Eis
| left|25px|Begriffsklärung | Dieser Artikel beschäftigt sich mit Eis als Aggregatzustand des Wassers, für das Lebensmittel siehe Speiseeis |
| 220px|thumb|Eiszapfen an einer Berghütte |
| 220px|thumb|Eis in einer Wasserpfütze |
| [[Bild:Snow crystallization in Akureyri 2005-02-26 19-03-37.jpeg|220px|thumb|Kristallisation von Eis bei hoher Luftfeuchtigkeit]] |
| 220px|thumb|Eis am Wasserfall |
| 220px|thumb|Gletscher in der Antarktis |
Eis ist der umgangssprachliche Begriff für gefrorenes Wasser und damit ein transparenter, kristalliner Festkörper. Es ist uns in den verschiedensten Erscheinungsformen vertraut, vom Hagelkorn über den Eiswürfel bis zum Gletscher. Zudem spielt es eine wichtige Rolle bei zahlreichen meteorologischen Phänomenen. Die Eiskappen der Polarregionen sind von großer Bedeutung für das globale Klima und speziell den Wasserkreislauf, wobei hierin auch die entscheidende Bedeutung des Wassers für die Biosphäre eine Rolle spielt. Eis hat bemerkenswerte physikalische Eigenschaften, die noch nicht abschließend erforscht sind.
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Entstehung und Vorkommen
Die Wissenschaft von den irdischen Eisvorkommen und deren Eigenschaften nennt man Glaziologie.
Wetterphänomene
Reif und Rauhreif entstehen bei kaltem Wetter und hoher Luftfeuchtigkeit durch Resublimation (direkter Übergang vom gasförmigen in den kristallinen Zustand) des atmosphärischen Wasserdampfs. Graupel und Hagel besteht aus rundlichen Eiskörnern. Sie bilden sich in Gewitterwolken aus Wassertröpfchen, welche in tiefen Wolkenschichten kondensieren und dann durch Aufwinde in höhere, kältere Luftschichten transportiert werden, wo sie dann gefrieren. Größere Hagelkörner sind oft Zusammenballungen kleinerer Eispartikel und durchlaufen in ihrer Enstehungsgeschichte mehrmals den Prozess des Aufstiegs durch Winde und des Absinkens durch ihre Gewichtskraft. Schnee besteht aus mehr oder weniger filigran verästelten Eiskristallen. Schneeflocken bilden sich durch langsames Anlagern und Gefrieren von feinsten Wassertröpfchen an einen Kristallisationskeim (z. B. Staubteilchen).
Gletscher
Eine frische Schneedecke („Neuschnee“) ist sehr locker geschichtet und hat einen Luftanteil von bis zu 95%. Durch Temperaturschwankungen und Druckbelastung werden die Eiskristalle im Laufe der Zeit abgerundet und dichter gepackt. Wächst die Schneedecke über Jahre hinweg weiter an, entsteht ein Gletscher: Die unteren Schneeschichten werden durch den zunehmenden Druck mehr und mehr verdichtet und die einzelnen Kristalle verklumpen zusehends. Schließlich kann der Druck so groß werden, dass das Eis plastisch fließen kann. Gletscher sind im Hochgebirge und in arktischen Regionen zu finden. Der antarktische Kontinent ist fast völlig von Gletschern bedeckt.
Schelfeis, Eisberge und Meereis
thumb|300px|right|Eisberge mit Bogen
Eis schwimmt im Wasser an der Oberfläche, ohne unterzugehen. Dies liegt an der geringeren Dichte, die es gegenüber flüssigem Wasser besitzt. Dauerhaft mit dem Festland verbundene Eisflächen werden Schelfeis genannt. Die Schelfeisflächen werden meist durch fließende Gletscher gespeist. Eisberge sind von Gletschern abgebrochene (gekalbte) Eismassen.
Bei der Kristallisation von Meerwasser entsteht sogenanntes Meereis; dabei wird das Salz an das Meer abgegeben oder sammelt sich in Sole(Salz)-Einschlüssen (Eis selbst ist immer festes Süßwasser). Je nach Größe und Zusammenballung des Eises unterscheidet man Nadeleis, Grieseis, Pfannkucheneis, Eisschollen und Packeis. Eine natürliche eisfreie Fläche, die jedoch vollständig von Packeis umgeben ist, heißt Polynya. Künstliche, in das Eis geschlagene Rinnen und Löcher werden Wuhnen genannt.
Eis, welches sich ausnahmsweise wegen seiner Entstehungsgeschichte am Boden eines Gewässers befindet, wird Grundeis genannt.
