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Irisierende Farben auf dem Eis

eis_verunreinigung_dsc07032Der Winter malt nicht nur schwarzweiß. Wer genauer hinschaut, findet reichlich Farben. In früheren Beiträgen haben wir bereits auf einige Farbphänomene aufmerksam gemacht (zum Beispiel hier und hier). Hier ist ein weiteres. Das Foto zeigt einen Ausschnitt aus der Eisschicht einer zugefrorenen Regentonne. Die irisierenden Farben weisen auf Interferenz an dünnen Schichten hin. Weiterlesen

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Eisregen – im Kristallpalast der Natur

eisregen_1_rvWer ihn schon einmal erlebt hat wird ihn nie vergessen, den Eisregen. Sieht man einmal von den negativen Aspekten für Mensch, Tier und Pflanzen ab, so kann man sich der zauberhaften Wirkung der in Eisregen erstarrten Natur kaum entziehen. Besonders eindrucksvoll ist das Glitzerwerk in Eis eingehüllter Dinge besonders dann, wenn nach dem gefrierenden Regen die Sonne scheint. Weiterlesen

La belleza cristalina de los copos de nieve

schneefall_img_0280Schlichting, H. Joachim. Investigación y Ciencia 2 (2017)

¿Qué procesos determinan la estructura de estas maravillas de la naturaleza?

Desde un punto de vista puramente físico, el hielo y la nieve no son más que agua en estado sólido. Pero ¿qué aspectos nos aclara esta afirmación? Ni siquiera proporciona respuesta a la pregunta, tan simple como evidente, sobre el origen de la exuberante diversidad de formas que presentan los copos de nieve. ¿Cómo pueden el agua y el vapor amorfos dar lugar a estas bellezas cristalinas?

Tal y como nos recuerda una antigua canción infantil alemana, los copos de nieve caen de las nubes y recorren un largo camino. Si los tomamos con una mano enguantada para que no se derritan de inmediato, constataremos que, aunque es cierto que no hay dos copos iguales, todos ellos comparten una misma estructura hexagonal básica. Muy de cuando en cuando encontramos cristales de tres o de doce lados, pero nunca de cuatro u ocho. Siglos antes de nuestra era, el sabio chino T’ang Chin lo explicaba así: «Dado que el seis es el verdadero número del agua, cuando el agua se congela en flores, estas han de tener seis puntas».
En nuestra cultura, la estructura hexagonal de los copos de nieve no comenzó a suscitar interés hasta 1611, con el ensayo de Johannes Kepler Sobre el copo de nieve hexagonal. René Descartes también se maravillaba en su Meteoros, de 1637, de que los cristales de hielo siempre cumplieran ese principio estructural: «Eran pequeñas placas de hielo, muy planas, muy pulidas, muy transparentes, con un espesor como el de una hoja de papel algo gruesa, […] pero tan perfectamente talladas en hexágonos, con los seis lados tan rectos y los seis ángulos tan iguales, que para el hombre sería imposible hacer algo tan exacto». Con todo, los principios de crecimiento de los copos de nieve solo han comenzado a entenderse en las últimas tres décadas, gracias a disciplinas como la geometría fractal y a la mejora en nuestra comprensión de los procesos de autoorganización de sistemas de muchas partículas.

Hexágonos en la naturaleza
Las estructuras hexagonales no son nada inusuales en el mundo natural. Si colocamos varias bolitas de poliestireno del mismo tamaño sobre la superficie del agua y no demasiado lejos unas de otras, observaremos que se acercan entre sí y se juntan en pequeñas balsas con una disposición hexagonal. La razón es la tendencia de todo sistema a ceder tanta energía al entorno como sea posible. Las bolas de poliestireno lo logran formando estructuras hexagonales: si cada una se rodea de otras seis esferas, ocuparán la menor extensión de agua posible y minimizarán de este modo la energía superficial. Un principio de autoorganización similar puede aplicarse a las moléculas de agua. Estas también se unen para adoptar la configuración de menor energía posible, y también en este caso el resultado es una red cristalina con simetría hexagonal… (Weiter)

Anhänglicher Schnee

img_0263rvSchlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft 2 (2017) S. 58 – 59

Schnee, der sich leicht ballen läßt,
schmilzt bald.
Jean Paul (1763–1825)

Eiskristalle haften gut aneinander – dafür sorgt flüssiges Wasser. Einerseits wirkt es bei Tauwetter durch Kapillarkräfte im Flockengeäst. Andererseits benetzt selbst bei starken Minusgraden eine feuchte Schicht die Oberflächen und klebt diese direkt zusammen. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats Februar 2017

raureif_dsc07778_rvWie kommt es zu diesen einseitig ausgericheten „Eisnadeln“?

