Gefrieren

Wie Waben in der Wüste wachsen

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaften (2023)

Aus Vor- und Rückwärts bildet sich der Kreislauf.
Franz Grillparzer

An der Oberfläche von ausgetrockneten Seen bilden sich polygonförmige Strukturen. Sie sind das Ergebnis von Konvektionsvorgängen, die von der Sonne angetrieben werden und Salz auf organisierte Weise ausfällen.

Wüsten sind als raue Schönheiten bei Touristen beliebt, gelten aber zu Unrecht als tote Landschaften. Tatsächlich sind sie ständig im Fluss, wenn auch manchmal auf subtile Art. In den weltweit vorkommenden Salzwüsten beispielsweise wachsen erstaunliche Wabenmuster am Boden. Deren Zustandekommen hat sich lange einer einheitlichen und konsistenten wissenschaftlichen Beschreibung entzogen.

Salzwüsten – ob im Death Valley in Kalifornien, im Chott el Djerid in Tunesien oder in der Salar de Uyuni in Bolivien – gehen aus austrocknenden Seen hervor, in denen mehr Wasser verdunstet, als der Regen nachliefert. Der Zufluss erfolgt meist durch Grundwasser, das aus Niederschlägen in den umgebenden Bergen gespeist wird.

Zu den ebenso beeindruckenden wie rätselhaften Merkmalen dieser trockengefallenen Seen gehören ästhetische polygonale Muster kristallisierten Salzes. Sie überziehen die Wüsten auf großen Flächen. Rein von der Struktur her erinnern sie zunächst vielleicht an überdimensionale Trockenrisse, die man von Pfützen oder lehmigen Flusssedimenten in der Sommerhitze kennt. In solchen Fällen richtet sich die Größe der auseinander klaffenden Bodenabschnitte nach der Dicke der Schlammschicht. Im Gegensatz dazu weisen die Vielecke aus Salzkristallen einen einheitlichen Durchmesser von ein bis zwei Metern auf, unabhängig von der Stärke der verkrusteten Schichten. Daran scheitern auch weitere Hypothesen zur Entstehung, etwa dass an die Oberfläche gelangendes Salz zu einer horizontalen Ausdehnung führen würde und damit zu einer Art Faltenbildung.

Als ich derlei Polygone zum ersten Mal vor Jahren in Tunesien gesehen habe, erinnerten sie mich an eine Art erstarrter Rayleigh-Bénard-Konvektionszellen. Solche Formen sieht man manchmal auf Milchkaffee, erwärmtem Fett in der Pfanne oder sogar Eisschichten (siehe »Verborgene Muster im Eis«, »Spektrum« Februar 2021, S. 64). Allerdings gab ich den Vergleich schnell wieder auf, weil die Gebilde aus Salz bestehen und in den meisten Fällen weit davon entfernt scheinen, flüssig zu sein.

Nun liegt genau diese Vorstellung einem Modell zu Grunde, das im Februar 2023 von einer internationalen Forschungsgruppe um Jana Lasser von der Universität Graz veröffentlicht wurde. Das Team erklärt die polygonartigen Strukturen durch eine Wechselwirkung von Salzwasser-Konvektionsbewegungen mit den kristallisierten Krusten. Die bisherigen Ansätze haben meist übersehen, dass es unterhalb des festen Wüstenbodens im Allgemeinen nicht trocken ist, sondern Kontakt zu stark salzhaltigem Grundwasser gibt. Dieses reicht oft bis knapp unter die Oberfläche. Die Hypothese wurde durch Computersimulationen untermauert: Die Resultate geben das natürliche Phänomen erstaunlich gut wieder und erlauben verifizierbare Vorhersagen.

Für eine Vorstellung von der Dynamik des Vorgangs hilft zunächst ein Blick auf die normale Rayleigh-Bénard-Konvektion, auch wenn sich die Ergebnisse nicht eins zu eins übertragen lassen. Dabei hat man es mit einer Flüssigkeitsschicht zu tun, die typischerweise von unten geheizt und dadurch instabil wird. Die erwärmte und damit leichter gewordene untere Lage drückt die darüberliegende nach oben. Das kann nicht im Stück über die gesamte Fläche gelingen, sondern geschieht an vielen Stellen, indem sich ein Austausch zwischen kalten und warmen Partien einstellt. Das führt zu einem stationären Muster von charakteristischen Konvektionszellen. In deren Zentren erreicht die nach oben strömende warme Flüssigkeit die Oberfläche und breitet sich radial nach den Seiten aus, während ihre Temperatur abnimmt. Dort trifft sie auf die entsprechenden Strömungen der Nachbargebiete, und alle sinken gemeinsam – durch die Abkühlung dichter geworden – wieder nach unten. Dort erwärmen sie sich und durchlaufen eine neue Runde.

