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Raureif

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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.

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!

 

Zaghafte Annäherungen des Winters

Der Winter unternimmt immer mal wieder einen Versuch, Fuß zu fassen und sei es nur in Form von kleinen Eiskristallstrukturen, die eher an Spuren von Vogelfüßen erinnern als an Eis und Schnee.
Dennoch ist dieses Foto einer Fensterscheibe Zeugnis der fantastischen Metamorphose: Unsichtbarer Wasserdampf, der uns meist unmerklich umgibt, zeigt sich in weißen Kristallstrukturen, die das düstere Grau in Grau des Winters ästhetisch konterkarieren.
Die Verteilung der einzelnen Kristallbüschel richtet sich nach sogenannten Keimen, die auf der Glasfläche in Form von kleinen Staubpartikeln statistisch verteilt vorhanden sind. Denn aller Anfang ist schwer: Um vom dampfförmigen in den festen Zustand überzugehen benötigen die frei umherdriftenden Wassermoleküle einen Ausgangspunkt, an den sie andocken können. Dazu sind auch übrig gebliebene Spinnfäden willkommen. Die Eiskristalle verschaffen ihnen eine Sichtbarkeit in völlig neuem Gewand. Nach gelungenem Anfang docken die nachfolgenden Wassermoleküle bevorzugt an bereits bestehenden Kristallen an, sodass diese nach dem Prinzip: „Wer da hat dem wird gegeben“ ein zügiges Wachstum an den Tag legen.

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.

Von Federn und Raureifstacheln

Als ich am frühen Morgen auf dieses Gebilde stoße (Foto), glaube ich zunächst einen singulären Raureifkristall vor mir zu haben, obwohl alles andere dagegen spricht – die Temperatur, die raureiffreie Umgebung und die Wassertröpfchen, mit denen das Objekt bedeckt ist. Es ist nur eine Flaumfeder eines Vogels, an der sich in der kühlen Nacht Wasserdampf zu Tröpfchen kondensiert hat. Die spontane Verwechslung hat – wie ich mir schnell klarmache – folgende nicht von der Hand zu weisenden Bewandtnis: Die normalerweise dendritisch verzweigte Feder hat die Form von stachelförmigen Auswüchsen angenommen, die Raureifkristallen zum Verwechseln ähnlich sind und sie ist wie diese schneeweiß.
Den Grund dafür verraten die Tröpfchen auf der übrigen Feder. Da die filigrane Feder nur einige wenige Berührpunkte mit der Erde hat und selbst aufgrund ihrer geringen Masse nur eine geringe Wärmekapazität besitzt, führte die Abgabe von Energie durch Wärmestrahlung zu einer fast widerstandslosen Abkühlung. Demgegenüber hielten sich die Abkühlung des Bodens und andere Objekte mit einer großen Masse und Wärmekapazität in Grenzen. Daher unterschritt die Temperatur der Feder sehr schnell den Taupunkt, sodass die relative Luftfeuchte dort über 100% hinausging. Der  überschüssige Wasserdampf ließ sich in Form kleiner Tröpfchen an und zwischen den feinen Verästelungen der Feder nieder. Die Tröpfchen berührten sich schließlich und verschmolzen miteinander um gemeinsam eine kleinere Oberfläche auszubilden und die dadurch freigewordene Energie an die Umgebung abzugeben (Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik). Mit der Verschmelzung der kleinen Tropfen wurden aber auch die feinen Dendriten der Feder an denen sie hingen zu schlanken stachelartigen Gebilden zusammengezogen.

Spitze Nadeln gegen den Wind

raureifnadeln_dsc07791_rvManchmal erbarmt sich der Winter der kahlen Reste der Blumen, Sträucher und Bäume und stattet sie mit nadelartigen Ersatzblättern aus Eiskristallen aus. Das sieht nicht nur schön aus, sondern ist auch physikalisch interessant. Damit diese kalte Raureif-Belaubung entstehen kann, müssen die Temperatur einige Grade unter null Grad liegen und die Wasserdampfkonzentration in der Atmosphäre sehr hoch sein (relative Feuchte über 90%). Weiterlesen

Reif trifft Korkenzieher-Hasel

raureif_dsc06699-jpg_rvDie Korkenzieher-Hasel (C. avellana Contorta) beeindruckt besonders durch ihre für Pflanzen ungewöhnlichen verdrehten Zweige, die besonders in der Winterzeit zur Geltung kommen. Im Gegenlicht wirken sie teilweise wie kalligrafische Verzierungen. Kommt dann noch die Veredelung durch Reif hinzu, der im Sonnenlicht zahllose Funken versprüht, erhält man einen wirkungsvollen Eindruck vom Naturschönen. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats Februar 2017

raureif_dsc07778_rvWie kommt es zu diesen einseitig ausgericheten „Eisnadeln“?