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Neues Phantom im Eis

fahrradphantom_dscf7818aVor einigen Jahren hat mich ein Phantom im Eis fasziniert. Es handelte sich um eine Abbildung eines Fahrrads mit Hilfe zahlreicher Bläschen in der Eisschicht des Münsteraner Aasees. Das Fahrrad hatte seine letzte Ruhestätte auf dem Grund des Sees gefunden und machte sich auf diese Weise noch einmal bemerkbar.  Ich habe seinerzeit über das „Phantom im Eis“ berichtet. Weiterlesen

Die Schönheit ist oft verborgen

schneeschmelze_dsc08308aWer schaut sich schon auf einem Acker an, was passiert, wenn es nachts bitterkalt ist und tagsüber die Sonne strahlt. Getreideblätter nehmen Strahlungsenergie auf, schmelzen ein Loch in den Schnee, dieses vergrößert sich, sobald ein Teil des dunklen Bodens von den Sonnenstrahlen erreicht wird. Der Boden erwärmt sich und die aufsteigende erwärmte Luft schmilzt ein größeres Loch in den Schnee. Dadurch erreicht auch die Sonne den Boden, was zu einer Verstärkung des Effekts führt. Der Boden nimmt das herabtropfende Tauwasser auf. Nachts, wenn es wieder friert und vom warmen feuchten Boden noch einige Zeit lang Wasserdampf aufsteigt, docken die Wassermoleküle an den Kristallen an und bilden Raureifnadeln, die das tagsüber entstandene Loch zu überdachen geginnen. Aber dann erhebt sich wieder die Sonne, der Reif schmilzt an, gefriert, wird transparent, lässt Sonnenlicht durch, der dunkle Boden wird wieder warm, das Loch wird größer und frisst sich trotz der Minusgrade in die angrenzende Schneesubstanz. Solange die Verhältnisse so bleiben- Temperaturen unter dem Gefrierpunkt und strahlende Sonne, setzt sich dieses Spiel fort. Bei Hochdrucklagen, kann das einige Tage so gehen.
Doch wer achtet schon auf solche Löcher im Schnee.

Schnee oder nicht Schnee – das ist hier die Frage.