Wenn man dieses überschaubare Geschehen vor Augen hat, ist es einfacher, die Vorgänge unter- und oberhalb der Wüstenebene anschaulich zu erfassen. In dem porösen Bodenmaterial steigt Salzwasser auf, nachdem es seine Dichte durch Kontakt mit dem Grundwasser verringert hat. Das passiert jeweils in der Mitte jedes Polygons. Oben angekommen breitet sich die Flüssigkeit radial nach allen Seiten aus. Dabei wird sie von der Sonne aufgeheizt, und ein Teil des Wassers verdunstet. Dadurch steigen dessen Salzgehalt und Dichte. Das hat einen doppelten Effekt. Einerseits wird Salz ausgefällt, das in der zunehmend konzentrierten Sole nicht mehr löslich ist. Andererseits nimmt die Dichte zu, woraufhin die übrige Lake am Übergang zu den Nachbarzellen absinkt. Entlang der Ränder der einzelnen Polygone wachsen dann Kristalle in die Höhe.

Im Prinzip ist diese Konvektionsdynamik rotationssymmetrisch. Es würden sich also kreisförmige Zellen ergeben. Wenn allerdings solche runden Gebilde gegeneinander wirken und eine gemeinsame Grenze bilden, kommt es im Idealfall zu Sechsecken. Das kennt man von Bienenwaben. Bei den Wüsten läuft es nicht ganz so perfekt ab. Hier stören unterschiedliche Bodenbeschaffenheiten an vielen Stellen den freien Fluss. Deswegen sind zwar die Zellen mit sechs Ecken in der Überzahl, aber meistens sind die Seiten nicht gleich lang. Dennoch ist die Musterung wunderschön. Sie beeindruckt umso mehr, wenn man sich bewusst macht, dass man gerade eine Momentaufnahme eines hochkomplexen dynamischen Geschehens vor Augen hat.

Quelle

Lasser J. et al.: Salt polygons and porous media convection, Physical Review X 13, 2023

Ein Loch in den Wolken – hole-punch-cloud

Manchmal entstehen Löcher in der Wolkendecke, die den Durchblick auf den darüber liegenden Himmel erlauben, der oft wiederum bewölkt ist. Diese Löcher mögen verschiedene Ursachen haben. Aber wenn sie plötzlich auftreten, kann es sich wie im vorliegenden Fall um eine Hole-punch-Wolke handeln. Dieses Phänomen soll angeblich selten auftreten. Ich habe offenbar das Glück es schon mehrere Male erlebt zu haben. Wer sich für ihre komplizierte Entstehungsgeschichte interessiert kann sich in einem früheren Beitrag informieren. Fotos von unterschiedlichen Formen findet man hier.

Nach den Eiskristallen kamen die Salzkristalle

Nachdem der Winter nunmehr schrittweise auf dem Rückzug ist, drängen sich immer mal wieder Hinterlassenschaften der kalten Jahreszeit in den Blick. Manchmal zeigen diese sich von der schönsten Seite, wie beispielsweise im obigen Foto. Es handelt sich um eine Fliese, die während der Vereisung vor einiger Zeit mit Salz bestreut wurde, um die Eisschicht zum Schmelzen zu bringen und damit die Rutschgefahr zu beseitigen.
Durch Salz wird der Schmelzpunkt von Wassereis herabgesetzt. Es gefriert bei einer niedrigeren Temperatur als reines Wasser. Es bleibt also auch bei Temperaturen flüssig, die allerdings nicht zu weit unter dem normalen Gefrierpunkt von 0 °C liegen dürfen.  Diese Bedingung ist in unseren Breiten den meisten Fällen erfüllt.
Auch eine bereits vorhandene Eisschicht kann oft mit Salz aufgetaut werden, weil sie stets mit einer dünnen Wasserschicht bedeckt ist, die sich mit dem Salz verbindet und zu immer tieferen Schichten vordringt.
Nachdem es wieder wärmer geworden, das Wasser verdunstet ist, bleibt das gelöste Salz zurück und verfestigt sich wieder. Dabei bilden sich der Gitterstruktur des Salzes (Natriumchlorid) entsprechend Salzkristalle, die teilweise ästhetisch ansprechende Muster bilden wie hier auf der früher vereisten und mit Salz behandelten Fliese.
Ich weiß, man sollte beim Enteisen mit Salz sparsam umgehen. Das tue ich normalerweise auch, aber in diesem Fall handelte es sich um eine lokal beschränkte Maßnahme, bei der alles Salz wieder zurückgewonnen wurde. Bevor ich die Fliesen säuberte, erlaubte ich mir jedoch das obige – wie ich meine naturschöne – Foto zu machen.

Wintermalerei

Fenster unseres Wintergartens. Die Blume war an der Scheibe festgefroren und hinterließ dieses schöne Gemälde.

