- So ein kleiner Teich hat es im Winter schwer - Hannelore Dittmar-Ilgen
Das Molekül, das am häufigsten in belebten Systemen vorkommt, ist das Wassermolekül. Zellen mit aktivem Stoffwechsel enthalten zwischen 60 und 90 % Wasser. Wasser ist also die Grundsubstanz, in der alle anderen in belebten Systemen vorkommenden Moleküle gelöst oder verteilt sind. Dies ist durch die lockere Struktur des Wassers möglich, Wasser ist ein ausgezeichnetes Lösungsmittel für viele Verbindungen, sowohl organische Moleküle als auch Salze.
Wassermoleküle schieben sich zwischen die Ionen, wodurch diese im Wasser gleichmäßig verteilt werden. In der Regel bildet sich um die Ionen ein Mantel mit orientierter Wasserstruktur. Diese Hüllen spielen beim Transport der Ionen durch Membranen lebender Zellen eine große Rolle. Nur durch seine ausgefallene Struktur bedingt können Wassermoleküle in viele Stoffwechselprozesse einbezogen werden.
Temperaturschichtungen in einem Teich
Eine andere Bedeutung für das Leben auf der Erde kommt dem Wasser bei der Temperatur- und Klimaregelung zu. Schon allein die Tatsache, dass Eis eine geringere Dichte als Wasser hat und daher auf dem Wasser schwimmt, wirkt sich enorm auf das Leben aus. Ohne diese vertraute Erscheinung wäre Leben höchstens an einigen tropischen Stellen der Erde möglich bzw. hätte sich nur dort von Lebensformen im Wasser ausgehend entwickeln können.
Dies wird bereits bei der Temperaturschichtung in einem See oder Teich deutlich. Im Sommer nimmt das Wasser je nach Erwärmung seiner Oberfläche durch die Sonne eine Temperaturschichtung an, bei der sich die tiefsten Temperaturen am Grund des Sees befinden: Das Wasser mit der größten Dichte, also der niedrigsten Temperatur, befindet sich dort. Jeder Badende kennt das Gefühl, mit den Beinen in kühlerem Wasser zu stehen.
Wasser ist bei 4 °C am dichtesten – Konvektion setzt ein
Bei den einsetzenden kälteren Lufttemperaturen im Herbst kühlt sich nun das Wasser an seiner Oberfläche immer mehr ab, bis es dort schließlich den Anomaliepunkt, nämlich 4° C erreicht. Bei dieser Temperatur ist Wasser am dichtesten, im Gegensatz zu allen anderen Flüssigkeiten. Das Oberflächenwasser sinkt dann ab, es ist ja „schwerer“ als das übrige Wasser. An seine Stelle tritt wärmeres Wasser aus der Tiefe, eine Konvektionsströmung im Teich beginnt.
Der Umwälzprozess dauert an, bis der ganze See eine (etwa) einheitliche Temperatur von 4 °C hat. Solche Wasserdurchmischungen lassen sich im Spätherbst (und auch im Frühjahr) in Seen und Teichen beobachten. Sie führen unter anderem auch zu einer Umverteilung der vorhandenen Nährstoffe im Teich und zur Anreicherung von Tiefenwasser mit Luft, beides wichtige Prozesse.
Eis isoliert den Teich im Winter
Wird das Wasser nun bedingt durch winterliche Lufttemperaturen an seiner Oberfläche noch kühler, so findet kein Absinken mehr in tiefere Bereiche statt. Denn unterhalb von 4 °C dehnt sich das Wasser ja wieder aus, nimmt also eine geringere Dichte ein und verbleibt somit als Schichtung über dem darunter liegenden Wasser von 4 °C. Eine weitere Temperaturabsenkung ist also nur noch an der Oberfläche möglich. Bei Frostwetter wird es dort so kalt, dass das Wasser gefriert und der See ist völlig mit Eis bedeckt. Bei anhaltendem Frost kühlen sich natürlich auch die darunter liegenden Wasserschichten weiter ab, die Eisschicht wird dicker.
