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Taupunkt

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Eisstrukturen zwischen Mangel und Überfluss

Sprießende Spitzen: Vor allem an den winzigen unterkühlten Blattseiten wachsen Eiskristalle, indem sie vorbeidriftende Wasserdampfmoleküle einsammeln.

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 2 (2022)

Es waren Myriaden im Erstarren zu ebenmäßiger Vielfalt kristallisch
zusammengeschossener Wasserteilchen.

Thomas Mann (1875–1955)

In kalten Nächten wachsen oft weit verzweigte Eiskristalle heran. Wo und wie sie genau entstehen, hängt vor allem von den lokalen Gegebenheiten ab.

Zwar verlieren Pflanzen im Winter ihre Blütenpracht, doch dafür sprießen an ihnen filigrane, dendritische Eiskristalle und bieten einen schönen und physikalisch interessanten Ersatz. Damit solche Strukturen entstehen können, ist neben tiefen Temperaturen aber auch Wasser nötig.

In einer trockenen und wolkenfreien Nacht kann reichlich davon anfallen. Das ist uns bereits aus den wärmeren Jahreszeiten vertraut: Nicht selten sind am frühen Morgen Blätter und andere Gegenstände mit zahlreichen, bei Sonnenschein glitzernden Tautröpfchen benetzt. Durch Abstrahlung von Energie zum dunklen Himmel fällt die Temperatur der Objekte; Luft in deren Nähe kühlt ebenfalls ab. Damit sinkt die maximal mögliche Konzentration des darin enthaltenen Wasserdampfs (maximale Feuchte). Unterschreitet sie die aktuell vorhandene absolute Feuchte, kondensiert das überschüssige Wasser. Die Temperatur, bei der das passiert, heißt Taupunkt.

Kleinere und flachere Gebilde wie Grashalme und Blätter kühlen stärker ab. Denn einerseits ist die pro Zeiteinheit abgestrahlte Energie in etwa proportional zur Größe der Oberfläche, andererseits ist die gespeicherte innere Energie proportional zum Volumen. Wenn r für eine typische lineare Größe eines Gegenstands steht, etwa seinen Radius, dann schrumpft seine Oberfläche proportional mit r^2, sein Volumen aber mit r^3. Wird das Objekt beispielsweise um den Faktor 10 verkleinert, so verringert sich seine Oberfläche um das 100- und sein Volumen um das 1000-Fache. Also nimmt die zu Letzterem proportionale innere Energie stärker ab als die Oberfläche – und mit der inneren Energie ist wiederum die Temperatur verbunden.

Im Winter sind die Verhältnisse nicht grundlegend anders, nur liegt der Taupunkt gegebenenfalls unterhalb des Gefrierpunkts. Dann wird der überschüssige Wasserdampf gar nicht erst flüssig, sondern gefriert an den eiskalten kleinen Strukturen direkt zu Kristallen (Resublimation). Um vom gasförmigen in den festen Zustand überzugehen, benötigen die Wassermoleküle Unterstützung in Form von so genannten Keimen. Das sind meist winzige Partikel, an denen die Kristallisation leichter gelingt als beispielsweise im freien Raum. Der ideale Keim ist ein bereits existierender Eiskristall, und daher wachsen eher vorhandene Exemplare als neue entstehen.

Auf einem Blatt entwickeln sich die ersten Eisstrukturen bevorzugt an dünnen Härchen und anderen winzigen Auswüchsen (siehe »Sprießende Spitzen«). Sie sind nicht nur besonders kalt, sondern ragen oft außerdem ein Stück weit in die Umgebung hinein, die von Wasserdampfmolekülen wimmelt. Deren Verfügbarkeit ist zudem einer der Gründe dafür, dass die entstehenden Eisnadeln meist nicht in beliebige Richtungen wachsen, sondern von ihrer Basis weg ins Freie. Dabei spielt ein weiterer Aspekt eine wichtige Rolle: Bei der Resublimation fällt Energie aus Kondensationswärme und Kristallisationswärme an. Nur, wenn sie genügend schnell weggeschafft wird, kann Dampf tatsächlich erstarren.