Kalt erwischt

Zunächst waren es Tautropfen. Der Temperaturabfall in der Nacht vor allem an kleinen Einheiten wie den Grasblättern ließ die Luftfeuchte über 100% ansteigen und den überschüssigen Wasserdampf in Form von wachsenden Wassertropfen kondensieren. Doch die weiter sinkende Temperatur unterschritt schließlich den Gefrierpunkt: Die Tropfen erstarrten und tauschten ihre spiegelnde Brillanz gegen eine eisige Härte ein. Nahm man sie in die Hand, so flossen sie dahin wie nichts…

Gefrorene Federn

Was hier so federleicht und bunt daherkommt, sind nicht die Federn eines bunten Eisvogels. Vielmehr blickt man auf Eiskristalle, die sich in einer dünnen Schicht ziemlich schnell ausbreiten. Normalerweise ist Eis unbunt zwischen transparent und weiß changierend. In diesem Fall liegt die Eisschicht zwischen zwei Polarisationsfolien. Die vor der Eisschicht platzierte Folie polarisiert das einfallende Licht und die hinter der Eisschicht befindliche Folie analysiert das beim Durchgang durch die Eiskristalle modifizierte Licht. Diese Modifikation (siehe unten) macht sich durch bunte Farben bemerkbar, die gewisse Auskünfte über die innere Struktur der Eiskristalle geben.

Wer es physikalisch etwas genauer wissen will, dem sei gesagt, dass Eis die optische Besonderheit hat, doppelbrechend zu sein: Das durch die Eisscholle hindurchgehende polarisierte Licht wird in zwei leicht unterschiedliche Richtungen gebrochen, so dass es in zwei Teilstrahlen zerfällt. Diese unterscheiden sich in ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit. Infolgedessen entsteht zwischen beiden Teilstrahlen eine unter anderem von der Wellenlänge abhängige Phasendifferenz. Sie macht sich in einer entsprechenden Drehung der Polarisationsebene bemerkbar, wenn sich die Teilstrahlen des Lichts beim Austritt aus dem Eis überlagern. Tritt dieses Licht dann durch ein Polarisationsfilter oder wird es in einem bestimmten Winkel reflektiert, so werden den unterschiedlichen Drehungen der Polarisationsebene entsprechend die verschiedenen Wellenlängen nur mehr oder weniger gut durchgelassen. Die auf diese Weise veränderten Intensitäten der einzelnen Wellenlängen des ehemals weißen Lichts äußern sich in verschiedenen Farben.

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.

Metamorphose en miniature

Die Bäume trieften nur so vom letzten Regen. Doch das Geräusch der fallenden Tropfen, die sich aus den letzten feinen Wasserströmen speisten, ließ allmählich nach. Einige Tropfen blieben schließlich noch hängen. In der Nacht kühlte es sich auf etwas unter den Gefrierpunkt ab. Jedenfalls empfing mich der nächste Morgen mit reifüberzuckerten Pflanzen.
Erstaunlicherweise hingen einige Tropfen immer noch an den Zweigen. Aber sie waren gefroren, wie man an den Luftkanälen feststellen konnte, die die Tropfen durchzogen. Es sollte ein sonniger Tag werden und das geschah dann erstaunlicherweise auch. Ich behielt einige „Eistropfen“ im Auge. Weil sie am Ast festgefroren waren, fielen sie nicht herab. Vorerst. Denn die Sonne trat ihren nun schon etwas größer gewordenen Bogen mit ganzer Strahlkraft an. Das blieb nicht ohne Wirkung auf die „Eistropfen“. Es tat sich was.
Ich sah es zuerst daran, dass die inneren Luftkanäle schwanden. Die Luft löste sich in dem Maße im Wasser, wie es aus dem Eis hervorging. Schaut man genauer hin, so sieht man auf dem Foto, dass der Tropfen im oberen Bereich noch gefroren ist und Reste der Luftkanäle aufweist, während sich im unteren Bereich ein transparentes Säckchen mit flüssigem Wasser füllt und eine Trennlinie zwischen fest und flüssig sich allmählich nach oben bewegt.
Alles ging Hand in Hand bis der ursprüngliche Zustand vom Vortag wieder hergestellt war.
Eine meist übersehene völlig unwichtige Kleinigkeit. Sicher. Aber auch eine schöne Geschichte, die sich an den Bäumen vieltausendmal abspielt, ohne dass jemand Notiz davon nimmt. Ich mag diese Miniveranstaltungen im Verborgenen!

Rätselfoto des Monats Januar 2022

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.

