Warum schwimmt Eis?

Prof. Dr. Andreas Engel antwortete

Wasser dehnt sich im Unterschied zu den meisten anderen Stoffen beim Gefrieren aus. Diese sogenannte Dichteanomalie des Wassers ist für das Zerspringen von Getränkeflaschen, die im Tiefkühlfach vergessen wurden, ebenso verantwortlich wie für die Tatsache, dass Eisberge schwimmen und nicht im Meer versinken.

Die genauen Ursachen dieses ungewöhnlichen Verhaltens, das Wasser mit nur wenigen anderen Stoffen wie z.B. Wismut und Antimon teilt, sind bis heute Gegenstand der Forschung und nicht bis in jede Einzelheit geklärt. Eine wichtige Rolle spielt in jedem Fall das sogenannte Dipolmoment des Wassermoleküls, das durch die leicht negative Ladung des Sauerstoffatoms im Vergleich zu den beiden Wasserstoffatomen entsteht.

Diese polare Struktur des Moleküls ermöglicht sogenannte Wasserstoffbrückenbindungen, die die Wassermoleküle beim kontrollierten Erstarren unter normalen Bedingungen zu einem Kristallgitter ordnen, in dem die mittleren Abstände zwischen den Molekülen etwas gestreckt werden. Das wiederum führt zu einer Abnahme der Dichte.

Obwohl die Dichteabnahme weniger als ein Promille beträgt sind, die Konsequenzen für die Entstehung des Lebens auf der Erde dramatisch. Bei tiefen Temperaturen sorgt die Anomalie des Wassers nämlich dafür, dass die Gewässer nur langsam und von der Oberfläche zum Grund zufrieren. Würde das Eis immer auf den Boden sinken und dabei das noch flüssige Wasser an die Oberfläche spülen, so wären die Seen und Meere relativ schnell komplett bis auf den Grund gefroren. Durch die geringe Dichte verbleibt das Eis jedoch an der Oberfläche und bildet bald eine geschlossene Schicht, durch die Wärme nur noch schlecht transportiert werden kann. Das führt zu einer effektiven Isolation der unteren Wasserschichten von den Temperaturschwankungen an der Oberfläche.

Umgekehrt bedeutet die Volumenzunahme beim Gefrieren auch, dass man Eis durch Druck verflüssigen kann, während Stoffe normalerweise durch Druck verfestigt werden. Das ermöglicht das Wandern der Gletscher auf einem Wasserfilm, der am Ende des Gletschers beim Nachlassen des Drucks sofort wieder gefriert. Entgegen einer weitverbreiteten Annahme spielt dieser Effekt beim Schlittschuhlaufen jedoch nur eine sehr untergeordnete Rolle.

Andreas Engel ist Professor für theoretische Physik an der Universität Oldenburg und beschäftigt sich in seiner Forschungsarbeit mit Fragen der statistischen Physik. Unter anderem untersucht er dabei Unordnungs-Ordnungs-Übergänge in Systemen mit konkurrierenden Wechselwirkungen
und Musterbildung in komplexen Fluiden.

Weitere Fragen und Anmerkungen an: engel(at)theorie.physik.uni-oldenburg.de