Warum wachsen Eiszapfen nie gerade?

Eiszapfen sind interessante Gebilde, die auf den ersten Blick leicht zu durchschauen sind. Doch es gibt gleich eine ganze Reihe von Rätseln, die sie der Wissenschaft aufgeben. Etwa, warum sie niemals gerade wachsen.

Rätselhaft: Eiszapfen bleiben in der Wissenschaft ein noch nicht voll­ständig erforschtes Phänomen.

Rätselhaft: Eiszapfen bleiben in der Wissenschaft ein noch nicht voll­ständig erforschtes Phänomen. Bild: Fotolia

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Wie entstehen eigentlich Eis­zapfen? Die Erklärung des Naturspektakels scheint zunächst simpel. Grundsätzlich braucht es für die Bildung eines Eiszapfens zwei Dinge: frostige Temperaturen und Sonnenschein.

Bringen die Sonnenstrahlen beispielsweise auf einem schrägen Dach den Schnee zum Schmelzen, so läuft das Tauwasser herab. Ist die Dachrinne jedoch verstopft oder gar nicht vorhanden, dann tropft das Wasser an der Dachkante langsam herunter.

Was nun geschieht, haben japanische Wissenschaftler ausgiebig erforscht. «Zuerst erstarren die Wassermoleküle an der Oberfläche des Tropfens, die Kontakt mit der kalten Luft haben», sagt Naohisa Ogawa von der Hokkaido-Universität in Sapporo, «und überziehen den Wassertropfen so mit einer dünnen Eishülle.» Weiteres Wasser, das auf dieser dünnen Eishülle am Zapfen nach unten läuft, gefriert ebenfalls schnell durch den Kontakt mit der kalten Luft.

Nur die schnellsten Tröpfchen schaffen es nach unten

Der Eiszapfen wächst in die Breite so wie auch in die Länge. Unter optimalen Bedingungen kann das Längenwachstum mehr als einen Zentimeter pro Minute betragen, haben finnische Forscher unter Leitung Lasse Makkonens am Technical Research Centre of Finland herausgefunden.

Dass sich der Eiszapfen nach unten hin verjüngt und über eine breitere Basis verfügt, erklären sich die Wissenschaftler damit, dass manche Wassertropfen es je nach Witterung einfach nicht schaffen, bis ans Ende des Zapfens vorzudringen, sondern schon vorher festfrieren.

Was den Experten allerdings ein Rätsel ist: Eiszapfen wachsen niemals kerzengerade, ihre Oberflächen zeichnen sich durch mehr oder weniger stark ausgeprägte Wellenstrukturen aus, die sich bis zur deutlichen Rippel­bildung steigern können.

Ein internationales Wissenschaftlerteam hat sich dieses Phänomens angenommen. Stephen Morris von der Universität Toronto und Antony Chen vom Southern Alberta Institute of Technology in Calgary züchteten im Labor unzählige künstliche Eiszapfen, deren Entstehungsprozesse sie genau dokumentierten und fotografierten.

Herausgekommen ist dabei nicht nur ein einzigartiger Eiszapfenatlas, der mit 237 000 atemberaubenden Fotos bebildert ist, sondern auch die Erkenntnis, dass für die unebene Oberfläche anscheinend Verunreinigungen des Wassers verantwortlich sind.

So zeigte sich im Labor, dass die milchigeren Eiszapfen mit ausgeprägter Rippelbildung sich durch eine leichte Salzzugabe künstlich züchten liessen, wohingegen Eiszapfen aus besonders reinem destilliertem Wasser «kaum oder sogar gar keine Rippelbildung aufwiesen».

Forscher: «Das ist ein echtes Mysterium»

Doch ein Geheimnis konnten die Wissenschaftler den Eiszapfen auch nach all diesen Versuchen nicht entreissen: «Die Rippel haben immer eine universelle Wellenlänge von exakt einem Zentimeter, ganz gleich, was man auch tut», sagt Morris.

Fasziniert re­sümiert der Forscher: «Das ist ein echtes Mysterium.» Naohisa Ogawa und sein Team wollten sich damit nicht zufriedengeben und stellten ihre eigenen Nachforschungen über die mysteriösen Oberflächenstrukturen an.

Die japanischen Forscher fanden bestätigt, dass die Wellenlänge «typischerweise einen Zentimeter» beträgt und dass «solche Wellen entstehen, wenn nur etwa 0,1 Millimeter dünne Wasserfilme den Eiszapfen herabfliessen».

«Interessanterweise ist dies aber unabhängig von der Aussentemperatur, der Eiszapfendicke und auch von der Menge des am Eiszapfen herabfliessenden Wassers», sagt Ogawa.

Wie die Oberflächenstrukturen im Detail entstehen, konnten die Forscher in ihrer Studie anhand von umfangreichen Formelmodellen zwar erklären, ob sie damit aber wirklich richtig liegen, wird zurzeit noch von der internationalen Wissenschaftsgemeinschaft diskutiert. (Berner Zeitung)

Erstellt: 10.01.2017, 11:40 Uhr

So entstehen Unterwassereiszapfen

Eiszapfen können sich sogar unter Wasser bilden. Das Phänomen wurde erst vor wenigen Jahren von BBC-Kameraleuten eingefangen. Die Entstehungsprozesse ähneln jenen der normalen Eiszapfen an der Dach­rinne, unterscheiden sich in gewissen Punkten aber dennoch von ihnen. Unterwassereis­zapfen können immer dann entstehen, wenn Meereis gefriert.

Das Salz wird nämlich nicht in das Kristallgitter des Eises mit eingebaut, sondern sammelt sich in einer extrem salzhaltigen Flüssigkeit, der sogenannten Sole. Diese gefriert aufgrund des hohen Salzgehaltes nicht, weist aber dank hohen Salzgehaltes und hohen Kältegrades der Flüssigkeit eine grosse Dichte auf, ist also relativ schwer. Das schwere, extrem salzhaltige und sehr kalte Wasser sinkt nun zum Meeresboden ab.

Dabei gefriert das Meerwasser, das direkten Kontakt mit der zu Boden strömenden Sole hat, zu Eis und ­bettet diese praktisch in eine Eishülle. So entsteht unter Wasser ein Eiszapfen, der mit eiskaltem Salzwasser gefüllt ist.

Erreicht er nun durch sein Wachstum nach einer gewissen Zeit den Meeresboden, wird alles augenblicklich schockgefrostet, was sich in seiner Nähe am Meeres­boden befindet, sogar Meerestiere wie etwa Seesterne. Ein Unterwassereiszapfen ist also durchaus gefährlich und po­tenziell tödlich für alle Meeres­organismen in seiner Nähe.

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