Haareis – eine seltene Spezies gefrorenen Wassers

Wer sich nach einer feuchten Wetterperiode bei Temperaturen etwas unterhalb des Gefrierpunts vom Wege durch ein weitgehend naturbelassenes Waldstück abweicht, hat eine Chance, Haareis zu finden. Dass die Chance nicht allzu groß ist, sollte ich selbst erleben, der ich nun schon seit Jahren durch ein geeignetes Waldstück spaziere, von dem ich meine, dass in ihm bei den passenden meteorologischen Bedingungen Haareis zu finden sei. Inzwischen hatte ich mich so an meinen Wald gewöhnt, dass ich dort auch zu anderen Jahreszeiten meines Weges ging und andere spannende Phänomene vorfand, die teilweise auch Eingang in diesen Blog gefunden haben.
Daher verdanke ich die vor wenigen Tagen gemachten Entdeckungen auch eher dem Zufall als einer zielgerichteten, systematischen Suche. Diesmal kurz nach der Wintersonnenwende war die Sonne bereits hinter dem südlichen Berghang des Hüggeld (230 m) verschwunden, sodass mein Weg im Schatten lag. Um noch etwas von der Sonne zu erwischen beeilte ich mich daher aus dieser Gegend wegzukommen. Plötzlich schienen auf dem im Schatten liegenden Waldboden gleich mehrere Stellen wie aus sich heraus aufleuchten, was meine Neugier erweckte. Zunächst dachte ich an achtlos weggeworfene Tempotaschentücher, die durch ihre optischen Aufheller manchmal eine erstaunliche Leuchtkraft entwickeln. Merkwürdigerweise kam es mir überhaupt nicht in den Sinn, dass es sich um das Objekt meiner Wünsche handeln könnte, das einmal den Anlass gab, hier zu spazieren. Erst als ich die feinen Haarbüschel vor Augen hatte, die aus den am Boden liegenden, morschen Ästen herauswuchsen, fiel der Groschen. Soweit zur Vorgeschichte, die mir schön öfter in dieser Weise passiert ist, und nun etwas zur Physik.
Die feinen Eishaare, die hier büschelartig aus den feuchten, morschen am Boden liegenden Holzstücken (Reste von Buchenästen, aber auch einige andere Bäume sind geeignet) wucherten, hatten offenbar ideale Wachstumsbedingungen vorgefunden: durchnässtes morsches Holz bei Temperaturen leicht unter dem Gefrierpunkt. Wie kommt es zu diesem Phänomen?

Wissenschaftlich nachgewiesen ist, dass Haareis durch ein im Holz lebendes Pilzmyzel verursacht wird. Diese These ist schon sehr alt und geht auf Alfred Wegener (1880 – 1930) zurück, dessen Name vor allem mit der Kontinentalverschiebungstheorie verbunden ist. Ausgehend von Wegners Ergebnissen und der Fachliteratur über Haareis und ähnliche Phänomene haben neuere Untersuchungen experimentell und theoretisch die Pilzthese erhärtet. Dazu haben die Forscher zum einen zeigen können, dass auf Holzstücken, die natürlicherweise von Haareis befallen waren, dieses in geeigneten Frostnächten erneut sprießte, wenn man vorher die alten Haare beseitigt hatte. Sobald man allerdings dem vermuten Pilzmyzel mit Hitze (Kochen), Alkohol oder einem Fungizid zu Leibe rückte, blieb der anschließende Haareisbefall ganz oder zumindest teilweise aus.
Nach Auswertung und Analyse wissenschaftlichen Beobachtungen und Experimente, ergibt sich folgende Erklärung für das Zustandekommen von Haareis:
– Urheber des zur Haareisbildung führenden Prozesses ist ein im Holzkörper, vor allem in den Holzstrahlen  lebendes Myzel eines winteraktiven Pilzes. Es konnten mehrere Arten von auf Laubholz spezialisierten Asko- und Basidiomyzeten identifiziert werden.
– Der Pilz baut die in den Holzstrahlen vorhandenen organischen Nährstoffe (Kohlenhydrate, Lipoide) durch einen aeroben Dissimilationsprozess (Zellatmung) ab. Oxydative Endprodukte sind CO₂ und H₂O.
– Der Druck des entstehenden CO₂-Gases drängt mit dem Oxydationswasser auch im Holz gespeichertes Wasser durch die Holzstrahlkanäle an die Oberfläche.
– Im ausgestoßenen Wasser befinden sich als ‚Verunreinigung’ unvollständig abgebaute organische Substanzen. Dank der als Kristallisationskeime wirkenden organischen Moleküle gefriert das Wasser beim Austritt an die Luft schon knapp unterhalb von 0° C: Am Ausgang der Holzstrahlen entstehen Eishaare.
 – Die in den Eishaaren enthaltene organische Substanz kann winteraktive Insekten (Collembolen) anziehen.
– Beim Schmelzen der Eishaare wird die organische Substanz als dünner Faden sichtbar, an dem sich perlenartig Wassertröpfchen bilden.*

* Gerhart Wagner und Christian Mätzler. Haareis auf morschem Laubholz als biophysikalisches Phänomen. Hair Ice on Rotten Wood of Broadleaf Trees – a Biophysical Phenomenon. Forschungsbericht Nr. 2008-05-MW 2008

Frohe Weihnachten 2021!