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Die Nadelarbeit des Winters

raureif_nadeln_dsc07825brvSelbst die vom letzten Jahr übriggebliebenen, vertrockneten Blätter einer Buche erstrahlen in neuem Glanz, wenn der Winter sie mit feinen Eisnadeln schmückt. Diese filigranen und gegen Berührung sehr sensiblen Kunstwerke der Natur entstehen zum einen dann, wenn die Temperatur einige Grade unter Null liegt und die Wasserdampfkonzentration sehr hoch ist (relative Feuchte über 90%). Weiterlesen

In diesen Tagen ist das Wasser ganz aus dem Häuschen

raureif_dsc06997a_rvIm Französischen hat man die schöne Wendung „être dans tous ces états“, was man meist im Sinne von „ganz aus dem Häuschen sein“ ins Deutsche übersetzt. Wenn man an das Verhalten des Wassers in diesen Tagen denkt, so wäre die wörtliche Übersetzung angemessener. Denn das Wasser ist zur Zeit in all seinen Zuständen aktiv: Weiterlesen

Mit Kristallen umkränzt

kristall_umkraenzt_dsc06639aManches, was man schon nicht mehr beachtet, weil es längst verblüht ist, erwacht tiefgekühlt und mit weißen Rändern hervorgehoben zu neuer winterlicher Schönheit. Weiterlesen

Reif überlebt im Schatten der Bäume

Raureif-im-NebelReif 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

So schön, dass ich mich nicht darauf zu setzen wage…

Raureif_auf_einer_ParkbankWasser in einer seiner zahlreichen Formen, als Raureifkristalle auf einer Parkbank; so schön, dass ich mich nicht darauf zu setzen wagte. Wie sich Kinder einen Sternenhimmel vorstellen – sternförmig flimmernde Lichter vor dunklem Hintergrund – begegnen uns hier Eiskristalle als exquisites Kunstwerk der Natur.
Wie nahe Schönheit und Profanität manchmal nebeneinander liegen können, hätte ich erfahren, wenn ich es doch gewagt hätte, mich  zu setzen. Weiterlesen

Ein kristallener Weihnachtsbaum

TannenbäumeManchmal sind Weihnachtsbäume sehr unauffällig. Diese feingliedrigen „Bäume“ fand ich in einer Regentonne, die noch etwas Wasser enthielt, als der Frost einsetzte. Die Bäume verdanken sich dem Wechselspiel von Zufall und Notwendigkeit. Die zufälligen Bewegungen, mit denen sich die Wasser(dampf)moleküle auf den wachsenden Eiskristall zu bewegen und dort andocken, werden durch die Notwendigkeit eingeschränkt, der hexagonalen Symmetrie der Wassermoleküle Rechnung zu tragen. Weil außerdem bei der Kristallisation verhältnismäßig viel Energie frei wird, findet das Wachstum insbesondere an den extremalen Stellen statt, von denen die Energie leichter an die Umgebung abgegeben werden kann. Weiterlesen

Der gestirnte Baum

RaureifEs ist die Zeit, in der Bäume, Sträucher und andere Gegenstände mit feinen Eisnadeln verziert werden. Raureif entsteht vor allem in kalten, feuchten Sommernächten und überzieht die entblätterten Pflanzen mit einer kristallinen Pracht. Der Anblick hat schon den Barockdichter Barthold, Hinrich Brockes fasziniert und zu einem längeren Gedicht angeregt, in dem der ästhetische Eindruck in Poesie umgesetzt wird. Dabei beeindruckt, wie auch in seinen zahlreichen Naturgedichten, die akribisch genaue Beobachtung: Weiterlesen

Rätselfoto des Monats Dezember 2013

095_Weihnachtsbäume aus Eis

Wie kommt es zu diesen weihnachtsbaumartigen Strukturen?