Hexagonale Blättchen: Über Buschwerk, das tagsüber von der Sonne aufgeheizt wurde, wachsen nachts flächige Eiskristalle mit einem typischen Durchmesser von einem Zentimeter.

Haben die Spitzen eine bestimmte Länge erreicht, können Seitenzweige schräg nach oben austreiben, weil ihre Flanken jetzt genügend weit von der Basis entfernt sind. So ergeben sich die dendritischen Strukturen gewissermaßen zwangsläufig.

In der Natur sind vielfältige Eiskristallmuster zu beobachten. Das spiegelt die zahlreichen Möglichkeiten wider, die sich durch die Geometrie der Objekte, die jeweils herrschenden Temperaturverhältnisse, den Nachschub an Wasserdampfmolekülen sowie die Entsorgung der Abwärme ergeben.

Die bislang erläuterten Strukturen entsprechen Verhältnissen mit eingeschränkter Versorgung mit Material und begrenztem Abführen der Kristallisationswärme. In Situationen, in denen reichlich Wasserdampf vorhanden ist und die Wärme optimal abtransportiert wird, gibt es eine ganze Klasse weiterer Eisstrukturen. Sie sind großflächig und dicht. Bei ihnen schlägt sich der Einfluss der hexagonalen Symmetrie der mikroskopischen Wassermoleküle auf die makroskopischen Muster besonders deutlich nieder.

Baumartig: Eiskristallstrukturen treten an manchen Stellen lamellenartig gestaffelt auf.

In einem Fall (siehe »Hexagonale Blättchen«) war der Ausgangspunkt der Strukturbildung eine Schneedecke, die sich großflächig über niedriges Buschwerk gelegt hatte. Tagsüber heizte die intensiv strahlende Sonne den dunklen Raum darunter auf – eine feuchtigkeitsgesättigte Atmosphäre entstand. In der anschließenden sternklaren Nacht kühlte sich die obere Schneeschicht stark ab. Von unten stiegen verhältnismäßig warme Luft und Wasserdampf auf. Letzterer schlug sich im Bereich des Schnees nieder und erstarrte. Bei so einer Konstellation wird die Kristallisationswärme leicht in den kalten Nachthimmel abgestrahlt. So füllen sich beim Emporwachsen selbst die Zwischenräume problemlos. In nur einer Nacht können auf diese Weise lamellenartige Strukturen entstehen, die teilweise wie nach oben offene Gefäße aussehen und an manchen Stellen wie Kühlrippen gestaffelt sind. Letztere Ähnlichkeit ist mehr als rein äußerlich, schließlich kommt es gerade bei üppiger und effektiver Produktion von Kristallstrukturen weiterhin darauf an, die Wärme optimal abzugeben. So sind auch die typischen weihnachtsbaumartigen Muster (siehe »Baumartig gestaffelt«) weniger eine ästhetisch ansprechende Laune der Natur, als vielmehr eine physikalische Notwendigkeit.

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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.