Da hier ebenso wie bei uns im Hause ausnahmsweise die klassischen Weihnachtbäume – ich meine die mit den richtigen – Nadeln in der Minderheit sind, leisten einige Laubbäume Amtshilfe. Da sie im Winter ohnehin nichts zu tun haben, weil sie im Herbst alle Blätter abgegeben haben, stellen sie sich bzw. ihre Äste und Zweige bereitwillig für die Aufnahme „echter“ Nadeln zur Verfügung. Es sind zwar keine botanischen Nadeln, sondern solche, die sich die Natur mit einigen ihrer zur Gebote stehenden Zutaten aus nichts als Wasser erschafft und den angebotenen nackten Ästen und Zweigen kunstvoll anheftet. Kunstvoll ist vielleicht nicht das richtige Wort, weil hier doch die Natur am Werke ist. Aber ihr wisst was gemeint ist: Naturschönheit. Jedenfalls sehen die Nadeln und damit die alternativen Weihnachtsbäume bis auf die Farbe ziemlich echt aus, wenngleich sich die Motive für derartige exzentrische Bewegungen unterscheiden: Während die grünen Nadeln dem Licht zustreben, suchen die weißen Nadeln die Kälte.
Die weiße Farbe hat sogar einen Vorteil – sie hellt den düsteren Wald an dieser Stelle stimmungsvoll auf und lenkt den Blick verheißungsvoll auf das Helle, dem wir in der nächsten Zeit entgegengehen. Für die Natur ist das zwangsläufig durch den Umlauf der Erde um die Sonne gegeben, für andere Entwicklungen kann nur die Hoffnung auf Aufhellung- und Aufklärung in Anspruch genommen werden.
Die Hoffnung wird nicht umsonst mit der Farbe Grün in Verbindung gebracht. Das „Grüne“ in dieser weißen Belaubungsaktion der Natur könnte man auch darin sehen, dass es hier kein Entsorgungsproblem gibt. Im Gegenteil, sobald es wieder wärmer wird, dienen die verflüssigten Nadeln einer ersten Wässerung für einen Wachstumsimpuls dem Frühling entgegen: Diese Weihnachtsbäume nadeln nicht, sie tropfen. Ich weiß, soweit sind wir noch nicht und wir feiern jetzt erst einmal Weihnachten!

In diesem Sinne wünsche ich euch/Ihnen Frohe Weihnachten. Bleibt gesund!

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.

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.

Blumen der Nacht

Trotz der kalten Nächte der letzten Tage hat der Winter keine Chance mehr, so sehr er auch des Nachts mit kristallinen Blumen (siehe Foto) gegen die sich tagsüber allenthalben entfaltenden botanischen Blumen zu konkurrieren versucht. Denn objektiv wird der jahreszeitliche Wechsel vor allem in der Bahn der Sonne um die Erde oder der Erde um die Sonne – wenn man es denn heliozentrisch beschreiben möchte – festgelegt. Weil die Drehachse der Erde schräg zu dieser Bahn orientiert ist und den Kreiselgesetzen entsprechend auch so bleibt (jedenfalls in absehbaren Zeiten), wendet sich die Nordhalbkugel im Sommerhalbjahr der Sonne zu. Wir erleben das von der Erde aus betrachtet darin, dass die Sonne im Sommer höher steigt und länger über dem Horizont verweilt und angenehme Temperaturen beschert.
Nachts ist es entsprechend umgekehrt. Bei klarem Himmel sind wir stundenlang dem kalten Weltraum ausgesetzt. Dadurch strahlt die Erde Wärme ab und kühlt sich ab. Wegen der großen Wärmekapazität des Bodens und der Gewässer führt diese Abkühlung immer seltener dazu, dass die Temperatur unter den Gefrierpunkt sinkt.
Das gilt aber vorerst noch nicht für Gegenstände mit geringer Wärmekapazität wie das blechernen Dach oder die Scheiben eines Autos. Das gestern Morgen aufgenommene Foto zeigt, dass sich die daran kondensierte Feuchtigkeit auf einem Autodach zu blumenartigen Gebilden kristallisiert, die in merkwürdigen Kontrast zu den jetzt allenthalben immer auffälliger und üppiger aufblühenden echten Blumen gerät.

Ein wenig Farbe ins dunkle Grau

Eine nicht gerade einladende Asphaltstraße sollte durch eine ebenfalls als negativ empfundene Ölspur eher noch unsympatischer wirken. Sieht man allerdings von diesem realen Hintergrund des Fotos ab, so ergibt sich ein Gemälde, in dem eine virtuos zwischen den Graustufen wechselnde Bruchstruktur durch ein schlankes Band lebhafter Spektralfarben herausgefordert und sich insgesamt zu einem ästhetisch ansprechenden Ganzen ergänzt.
Die Natur ist offenbar völlig indifferent gegenüber menschlichen Bewertungen und verfährt in ihren Gestaltungen nach den durch den Zufall herausgeforderten Naturgesetzen: mechanische Belastungen zusammen mit den Wirkungen von Gefrieren und Schmelzen sind für die Bruchstrukturen verantwortlich. Unterschiedliche Geschwindigkeiten beim Verdunsten der Feuchtigkeit bilden die Abstufungen des Asphaltgraus. Denn das Tageslicht ruft bei Nässe dunklere  Farbtöne hervor als bei Trockenheit. In der quer über das Bild laufenden Senke reicht die Feuchtigkeit gerade noch aus, die äußerst dünne Ölschicht zu „tragen“, die durch Interferenz das weitgehend weiße Tageslicht der unterschiedlichen Dicke der Schicht entsprechend koloriert.
Einige Stunden später hatten sich infolge der Verdunstung des Wassers die Farben verzogen, nachdem sich das Öl winzige Tröpfchen bildedend in den porösen Asphalt verzog.

