Eis

1

Einleitung

Eis, im allgemeinen Sinn Wasser im festen Aggregatzustand – gefrorene Zustände anderer Substanzen, wie beispielsweise Kohlendioxid, werden ebenfalls kurz als Eis bezeichnet. Eis bildet sich aus Wasser durch Gefrieren bei einer Temperatur von 0 °C und Normalluftdruck. Durch diesen Vorgang entsteht eine Kristallstruktur aus tetraedrisch miteinander verknüpften Wassermolekülen. (Zum Thema Speiseeis siehe Eiskrem.)

2

Eigenschaften

Beim Gefrieren dehnt sich Wasser aus: Eis besitzt bei 0 °C die spezifische Dichte von 0,9168 – während bei der gleichen Temperatur noch flüssiges Wasser eine Dichte von etwa 0,9998 aufweist. Physikalischer Hintergrund für dieses Phänomen sind u. a. unterschiedliche Anordnungen und Packungseffekte der Wassermoleküle im flüssigen und im festen Zustand. Gerade seine geringere Dichte bewirkt, dass Eis in Wasser schwimmt.

Die Gefriertemperatur wird in geringem Umfang vom äußeren Druck beeinflusst. Beim 100fachen des normalen Atmosphärendruckes liegt der Schmelzpunkt von Eis nur etwa 1 °C unter dem Schmelzpunkt bei Normaldruck. Bei noch höheren Drücken kann das Eis in unterschiedlichen allotropen Modifikationen (verschiedene Formen eines Elements im gleichen physikalischen Zustand) vorliegen. Die wichtigsten von ihnen sind Eis I (gewöhnliches Eis), Eis II, Eis III sowie Eis V bis Eis VII. Insgesamt kennt man derzeit zwölf verschiedene Eismodifikationen. Einige von ihnen sind metastabil, d. h., sie wandeln sich in andere Modifikationen um. So kann sich beispielsweise das Anfang 1998 entdeckte Eis XII in die weniger dichte Modifikation Eis IV umwandeln. Sämtliche allotropen Eismodifikationen haben eine höhere Dichte als Wasser; ihre Schmelzpunkte steigen bei Druckerhöhung an.

Die Ausdehnung des Wassers beim Gefrieren ist in der Natur von Bedeutung. Wasser, das beispielsweise in winzige Gesteinsspalten eindringt, übt beim Gefrieren einen gewaltigen Druck auf seine Umgebung aus. Es ist in der Lage, Gesteine zu spalten oder zu brechen. Diese Wirkung von Eis spielt bei der Erosion eine große Rolle.

Vereinfacht dargestellt läuft beim Gefrieren von Wasser folgendes ab: Sinkt die Temperatur an der Oberfläche eines offenen Wasserkörpers auf den Gefrierpunkt, so erniedrigt sich beim Abkühlen auch die Dichte des Oberflächenwassers. Es sinkt nach unten und wird durch das darunterliegende wärmere Wasser ersetzt. Schließlich erreicht der gesamte Wasserkörper eine einheitliche Temperatur von 4,0 °C. Bei dieser Temperatur hat Wasser die größte Dichte (Anomalie des Wassers). Wird das Wasser weiter abgekühlt, erniedrigt sich seine Dichte wieder. An der Oberfläche bildet sich Eis. Aufgrund dieser Dichteunterschiede gefrieren Wasserkörper von oben nach unten anstatt von unten nach oben.

In Flüssen bildet sich Eis auch manchmal unter der Oberfläche. Die Oberfläche eines schnell fließenden Wasserlaufes kann sich in kalten Winternächten unter 0 °C abkühlen. Derart unterkühltes Wasser ergibt beim Vermischen mit den darunterliegenden wärmeren Schichten eine lockere Masse von Eiskristallen (Sulzeis oder Eisbrei), die flussabwärts schwimmt. Diese Sulzeismassen können – wenn sie sich unter dem Oberflächeneis in ruhigerem Wasser befinden – einen Wasserlauf dämmen und Überschwemmungen verursachen. Eine andere Form von unter der Oberfläche liegendem Eis ist Grundeis, das sich um Steine in Flussbetten bildet. In kalten Nächten kann von den Steinen so viel Wärme abgegeben werden, dass sie kalt genug sind, um das sie umspülende Wasser gefrieren zu lassen. Werden die Steine tagsüber von der Sonne wieder erwärmt, können sich die Grundeismassen lösen und zur Oberfläche des Wasserlaufes aufsteigen.

Siehe Schnee

3

Eisberge

Reichen Gletscher oder Eisstücke ins Meer hinein, so werden durch die Bewegung des Eises immer wieder Teile davon in das Wasser geschoben, das ja tiefer ist als die Dicke des Gletschereises. Brechen dann Stücke vom Ende des Gletschers ab, so bilden sie die schwimmenden Eismassen, die man als Eisberge kennt. Eisberge sind oft von gewaltiger Größe und können 90 bis 150 Meter über die Meeresoberfläche hinausragen. Dabei befinden sich etwa 90 Prozent der Eisbergmasse unter der Wasseroberfläche. In arktischen und antarktischen Gebieten findet man häufig Eisberge; sie werden durch Meeresströmungen, besonders im Nordatlantischen Ozean, in niedere Breiten getragen. Die Eisberge im Nordatlantik stammen überwiegend von den Gletschern Grönlands; sie wurden schon bis zu 3 200 Kilometer von ihrem Entstehungsort entfernt gesichtet. Nach dem Untergang der Titanic richteten 16 Nationen eine Eisbergpatrouille im Nordatlantik ein. Diese spürt heute unter dem Namen International Ice Patrol Eisberge auf und meldet deren Position an Schiffe weiter.