Schilfrohr nach einer klaren Sommernacht

Es gibt kaum eine Situation, in der die Natur eine hässliche Gebärde an den Tag legt, selbst wenn es den ganzen Tag geregnet hat. Wenn ich mir vorgestellt hätte, wie dasblühende Schilf, der sich sanft den Stromlinien des Windes nachgebend eine äußerst elegante Form annimmt, wohl nach einer kühlen feuchten Nacht aussieht, so wäre ich kaum auf ein Bild gekommen wie auf dem Foto zu sehen. Diesmal gehorcht das Schilf der Schwerkraft, die durch die Belastung des Blüten- und Blätterwerks mit einer verhältnismäßig großen Wasserlast zu einer dominierenden Größe geworden ist, indem es sich in eindrucksvoller Gestalt dem Boden zuneigt.
In der vorausgegangenen klaren Nacht haben sich vor allem die feinen Strukturen des Blütenstands und die dünnen Blätter des Schilfrohrs sehr schnell abgekühlt. Denn aufgrund ihrer Feingliedrigkeit haben sie nur eine geringe Dichte und damit eine auf das Volumen bezogene geringe Wärmkapazität, sodass ihre Temperatur schneller sinkt als bei kompakteren Pflanzen und Gegenständen. Und weil bei großer Feuchte mit der schnell sinkenden Temperatur ebenso schnell der Taupunkt erreicht wird, kondensiert der Wasserdampf der Luft vor allem an diesen Strukturen.
Indem die wasserliebende (hydrophile) Pflanze vor allem im feingliedrigen Blütenstand Kondenswasser aufnimmt, steigt dort einerseits ihre Masse und andererseits „verkleben“ die feuchten Strukturen miteinander, weil sich die Wassertropfen vereinigen. Denn dadurch wird Oberflächenenergie gespart: Mehrere Tropfen zusammen haben eine auf das Wasservolumen bezogene kleiner Oberfläche. Durch diese Vorgänge wird das Schilfrohr kopflastig und neigt sich dem Boden zu. Die durch die Vereinigung entstandenen größeren Tropfen bewegen sich zur tiefsten Stelle und fallen ab, sobald die Schwerkraft die Oberflächenkraft (Adhäsionskraft) mit der die Tropfen an der Pflanze haften übersteigt. Man sieht auf dem Foto einige Tropfen an den Spitzen, bereit abzufallen, sobald das Maß voll ist.
Das ist die physikalische Geschichte, die eine Pflanze nach einer klaren, kühlen Sommernacht erzählen könnte. Ich habe es ihr abgenommen und es gleich versucht in Deutsche zu übersetzen.

Noch einmal Kristalle…

Wer gedacht hätte, dass die Eiskristalle erst einmal vorbei sind, sieht sich zumindest in unserer Gegend eines Besseren belehrt. Die jungen Blätter sind mit feinen Eiskristallen besetzt und vermitteln alles andere als ein Gefühl des Frühlings. Allerdings muss ich zugeben, dass zumindest die grünen Pflanzen, die einige Grad unter Null vertragen können, auf eine ästhetisch ansprechende Weise veredelt erscheinen. Einige andere Pflanzen ließen ihre Blätter traurig hängen und wie es den Obstblüten ergangen ist, wird sich spätestens bei Bildung der Früchte zeigen.

Der Reif besteht aus vielen kleinen Eiskristallen. Sie bilden sich, wenn die Temperatur sinkt und die maximale Luftfeuchte die absolute unterschreitet. Dabei kondensiert der überschüssige Wasserdampf zu Tautropfen, die bei weiterer Temperaturabnahme des Blattes kristallisieren. Dieses Phänomen hat mit der Tatsache zu tun, dass kleine Körper an einer kalten Umgebung schneller auskühlen als größere.
Der Grund: Kleine Körper haben eine im Vergleich zu ihrem Volumen größere Oberfläche als größere. Die Oberfläche ist aber maßgeblich für die Abgabe von Wärme an die kältere Umgebung. Das kann man sich folgendermaßen klarmachen: die Oberfläche eines Körpers nimmt grob gesagt mit dem Quadrat seiner Größe (Länge, Radius…) das Volumen aber mit der dritten Potenz zu. Und wenn nun der Körper beispielsweise um den Faktor 10 verkleinert wird, so verkleinert sich die Oberfläche um den Faktor 100 und das Volumen sogar um den Faktor 1000. Das Volumen und damit die zum Volumen proportionale innere Energie des Körpers nehmen also um den Faktor 10 stärker ab als die Oberfläche. Daher kühlt der kleinere Körper etwa 10-mal schneller ab als der größere. Diese für den Wärmeverlust wichtige Oberflächen-Volumen-Relation spielt bei der Abkühlung der Blätter eine wichtige Rolle. Die vom Blatt abstehenden winzigen Zacken und Härchen sind besonders klein und geben daher ihre Energie sehr schnell durch Wärmstrahlung ab, sodass vornehmlich an diesen Stellen der Wasserdampf der Luft kondensiert und schließlich kristallisiert.

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.