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…

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.

Eine Welt in Aspik…

…nur hart und eiskalt.

Nach einer Woche eisiger Kälte vollzieht sich ein Temperatursprung in die andere Richtung – zunächst die Luft wird wesentlich wärmer. Der Regen fällt auf vereistes Gelände, sodass die Tropfen instantan vor Kälte erstarren. Doch lassen wir Andrzej Stasiuk (*1960) eine ähnliche Situation poetisch beschreiben, er kann es wesentlich besser als ich.

Holunderbüsche, Salweiden und Haselsträucher breiteten sich aus wie Büsche silbriger Wasserpflanzen, die im Wogen der See erstarrt waren. Alles war von Eis bedeckt. Jeder Zweig, jeder kleinste Halm stak in einem durchsichtigen Hemd. Früher, vor sehr langer Zeit, gab es bunte Bonbons in langen Glasröhrchen zu kaufen, die an einer Seite zugekorkt waren. Etwas in der Art: Glasröhrchen, und in jedem ein Pflanzentrieb, eine Weidenrute, sogar die Kiefernnadeln waren einzeln und sorgfältig verhüllt. Der Schlehenbusch, in Eis gegossen, ähnelte einem lebendigen, körperlichen Wesen, vom Röntgenblitz ertappt.
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Aufrechter Eiszapfen

Die Aufrechten sind selten. Das gilt offenbar auch für Eiszapfen. Dennoch – oder trotzdem? – bekomme ich immer wieder Anfragen zu diesem Winterphänomen.  Meiner subjektiven Statistik entsprechend wachsen sie meistens auf einer Vogeltränke. So auch in diesem Fall. Werner Harbecke schickte mir das Foto eines besonders langen Prachtexemplars von 35 cm Länge (siehe Foto). Weiterlesen →

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.

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.

Warten auf bessere Zeiten

Ein Apfel aus dem Vorjahr hat sich vom Eis nicht unterkriegen lassen. Durch den Auftrieb ragte er ein kleines Stück weit aus dem Wasser heraus, das in den kalten Nächten um ihn herum gefror und nur eine bereifte Haube zurückließ. Erst beim Tauwetter wurde die Ursache der Haube entdeckt. Denn dadurch dass der durchschimmernde Apfel das Sonnenlicht stark absorbierte, während es von der Eisschicht hauptsächlich durchgelassen und reflektiert wurde, erwärmte er sich und umgab sich mit Tauwasser.
Vielleicht handelt es sich aber auch nur um einen kleinen Fisch, der auf bessere Zeiten wartet.