waermeleitung_dsc07715_rvViele Vorgänge laufen im Verborgenen ab. Vielleicht ist es auch ganz gut so, weil wir ansonsten der Komplexität der Welt in noch stärkerer Weise ausgesetzt wären und uns noch mehr bemühen müssten, zu übersehen statt zu sehen. Dieser Gedanke kam mir, als ich gestern auf dem blauen Geländer unserer Eingangstreppe den liegengebliebenen Schnee in regelmäßiger Weise gemustert vorfand. Das Muster war sehr einfach: – – – -; womit ich sagen will, dass ein kurzes Stück Schnee sich mit einem kurzen Stück abwesenden Schnees abwechselte.
Warum schmolz der Schnee in dieser rhythmischen Weise? Das menschliche Vermögen, Muster zu erkennen, sucht sofort nach Verbindungen und entdeckt, dass die Streben des Geländers sich im selben Abstand wiederholen. Solche Übereinstimmungen gibt man nicht sofort auf. In diesem Fall wird man auch sofort fündig. Da das Schmelzen von Schnee auf die Zufuhr von Wärme angewiesen, die umgebende Luft aber offenbar noch zu kalt ist (Das Thermometer zeigt -1 °C an.), kommt nur die Strahlungsenergie der Sonne in Frage. Diese kann zwar auf direktem Wege kaum etwas ausrichten, da das Sonnenlicht weitgehend vom Schnee reflektiert und kaum absorbiert wird. (Das ist ein Grund dafür, dass der Schnee weiß ist.)
Aber indirekt kommt die Wärme dann doch zum Schnee. Indem das blaue  Metallgitter einen Teil der Sonnenenergie aufnimmt und in thermische Energie umwandelt, sich also erwärmt, setzt in dem gut Wärme leitenden Eisen sofort ein Wärmeleitungsvorgang ein, durch den die thermische Energie von den erwärmten zu den kühleren Stellen transportiert wird. Auf diese Weise kommt die Wärme auch zum Handlauf und erwärmt zunächst die Verbindungsstellen. Diese haben nichts Eiligeres zu tun, als dem ohnehin schon kurz vor der Schmelze stehenden Schnee die für den Übergang vom festen in den flüssigen Zustand nötige Energie zur Verfügung zu stellen.
Und ist erst einmal eine Stelle frei geschmolzen, sodass das blaue Metall auch der direkten Sonnenstrahlung ausgesetzt ist, kommt es zu einer zusätzlichen Energiezufuhr. Die Schneeschmelze kann sich mit dieser Unterstützung ziemlich schnell zu den Seiten ausbreiten. Interessanterweise gefriert das abtropfende Wasser auf dem Boden gleich wieder zu winzigen Eiszapfen. Denn die Tropfen fallen nicht manchmal hier und manchmal dort, sondern bleiben in gewissen Grenzen bei dem einmal eingeschlagenen Weg. Wie es dazu kommt, wäre eine weitere Geschichte.
Damit solche subtilen Vorgänge in der hier geschilderten Weise stattfinden können, müssen die äußeren Bedingungen stimmen. Die Lufttemperatur sollte in der Nähe des Grenzübergangs von Fest nach Flüssig oder umgekehrt sein und es sollte ein deutlicher Unterschied bei der Wechselwirkung des Sonnenlichts mit dem Material – Schnee oder Metall – zur Wirkung kommen. Georg Christoph Lichtenberg würde hier vielleicht sagen: „Auf der Grenze liegen immer die seltsamsten Geschöpfe“. Naja, so seltsam sind die Muster nun auch wieder nicht. Aber sie können immerhin eine längere Geschichte von über 3000 Zeichen erzählen.

 

Erinnerung an die Eisblume

eisblumen2_dsc07061_rvEisblumen gehören der Vergangenheit an. Manche wissen nicht einmal mehr so recht, was das ist. Mein nicht geheizter Wintergarten gönnt mir jedoch manchmal das Vergnügen eines Blicks durch das eisblumenversiegelte Fenster. Dennoch gebe ich zu, dass dies die Ausnahme ist und der Nekrolog auf die Eisblume von Ulrich Holbein (*1953) nur allzu gerechtfertigt ist. Hier ein Ausschnitt: Weiterlesen

Raureif überlebt im Schatten der Bäume

Raureif-im-NebelRaureif gedeiht vor allem an Stellen, die dem unbedeckten Himmel ausgesetzt sind. Denn angesichts dieses extrem kalten Gegenübers strahlen die Gegenstände wesentlich mehr Energie ab, als sie aus der Umgebung erhalten. In abgeschatteten Bereichen ist der Energieverlust wesentlich geringer, sodass es dort unter ansonsten gleichen Bedingungen meist nicht zur Eiskristallbildung kommt.
Während hier also der Schatten die Raureifbildung behindert, bewahrt er an sonnigen Tagen den Raureif vor einem allzu schnellen Verschwinden. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats Februar 2016

 

121_Wellenförmige-Eiskante_Februar_2016Wie kommt es zu der wellenförmigen Eiskante?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Wie_kommt_es_zu_den_farbigen_Lichtblitzen?

Kunst unter der Eisdecke

Eis-auf-Pfützen_0008Schlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft  12  (2015), S. 56 – 57

Statt einfach nur spiegelglatt zu werden, bilden frierende Wasserflächen oft seltsame Strukturen – geformt durch die wechselhaften Bedingungen in dieser sehr speziellen Umgebung.