Tröpfelnde Herbsttage

Der Herbst macht sich auch dadurch bemerkbar, dass die morgendlichen Wiesen mit Tropfen bedeckt sind. Sie wurden gewissermaßen aus der Atmosphäre heraus gemolken. Dadurch dass es in der Nacht kühler und der Taupunkt unterschritten wurde, musste der überschüssige Wasserdampf an geeigneten Stellen in flüssiges Wasser übergehen. Der kondensierte Wasserdampf setzte sich in Form von wachsenden Tropfen beispielsweise an Grashalmen und Blättern, aber auch – wie im vorliegenden Fall – an Spinnengewebe ab.  Weiterlesen

Eine kleine physikalische Nachtgeschichte

Der frühe Frühling in diesem Jahr, der sich gefühlt ja bereits durch den ganzen Winter hindurchzog bringt in diesen Tagen einige botanische Eisblumen hervor. Nachdem vorgestern noch der Löwenzahn seine Blüte in der prallen Sonne entfalten konnte, musste er in der gestrigen Nacht einige kristalline Gäste auf seinen Blütenblättern dulden. In der Nacht sanken die Temperaturen unter Null Grad, sodass der Taupunkt unterschritten wurde: Überschüssiger Wasserdampf kondensierte und/oder resublimierte an feinen Strukturen, so auch an der Löwenzahnblüte. Weiterlesen

Schneeverlust unter dem Gefrierpunkt

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaften 2 (2020), S. 72

Oh welch ein Schreck:
Der Schnee ist weg!
Wo ist er nur geblieben?

Anita Menger (*1959)

Manchmal verschwindet die Schneedecke, obwohl das Thermometer unter null Grad anzeigt. Oder aber sie schmilzt selbst bei Plusgraden kaum. Die Temperatur allein ist nicht entscheidend – bei den Vorgängen spielen weitere Kennzahlen eine wichtige Rolle. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats Februar 2020

Warum ist einer der Kondensstreifen rot? Weiterlesen

Physik am Flugzeugfenster

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 8 (2019) S. 52 – 53

Doch still, was schimmert
durch das Fenster dort?

William Shakespeare (1564–1616)

Über den Wolken herrschen außerhalb des Flugzeugs dramatisch andere Temperaturen und Drücke als in der Kabine. An den Scheiben, die beide Reiche voneinander trennen, kommt es zu eindrucksvollen optischen und thermodynamischen Phänomenen. Weiterlesen

Geröstetes Brot hinterlässt Feuchtigkeitsspuren

Als ich eine Scheibe heißen, gerösteten Brots auf ein rustikales Brettchen legte und nach kurzer Zeit zur Seite schob, sah ich erstaunt, dass es einen ziemlich feuchten Abdruck hinterlassen hatte.
Merkwürdig. Sollte das der Hitze ausgesetzte Brot nicht vielmehr noch trockener sein als vor dem Rösten?
Physik sei Dank ging alles mit rechten Dingen zu. Bei höherer Temperatur ist die maximale Feuchte (also die Konzentration von Wasserdampf in der Umgebung, die nicht überschritten werden kann, ohne dass der dann überschüssige Dampf kondensiert) größer als bei niedrigerer Temperatur. Weiterlesen

Kalte Fenster – Geburtsstätte für Wassertröpfchen

Als wir in das ausgekühlte Ferienhaus ankommen, können wir uns während des Bemühens die Zimmer warm zu bekommen, zwischenzeitlich schon einmal über ein Kunstwerk freuen (siehe Foto), das in dem Maße auf den Fensterscheiben Gestalt annimmt, wie im Zimmer die Temperatur steigt.
Durch die Tröpfchen hindurch schimmert die Struktur einer aus einzelnen Holundersträuchern bestehenden Hecke, die ihre Blätter verloren haben.
Die Gesamtstruktur dieser Büsche lächelt uns tausendfach kopfstehend in den einzelnen Tropfen entgegen. Denn diese verhalten sich wie kleine Sammellinsen. Sie bilden die Büsche auf unsere Netzhäute ab – kopfstehend. Weiterlesen

Herbstschönheit im Tröpfchengewand

Als vor ein paar Tagen die morgendliche Sonne die vertrocknenden und verfaulenden Pflanzen beschien, fiel mein Blick zufällig auf eine kleine Insel im Licht. Eine Wildblume scheint sich hier gegen das allgemeine Klischee des grauen Herbstes zu stemmen, indem sie sich nicht nur mit frischen Blüten schmückt, sondern auch mit den Tautropfen der vergangenen Nacht herausputzt. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats November 2016

130_tropfen_rvFrage: Wie kommt es zu dieser künstlerisch anmutenden Struktur?