Eisblumen am Fenster

„Die Welt ist versteint zu Kristall. Kein Windhauch stört die Toten. Die Pappeln vor dem Fenster starren regungslos. Über allen Grüften liegt Schnee. Aber wenn mein Atemhauch gegen das Fensterglas streicht, welche Wunder brechen hervor in klirrendem Eise! Da ist der ganze Garten wiedererstanden, alle Wälder der Erde. Ähren, Rispen, Farne, Trauben, Schlingpflanzen erscheinen und Blumengesichte wie aus einem Traum. Andeutungen aller unter dem Schnee begrabenen Gestalten.
Und ein wunderlicher Gedanke läßt mich nicht los: Dieses ist das Zwischenreich zwischen Blumenwelt und Welt der Kristalle.
Ist denn nicht alles Sichtbarwerden von Erscheinungen nur ein zeitweises Festgerinnen oder langsames Gefrieren von Bildern? Und wenn nun hier auf den Anhauch meines Mundes Bilder von Blumen im Fensterglase erscheinen, ist das nicht im Grunde derselbe schöpferische Vorgang, den wir in gedehnterem Zeitmaß und in gewaltigerem Raummaß erleben, wenn das Sonnenlicht die im Erdenstoff steckenden Gebilde zu Sichtbarkeiten gerinnen läßt? Müssen sie nicht alle im wachsenden Weltfrost mählich zu Eis gestarren? Ist nicht dieser Absterbe- oder Verstarrungsvorgang aus dem bildsam Flüssigen zum Festgeronnenen der Lebensvorgang selber?
Wie aber steht das Gestaltgewordene zu dem Vorgang, der zur Gestaltung führt? Oder anders gefragt: Wie steht der Rhythmus, die Musik der Lebensbewegung zu der Formenschöne und Ausgeglichenheit der für das Auge sichtbar gewordenen starren Gebilde?
Wir kennen das Geheimnis der Tonfiguren! Wir wissen, daß Melodie und Harmonie übersetzt werden können in bauliche Gebilde des Auges. Wir wissen, daß jede Farbenstimmung einer Tonstimmung entspricht; jedem Zahlenverhältnis von Farben ein Verhältnis von Tönen. Schon Kepler hat es gelehrt: Die Sternenabstände unseres Planetensystems entsprechen den Klangabständen unserer Tonleiter, und diese wiederum entsprechen den Zahlen der Farbenakkorde in dem für uns sichtbaren Farbenkreis. Die Welt der Formen wäre somit eine geronnene, sichtbar gewordene Welt der Musik …
Was ich hier am Fensterglase erblicke: die Eisblumengefilde, das sind Vorentwürfe oder Erinnerungen aller wirklichen Landschaften; so wie nächtlich geträumte Träume Vorentwürfe oder Erinnerungen aller „wirklich“ genannten Tagesbilder sind. Jede dieser Gestalten, die mein Odem erschafft, kommt auch irgendwo „wirklich“ vor in fernen Zonen oder in der Tiefe eines Meeres. Jede dieser Gestalten aber liegt auch als dunkles Erbwissen oder Erberinnern durchlaufener Lebensläufe, durchtauchter Lebenstiefen in meiner eigenen Seele. Im Fensterglase wird sichtbar alles, was ist, aber auch alles, was ich bin. Es kommt aus mir wie Musik aus der Saite. Es kann sich hineinerlösen in Gestalten der Kunst oder auch in Begriffsgefüge und philosophische Gedanken.
So wäre ich also Musiker und Instrument zugleich? Schöpfer dieser Eisblumenwelt am Fenster und doch nur eines unter Milliarden von Geschöpfen , durch welche Bilderflut und Schöpferhauch rastlos werdend und entwerdend, hindurchströmt. Und auch ich bin nur Bild unter Bildern, für eine Weile festgeronnen, wie hier im Fensterglase die silberne Liane oder der gezackte Tannenwald. Hauche ich heiß gegen die Bilder, so lösen sie sich auf und gerinnen neu, oder Wasser tropft von der Scheibe …
Der tolle Hund hat mich gebissen: die Lebensabkehr, der Weltabwendungsgedanke.
Ich kehre mich ab, lege Holz auf die Flamme im Kamin, träume ins Spiel der Flamme. Und wieder scheint es mir, daß die Bilder alles Lebens feuergewoben vorüberziehen: das brâhma-vidya, die Gestaltenwandelschau!
Ich zünde meine Pfeife an und blicke nach den blauen Wolkenschwaden, und mich durchzuckt ein tröstender Gedanke: „Ich bin jetzt Weltenschöpfer. Ich rauche hier in meinem Stübchen Weltgeschichte.“ Diese graublaue Karawane, das sind die Scharen Alexanders. Und jetzt kommt die Völkerwanderung. Jetzt jagen die Hunnen. Und dieser dicke Schwaden sind die Hohenstaufen.
Und ich blase Napoleons Heere und Völkerkriege und Revolution. Rauch alles; verwehender Rauch! Er wird sich niederschlagen am Fensterglas. Und morgen, wenn mein Feuer ausgebrannt ist und Asche den Ofen deckt, dann trösten mich wieder am Fensterglase die Runendenkmale der Eisblumen und die kristallenen Wälder.“ * Weiterlesen →

Rätselfoto des Monats Januar 2020

Warum bilden sich statt einer homogenen Eisschicht dendritischen Eisblumen auf der Fensterscheibe?

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Ein Schauspiel mehrerer Hole-punch Clouds vor dem abendlichen Fenster

Vorgestern Abend  konnte ich vom Fenster meines Arbeitszimmers aus ein seltsames Himmelsschauspiel beobachten. Der Himmel war von einer Altocumulus stratiformis Bewölkung bedeckt und öffnete sich an einer Stelle, wobei eine strähnenförmige Wolke aus dem entstehenden Wolkenloch herauszuströmen schien (oberes Foto). Ich wurde an das bereits früher beobachtete Phänomen, der sogenannten Hole- punch Cloud, erinnert und ich vergewisserte mich bei der Wetterexpertin Claudia Hinz, dass ich mich nicht täuschte. Wie dort bereits beschrieben fällt die bizarre Wolkenformation gewissermaßen aus dem gleichzeitig entstehendem und – wie ich diesmal über eine längere Zeitspanne beobachten konnte – sich vergrößerndem Loch auf die Erde. Sie erreicht diese jedoch nicht, weil die Eiskristalle, aus der sie besteht, vorher sublimieren, also in Wasserdampf übergehen. Weiterlesen →

Eisvögel

Was hier wie die stilisierte Skizze von zwei Eisvögeln oder vielleicht nur wie ein abstraktes Schwarz-Weiß-Gemälde aussieht, ist die Eisschicht einer zugefrorenen Wasserpfütze. Die hellen Bereiche künden vom darunterliegenden Hohlraum, der durch das Versickern des Wassers entstanden ist und in dessen feuchter Atmosphäre sich eine Reifschicht unterhalb der zunächst transparenten Eisschicht gebildet hat. An den kleinen Kristallen wird das Licht streut wodurch die Transparenz verschwindet. Lediglich die dunklen Streifen sind gefrorene Wasserwülste über die eine Verbindung mit dem stark gesunkenen Wasserspiegel oder bereits mit dem Erdreich besteht.