Erklärung des Rätselfotos des Monats November 2013

Frage: Dunkelblaues und türkisblaues Wasser zwischen und auf dem Packeis sind charakteristisch für das arktische Eismeer. Wie kommt es zu diesen Farbunterschieden?
Antwort: Blickt man aus dem Flugzeugfenster aus großer Höhe auf das Packeis des Nordpolarmeeres, so entdeckt man ein selbstähnliches Muster von Eisschollen verschiedener Größenordnungen. Jedenfalls sieht ein Ausschnitt aus dem Foto ganz ähnlich aus wie das Foto selbst und auch ein Ausschnitt des Ausschnitts aus dem Ursprungsbild ist auf den ersten Blick von letzteren nicht zu unterscheiden. Es ist zu vermuten, dass das Eisschollenmuster skaleninvariant ist und einem Potenzgesetz genügt.
Die weißen Flächen auf den Schollen rühren vom Schnee her, der sie weitgehend bedeckt. Die fein ziselierten Muster auf den Schollen sind hauptsächlich das Werk von Winden, die den Schnee ihren wechselnden Richtungen entsprechend verwehen. Zwischen den Eisschollen ist das Meer zu erkennen, auf dem sie schwimmen. Die Farbe des Meeres ist dunkelblau, fast schwarz, weil fast alles Licht, das in das tiefe Wasser eindringt, absorbiert wird.
Was jedoch besonders ins Auge fällt, sind die hellblauen Flecken auf den Eisschollen, die das Schwarz-Weiß-Szenario mit intensiven Farbtupfern zu einem künstlerisch wirkenden Tableau gestalten. Dabei handelt es sich um mehr oder weniger große Wassertümpel, die durch die Sonne in den Sommermonaten in die Eisschollen eingeschmolzen werden. Da die Eisschollen weitgehend aus Süßwasser bestehen enthalten diese Tümpel ebenfalls Süßwasser.
Das erscheint zunächst erstaunlich, denn das Meerwasser enthält einen Salzgehalt von 3,5 %. Doch da das Salz beim Gefrieren nicht in die Kristallgitter des Eises eingebaut werden kann, entstehen reine Süßwasserkristalle, während das Salz außen vor bleibt und sich in einer flüssigen Salzsole anreichert. Die so entstehenden Eisschollen bestehen daher zunächst aus Süßwasserkristallen, die von einem Netzwerk von Kanälen durchzogen sind, in das die Sole abgegeben wird. Weil die Salzsole jedoch eine größere Dichte als das Eis hat, sickert sie allmählich aus den Eisschollen heraus, so dass diese im Laufe der Zeit immer weniger salzhaltig werden. Hinzu kommt, dass der Schnee auf den Schollen aus Süßwasser besteht, der während der Schmelze in den Sommermonaten in die Solekanäle eindringt und die Verdrängung des Salzwassers noch beschleunigt. Das Eis ist schließlich so salzarm, dass man es als Trinkwasser benutzen kann. Das wussten schon die Seefahren des 16. und 17. Jahrhunderts, die in den Süßwassertümpeln ihre Trinkwasservorräte nachfüllten.
Aber der unterschiedliche Salzgehalt zwischen dem Meerwasser und Schmelzwasser der Tümpel kann nicht der Grund für den deutlichen Farbunterschied sein. Reflektiertes Himmelslicht kommt als Ursache auch nicht Frage, weil aufgrund des fast senkrechten Blicks aus dem Flugzeug den Fresnelschen Gleichungen entsprechend die Reflexivität nur sehr gering ist. Außerdem wäre damit der Unterschied zur Farbe des Meerwassers nicht zu erklären.
Farbgebend ist vielmehr die Eigenfarbe der Eisschollen, die man auch von Eisbergen und Gletschern kennt. Das Licht dringt durch das Wasser der Schmelzwassertümpel in die Eisschicht ein. Lediglich das typische Blau des Eises wird reflektiert und führt zu der typischen Kolorierung der Tümpel.
Es sollte nicht unerwähnt bleiben, dass diese schönen Tümpel eine hässliche Kehrseite haben. Ihr massenhaftes Auftreten in jüngster Zeit trägt in nicht unerheblichem Maße zur Erwärmung des Nordpolarmeeres bei. Denn an diesen schneefreien Stellen wird verhältnismäßig viel Sonnenenergie absorbiert, während sie an den schneebedeckten Teilen weitgehend reflektiert wird.

 

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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