer Baumseite haftengeblieben ist. So sieht also der Winter aus: eine Verzierung? Eine Markierung? Eine Schrittfederung, eine Blendung, ein gnädiges In-Schweigen-Hüllen der Welt. Auf dem Weg, Eiswasserpfützen, Spuren von Mensch und Tier. Hunde drücken die vier mal fünf kleinen Polster ihrer Pfoten in das weiße Stempelkissen; ihr Urin brennt gelbe Löcher in die makellose Schneedecke. In den Baumkronen hängt zäher Nebel, als sei eine dicke Wolke nach langem Ringen plötzlich der Schwerkraft unterlegen und hier über diesem Wald, in die zum Himmel ausgestreckten, nackten, spitzen Äste wie in eine Nadelkissen abgestürzt. Da hängt sie nun und regt sich nicht, die Vögel sitzen am Boden und ziehen an übriggebliebenen Grashalmen, Stare fliegen auf, in einem Busch ist eine Blaumeise zugange; lauter unruhige, zarte, unauffällige Wunder.“

Weber, Anne; Besuch bei Zerberus; Suhrkamp Verlag, 2004; ISBN: 3-518-41606-5; S. 38

Des Raureifs Glanz im Sonnenlicht

Reif_IMG_5641rvSchlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 37/6 (2006) 295

Es ist erstaunlich, wie die Natur Ränder und Begrenzungen auf unterschiedliche Weise hervorzuheben vermag. Im Winter können wir wieder verfolgen, wie Raureif und Eisnadeln die Ränder von Blättern verzieren. Wie kommt es zu diesem Effekt?

PDF: Des Raureifs Glanz im Sonnenlicht

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