Hole punch – Eine aufgeschlitzte Wolke

An einem kalten Wintermorgen entdeckte ich kurz vor Sonnenaufgang in einer flachen Schicht von Altocumuluswolken eine längliche Scharte, die einen Durchblick auf darüber liegende, bereits von der Sonne erhellte blaue Himmelspartien erlaubte. Es sah aus, als wäre ein Wolkenstreifen durch dieses Loch gleichsam hindurch gesackt. Er hing im orangenen Licht der aufgehenden Sonne und wurde seiner luftigeren Konsistenz entsprechend von diesem Licht geradezu durchglüht. Dieser Streifen hatte die typische luftige und strähnige Konsistenz von Cirruswolken (was auf dem Foto allerdings nicht gut zu erkennen ist. Aber wie man – denke ich – sehen kann, liegt dieses Wolkengebilde noch unterhalb der Altocumulusschicht. Ein schönes – aber auch kompliziertes Phänomen, das letztlich auf den Einfluss des Homo Faber zurückgeht. Wer es genauer wissen will, muss sich den folgenden Text ansehen.

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Wäsche im Wind

Tollt der Wind über Feld und Wiese,
Hat seinen Spaß er überall,
Aber am liebsten neckt er die Liese
Mit einem tückischen Überfall.

Will sie ihr Zeug auf die Leine bringen,
Zerrt er: Liese, dies Hemd ist mein!
Um jedes Laken muss Liese ringen,
Jedes Stück will erobert sein. Weiterlesen →

Als es kälter wurde, rückte das Wasser zusammen

Wenn Wasser gefriert, haben wir die Vorstellung, dass die Wasserteilchen dichter aneinanderrücken und sich zu Eis verdichten. So heißt es in dem Gedicht „Zugefroren“ von Günter Grass (1927 – 2015):

Als es kälter wurde,
das Lachen hinter den Scheiben blieb,
nur noch als Päckchen und Brief
zweimal am Tag ins Haus kam,
als es kälter wurde,
rückte das Wasser zusammen. Weiterlesen →

Physikalische Wintererzählung über einen abgesägten Baumstamm

Dass es immer wieder neue Phänomene gibt, bei denen man nicht ohne Weiteres auf bekannte Erklärungsmuster zurückgreifen kann, wurde mir klar, als mir Bernd Heepmann, der einen ausgezeichneten Blick für Alltagsphänomene hat, nacheinander diese beiden Fotos schickte. Es handelt sich um einen Abschnitt aus einem an anderer Stelle frisch gefällten Baum.
Bei dem ersten (oberen) Foto war ich zunächst ratlos, weil ich mir nicht so recht erklären konnte, warum sich der Reif nur auf den mittleren Bereich des abgesägten Stamms beschränkt. In der Absicht, mich noch weiter zu verwirren, erhielt ich kurz darauf das zweites Foto (unten) der Situation zu einem späteren Zeitpunkt. Doch statt Verwirrung zu stiften, führte es letztlich zur Lösung des Problems, indem es zeigte, dass die Beschaffenheit des Holzes ursächlich mit der selektiven Vereisung zu tun haben musste. Weiterlesen →

Eine Eisstruktur, fragil und prekär

Es kaum zu glauben, obwohl dieselben physikalischen Gesetze gelten, zeigen sich im Kleinen oft sehr ungewohnte Strukturen. Dieses Foto wurde nach einigen Tau- Gefrierzyklen auf einem Acker aufgenommen; die Kamera wurde senkrecht auf den Boden gerichtet. Weiterlesen →

Eiszapfen mit Seele

Wie Orgelpfeifen aufgereiht hängen sie von der Dachrinne herab, nachdem es im Anschluss an Tauwetter während des vergangenen Tages wieder gefroren hat. Und da die Rinne selbst kein Wasser mehr transportiert, weil sie selbst mit Eis ausgefüllt ist, quillt das neu hinzukommende Wasser über den Rand hinweg und lässt die Rinnsale zu Zapfen gefrieren. Weiterlesen →

Durchgewachsen?

Eine Eisscholle aus dem zugefrorenen Teich herausgebrochen und wegen der Kälte sehr schnell losgelassen, sodass sie auf dem Rasen landete. Und hier passierte nun etwas Seltsames, das man vom Ergebnis her fast als künstlerischen Effekt ansehen kann. Einige der unter der Last der Platte herabgedrückten Grashalme und Blätter geraten in einen so innigen Kontakt mit dem Eis, dass sie mit diesem zusammenfrieren. Weiterlesen →

Die gefrorenen Fenster

Die Eisblumen

In Häusern findet man zur Winterzeit
Solch eine wunderbar formierte Zierlichkeit
Die Keiner tüchtig zu beschreiben;
Wenn die gefrornen Fensterscheiben
Von tausend zierlichen und schönen Kreaturen
Uns tausend zierlich Figuren
In solcher zarten Nettigkeit
Und doch in dunkler Nacht erzeugt, uns frühe zeigen. Weiterlesen →