Sie schafft ewig neue Gestalten;
was da ist, war noch nie,
was war, kommt nicht wieder –
alles ist neu, und doch immer das Alte

Johann Wolfgang von Goethe (1749 – 1832)

PDF: Kunst unter der Eisdecke

Das Rätsel von Mpemba

MpembaSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft  9  (2015), S.40 – 41

Sagt Ihnen Mpemba etwas? Hinter dem fremdartigen Namen steckt das ungewöhnliche Phänomen, dass heißes Wasser unter sonst gleichen Bedingungen schneller gefriert als kaltes. Der »Mpemba-Effekt« scheint der physikalischen Intuition zu widersprechen. Und doch ist es so. Das Phänomen ist seit vielen Jahren Gegenstand der Forschung, ohne dass bislang eine allgemein akzeptierte Erklärung verfügbar wäre. Wir diskutieren hier eine Lösung des Problems, in der die größeren Strömungsbewegungen im anfangs heißen Wasser entscheidend dafür ist, dass es schneller gefriert als das kalte.

»Wenn das Wasser vorher erwärmt ist,
dann kühlt es schneller ab.«
Aristoteles (384 – 322 v. Chr.)

PDF: Das Rätsel von Mpemba

Kristallene Schönheiten

SchneeflockenSchlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft 1 (2015), S. 42 – 43

Damit aus Wasser eine Schneeflocke werden kann, müssen verschiedene Wachstumsprinzipien ineinandergreifen.

»… unter den Myriaden von Zaubersternchen …
war nicht eines dem anderen gleich … «
Thomas Mann (1875 – 1955)

Rein physikalisch gesehen sind Eis und Schnee nichts anderes als Wasser, das in den festen Aggregatzustand übergegangen ist, nachdem die Temperatur den Nullpunkt unterschritten hat. Aber was ist damit schon erklärt? Bereits auf die so naheliegende wie simple Frage, woher eigentlich die überbordende Vielfalt von Schneeflockenformen rührt, gibt diese Feststellung keine Antwort. Wie also werden aus amorphem Wasser und Wasserdampf kristallene Schönheiten?

Schneeflocken fallen aus den Wolken und haben einen langen Weg hinter sich, heißt es in einem alten Kinderlied. Wer sie mit der behandschuhten Hand auffängt, so dass sie nicht gleich schmelzen, stellt fest, dass zwar keine Flocke der anderen gleicht, sie aber alle eine sechseckige Grundstruktur gemeinsam haben. Sehr selten findet man drei- oder zwölfzählige Kristalle, aber niemals vier- oder achtzählige. Schon Jahrhunderte vor unserer Zeitrechnung erklärte der chinesische Gelehrte T’ang Chin: „Weil Sechs die eigentliche Zahl des Wassers ist, müssen die Blumen, zu der das Wasser gefriert, sechs Spitzen haben.“

In unserem Kulturkreis erlangt die hexagonale Struktur der Schneeflocken erst 1610 einige Aufmerksamkeit, nämlich durch Johannes Keplers Aufsatz „Über die sechszackige Schneeflocke“. Auch René Descartes bewundert in seinen „Météores“ (1637), wie Eiskristalle stets das Strukturprinzip der Hexagonalität einhalten: „Das waren kleine Klingen aus Eis, ganz glatt, intensiv poliert, ganz durchsichtig, ungefähr von der Stärke eines Blatts ziemlich dicken Papiers, (…) aber so perfekt in Sechsecke tailliert und deren sechs Seiten so gerade waren, die sechs Winkel so gleich, dass es den Menschen unmöglich ist, etwas so Exaktes zu machen.“ Besser verstanden hat man die Wachstumsprinzipien der Schneeflocken aber erst in den letzten drei Jahrzehnten, als Themengebiete wie die fraktale Geometrie und die Selbstorganisation von Vielteilchensystemen aufkamen. …

PDF: Kristallene Schönheiten

Skurrile Eisstrukturen im Garten

WintersprossenNachdem wir uns vor einigen Tagen bereits im Frühling wähnten und bei warmem Sonnenschein uns die ersten Triebe und Sprossen begrüßten, meldete sich der Winter noch einmal mit aller Härte zurück. Aber er verzauberte auch noch einmal die Welt auf seine unnachahmliche Weise mit glänzenden Eissprossen in der blendenden Sonne, so als wollte er das Kommende, nicht mehr Aufzuhaltende schon einmal mit seinen Mitteln vorwegnehmen. Weiterlesen

Lange Winter lange Zapfen

Lange WinterSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 43/3 (2012), S.52-53

Wie genau bilden sich Eiszapfen? Selbst Forscher können nicht alle Fragen dazu beantworten. Weiterlesen