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Erklärung des Rätselfotos des Monats Oktober 2016

Frage eines Kindes: Warum hebt er nicht ab?

Antwort: Keine dumme Frage, denn das Kind weiß, dass wenn es seinen Ballon loslässt, dieser sich unwiederbringlich in die Luft erhebt. Aber eine kleine, sehr grobe Überschlagsrechnung zeigt, dass die Befürchtung des Kindes völlig unberechtigt ist.
Man kann leicht abschätzen, ob die Bedenken des Kindes berechtigt sind. Ein Latexballon mit 30 cm Durchmesser hat ein Volumen von etwa 14 Liter. Ein Liter Luft wiegt 1,2 g. Ersetzt man die Luft durch Helium, das 0,18 g pro Liter wiegt, so ist der Ballon pro Liter ungefähr 1 g, also insgesamt 14 g leichter. Da die Latexhülle etwa 4 g wiegt, so ergibt sich eine Tragkraft von 10 g. Wenn man also 1/10 einer Tafel Schokolade (100 g) dranhängt, würde der Ballon in etwa schwerelos sein. Um genügend schnell aufsteigen zu können, darf man nur einige Gramm (vielleicht 3 Gramm) weniger dranhängen. Es bliebe eine Tragkraft von 7 g. Ein Mensch mit einer Masse von 70 kg würde erst aufsteigen, wenn er an einer Traube von 10000 Ballons hinge.
Das ist viel, wie man sich an der Größe der Traube klarmachen kann, die sich ergäbe, wenn man die kugelförmigen Latexballons kugelförmig zusammenbände, was natürlich nur näherungsweise gelänge, hier aber angenommen wird, um eine einfache Abschätzung machen zu können.
Das Volumen der großen Kugel wäre 10000 mal so groß wie das eines einzelnen Ballons, wenn man davon ausginge, dass die Kugeln ohne Zwischenraum aneinander lägen. Aber das ist nicht realisierbar. Man schafft es höchstens, die Kugeln bei kleinstmöglichen Zwischenräumen aneinanderzupacken. Das wäre – wenn ich mich nicht verrechnet habe – bei einer „unendlichen“ Kugelpackung des Raumes mit einem Füllgrad von 74% möglich. So käme man auf einen Kugeldurchmesser von 7,14 m; in Wirklichkeit wäre es also noch mehr.
Bei Folienballons – mit solchen haben wir es auf dem Foto zu tun – ist die Situation noch ungünstiger. Da der Ballon bei etwa gleichem Volumen ca. 10 g wiegt, würde der Rest kaum noch für eine Nutzlast reichen. Daher reicht ein relativ kleine Masse, um die Ballontraube am Abheben zu hindern. Man gibt meist noch etwas Masse hinzu, um auch gegen normale Windböen gewappnet zu sein.

 

 

Eine Glocke bringt Durchblick

Wenn ich in der kalten Jahreszeit in den ausgekühlten Wintergarten gehe und die Tür zur warmen Wohnung geöffnet lasse, finde ich nach kurzer Zeit den im Foto dargestellten Anblick vor. Die Fenster sind beschlagen. Nur eine kleine Öffnung erlaubt einen ungetrübten Durchblick. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats Juli 2014

102_Farbige Tropfen am FlugzeugfenserEin Blick durch ein Flugzeugfenster. Welche physikalischen Vorgänge haben hier Spuren hinterlassen?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Kugeltropfen_hydrophil_hydrophob

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.

 

Verräterische Tröpfchenmuster

Tropfen an FensterSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 44/11 (2013), S. 52 – 53

Auf welchen Wegen fließt Luft an Fenstern entlang? Das lässt sich herausfinden, indem man die Tröpfchenmuster auf einer beschlagenen Scheibe analysiert.

Unentwegt lösten sich Wassertropfen
an der beschlagenen Fensterscheibe;
wie langsam sich verzweigende Blitze
leuchteten die klaren Farben des Wintertags in ihren Bahnen auf, ein zähes Durchdringen der Wirklichkeit.
Thomas Lehr (*1957)

PDF: Verrräterische Tröpfchenmuster

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