Eisverhältnisse auf Meeresgebieten werden mit einem internationalen Ice Code bezeichnet:
- 0: No ice; kein Eis, eisfrei
- 1: Slush or young ice; Schlamm- oder Neueis (junges Eis)
- 2: Fast ice; Festeis
- 3: Drift ice; Treibeis, Eisstoß
- 4: Packed slush or strips of hummocked ice; zusammengepacktes Schlammeis oder Höckereisstreifen (Eishöckerstreifen)
- 5: Open lead near shore; offene Eisrinne (durchgehende Fahrrinne im Eis) nahe der Küste
- 6: Heavy fast ice; starkes Festeis
- 7: Heavy drift ice; starkes Treibeis
- 8: Hummocked ice; Höckereis, Eishöcker (über das glatte Eis sich erhebende Eispyramiden), aufgepresstes Eis
- 9: Ice jamming; Eisblockierung
Vorkommen im Sonnensystem
Eisvorkommen wurden in unserem Sonnensystem nachgewiesen in Kometen, auf dem Mars und auf einigen Monden der äußeren Planeten.
Von zahlreichen Kometen ist bekannt, dass sie zu einem Großteil aus Wassereis bestehen, weshalb sie auch hin und wieder als „Schmutzige Schneebälle“ tituliert werden. Es wird spekuliert, dass ein Großteil der irdischen Wasservorkommen auf ein langanhaltendes Bombardement der noch jungen Erde durch Kometen zurückgeht.
Außer der Erde ist Mars der einzige Planet, auf dem Eisvorkommen nachgewiesen sind. Neben den Polkappen, die zweifelsfrei zu einem Teil aus gefrorenem Wasser bestehen, gibt es möglicherweise auch in anderen Regionen Eisvorkommen, und zwar als Permafrost in tieferen Bodenschichten.
Von einigen Monden der äußeren Planeten ist bekannt oder wird vermutet, dass sie von einer Eiskruste bedeckt sind. Beispiele sind die Jupitermonde Europa, Ganymed und Kallisto, der Neptunmond Triton, sowie Charon, der einzige bekannte Mond Plutos.
Es ist möglich, dass auf dem Erdenmond in den Polregionen am Grund tiefer Krater Eisvorkommen als Relikte von Kometeneinschlägen überlebt haben. Solche Vorkommen wären wichtige Wasser- und Sauerstoffquellen für künftige Mondbasen.
Physikalische Eigenschaften
Modifikationen
300px|thumb|Phasendiagramm Eis Natürliches Eis bildet hexagonale Kristalle, das heißt sechs Wassermoleküle schließen sich jeweils zu einem Ring zusammen und dieser Ring hängt auf allen Seiten wieder mit Sechserringen zusammen. Die Struktur kann man schon bei Betrachtung einer Schneeflocke erkennen. Es wird mit Eis Ih bezeichnet. Unter -22 °C und über 207,5 MPa bilden sich jedoch noch andere, zum Beispiel kubische Eisformen aus. Bisher sind 18 (Stand Januar 2004) verschiedene Formen bekannt, 13 kristalline und 5 amorphe, also Formen ohne Kristallstruktur. Die 13 kristallinen heißen Ih, Ic, sowie II bis XII.
Erstarrungsvorgang
Die Bildung von Eis wird durch Kristallisationskeime erleichtert, also Verunreinigungen, Staubpartikel u. ä., an denen sich die kristallisierenden Wassermoleküle anlagern können. Fehlen diese, ist das Wasser also sehr rein und sind die Mengen klein, so kann es bis zu -23 °C abgekühlt werden, ohne fest zu werden. Dieser Vorgang heißt allgemein Unterkühlung und ist eine der vielen Anomalien des Wassers. In unterkühltem Wasser besitzen die Moleküle eine vom Normalfall abweichende Nahordnung, und es bilden sich Ikosaederstrukturen aus („(H2O)280“).
Schmelzpunkt
Der Schmelzpunkt (und damit auch der Gefrierpunkt) von normalerweise Null Grad kann durch bestreuen mit Salzen (Streusalz) erniedrigt werden. Dies ist eine kolligative Eigenschaft. Das bedeutet, dass der Effekt unabhängig vom gelösten Stoff ist, es könnte also zum Beispiel auch Zucker verwendet werden. Zusätzlich kann auch die Lösungswärme eines Stoffes das Eis zum Schmelzen bringen, was jedoch eher ein zweitrangiger Effekt ist. Entscheidend hierfür ist, dass der hinzugegebene Stoff im festen Lösungsmittel unlöslich ist. Erreicht wird dieser Effekt durch die Erniedrigung des chemischen Potenzials der Flüssigphase. Dieser Effekt erzeugt gleichzeitig eine Siedepunkterhöhung des Wassers.