Die entstandene Eisdecke ist aber ein guter Isolator für das darunter liegende Wasser und verzögert daher die weitere Abkühlung des Teichs. Außerdem ist die weitere Abkühlung am Grund des Sees nur noch durch Wärmeleitung, nicht aber durch Konvektion, möglich. Wasser ist aber ein schlechter Wärmeleiter, so dass die kurze Zeit des mitteleuropäischen Winters nicht ausreicht, einen tiefen See bis zum Grund gefrieren zu lassen. Trotzdem: Flache Teiche und Pflanzgefäße, die Wasser enthalten, frieren im Winter völlig durch. Damit also Wasserlebewesen den Winter überstehen, muss der Teich eine bestimmte Mindesttiefe haben, nämlich etwa 70 cm, ein Wert, den alle Teichbauer kennen. Sehr tiefe Seen und die Weltmeere haben das ganze Jahr über am Grund eine Temperatur von 4 °C und bilden damit ein Rückzugsgebiet für das Leben.
Ein Teich aus Alkohol – aber ohne Leben
Wie wichtig die Anomalie des Wassers ist, wird schnell in einem Gedankenexperiment klar. Folgen Sie einmal der interessanten Überlegung, einen kleinen Teich mit einer anderen Flüssigkeit, z.B. Alkohol zu füllen. Nähert sich die Außentemperatur dem Gefrierpunkt des "Ersatzwassers", so beginnt der Teich von unten her zu erstarren, denn die oberflächlich abgekühlte Flüssigkeitsschicht würde wegen ihrer größeren Dichte stets nach unten sinken. Und auch gefrorener Alkohol ist schwerer als flüssiger, er sinkt und bleibt am Grund des Modellteiches liegen. Der Vorgang setzt sich fort, bis der Kunstteich vollkommen durchgefroren ist. Ein Glück für die im Wasser lebenden Tiere, dass sich Wasser da ganz anders verhält.
Speicherseen, die zur Wasserversorgung oder Stromerzeugung dienen, und Schifffahrtswege können auf einfache Art eisfrei gehalten werden. Auf den Grund werden Rohre gelegt mit kleinen Öffnungen, durch die Druckluft gepumpt wird. Sogar wenn die Oberfläche schon eine dünne Eisschicht hat, bringen die aufsteigenden Luftblasen das Eis zum Schmelzen, da die Luft das bodennahe, 4-Grad-warme Wasser mit nach oben reißt. Diese Methode wird vor allem in Schweden realisiert, wodurch viele Fährverbindungen auch in den Wintermonaten aufrecht erhalten werden.
Wasser reguliert das Klima
Die Eigenschaften des Wassers beeinflussen auch das Klima auf der Erde nachhaltig und gestalten es lebensfreundlich. Bedingt durch seine hohe spezifische Wärme (gegenüber anderen Flüssigkeiten) ist Wasser ein guter Wärmespeicher, das heißt, es ändert seine Temperatur auch bei Zufuhr oder Abgang großer Wärmemengen nur wenig. Deshalb stellen die großen Ozeane auf der Erde einen riesigen Speicher für die von der Sonne eingestrahlte Energie dar. Ohne diese Speicherwirkung wären nicht nur die Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht größer, sondern auch zwischen Sommer und Winter, vor allem für Länder am Meer.
Das Kontinentalklima dagegen zeichnet sich nämlich durch trocken-heiße Sommer und schneereiche, bitterkalte Winter aus. Die relativ geringe Wärmekapazität z.B. von Sand zeigt sich in der Wüste, wo es tagsüber durch die Sonneneinstrahlung unerträglich heiß werden kann, nachts aber so schnell abkühlt, dass die Luft empfindlich kalt wird. Auch kleinere Gewässer üben diese ausgleichende Wirkung auf das Klima aus. Und zusätzlich zur Wirkung als Wärmespeicher wird beim Gefrieren der Gewässeroberfläche im Winter die Erstarrungsenergie frei, die die weitere Abkühlung des Wassers verlangsamt und für mildere Winter in Landschaften mit zahlreichen Seen sorgt.
Quellen und weiterführende Literatur:
- Der Text wurde teilweise dem Buch „Warum platzen Seifenblasen“ der Autorin entnommen.
- Auch bei geplatzten Flaschen und Wasserrohren geht es um eine Anomalie des Wassers - bei der Eisbildung.
- Und seltsam sind natürlich auch Kältemischungen, die entstehen, wenn man z.B. auf Eis Salz streut.
- Selbst "einfache" Schneeflocken bergen so manches Geheimnis.
Bildnachweis: © Hannelore Dittmar-Ilgen
Dr. Hannelore Dittmar-Ilgen - Physikerin, Wissenschaftsjournalistin, Buchautorin, Mathe-Erklärerin, Hobbybäckerin und... Physikhexe. Und so schreibe ich ...