Farbe
Eis ändert seine Farbe mit dem Luftgehalt und kann so auch in unterschiedliche Gruppen eingeteilt werden. Eis, das viel Luft enthält, ist weiß, solches, das wenig Luft enthält, ist durchsichtig und blau oder grün.
Eis und Schnee reflektieren das Sonnenlicht. Innerhalb der Erdatmosphäre verursachen Eispartikel damit Lichtsäulen. (Die verwandten Halos entstehen dagegen durch Brechung des Lichts in Eiskristallen!). Astronomisch und geophysikalisch sind Eis und Schnee häufig Verursacher einer hohen Rückstrahlung eines Gegenstandes.
Anomalien
Wasser weist zahlreiche Anomalien auf. Das sind Eigenschaften, die vom erwarteten Regelfall abweichen. Einige Anomalien sind für seinen festen Zustand, als Eis, von Bedeutung:
- Eis ist weniger dicht, also leichter als Wasser, damit schwimmt es auf dem Wasser. Zu dieser Dichteanomalie kommt es, da die Wassermoleküle im hexagonalen Gitter einen größeren Abstand zueinander haben, als im flüssigen, ungeordneten Zustand.
- Im Phasendiagramm hat Wasser mehr feste Modifikationen als jeder andere Stoff: 13 kristalline, 5 amorphe, sowie 1 flüssige, 1 superkritische und 1 gasförmige. Das Phasendiagramm enthält 11 Tripelpunkte - ein weiterer nicht beweisbarer Tripelpunkt bei 0 K kann vermutet werden - und 2 Kritische Punkte.
- Wasser ermöglicht in höherem Maße Unterkühlung als andere Stoffe: Auch unter natürlichen Bedingungen kann es bis -23 °C flüssig bleiben.
- Wasser hat einen zweiten kritischen Punkt bei -91 °C.
- Unterkühltes Wasser hat zwei Phasen (ES und CS) und existiert unter künstlichen Bedingungen (sehr hohe Drücke) auch bei Temperaturen von bis zu -149 °C.
- Als Wasserglas wird ein Zustand bezeichnet, in dem festes glasiges Wasser wie eine Flüssigkeit erscheint, nur können sich die Moleküle darin nicht gegeneinander verschieben. Physiker in Kanada entdeckten dies etwa 1985, als sie bei minus 200 Grad auf einen Eisklotz drückten. Mittlerweile sind drei Glaswässer bekannt, zwei sehr dichte und eines, das auf flüssigem Wasser schwimmt.
- Heißes Wasser gefriert schneller als kaltes Wasser (Mpemba-Effekt)
- Erhöhter Druck setzt den Schmelzpunkt von Wasser herab, anstatt ihn heraufzusetzen (siehe Phasendiagramm). Pro Bar Druckanstieg sinkt der Schmelzpunkt um ca. 0,0077°C. Dies wird auch als Druckaufschmelzung bezeichnet.
- am 25. Mai 2005 wurde die Beobachtung gemeldet, daß Magnetfelder - wenn auch nur in sehr geringem Maße, den Schmelzpunkt verändern. Vermutet wird, daß das Magnetfeld indirekt die Wasserstoffbrücken der Wassermoleküle stärkt. So steige bei einem Magnetfeld von sechs Tesla der Schmelzpunkt bei Wasser um 5,6 Tausendstel Grad und bei schwerem Wasser um 21,8 Tausendstel Grad. [1]
Nutzung und Behinderung
thumb|Eiszapfen
Schon die Römer nutzten Gletschereis zur Kühlung von Speisen und zur Herstellung von Erfrischungsgetränken. Diese Nutzung war allerdings den Reichen vorbehalten.
Im 19. Jahrhundert begann in Nordamerika die kommerzielle Nutzung von Wintereis, zunächst als Luxusgut für Menschen in tropischen Ländern, später auch als Massengut für den Hausbedarf. "Eismänner" brachte Eisblöcke, mittels derer verderbliche Nahrungsmittel länger frisch gehalten werden konnten. Mit der Elektrifizierung und Einführung des Kühlschranks fand dieses Gewerbe sein Ende. Heute wird fast das gesamte vom Menschen zu Speisezwecken genutzte Eis von Kältemaschinen oder in Kühlschränken hergestellt.
Speiseeis ist dagegen eine aus Fruchtsäften oder Milchmixgetränken hergestellte Schneemasse oder Eisschlamm, da kompaktes Eis zu Erfrierungen der Zunge führen würde.
Da die Oberflächen von Eis und Schnee eine Schicht nur schwach gebundener Wassermoleküle besitzen, ist die Reibung auf einer Eis- oder Schneefläche gering. Dadurch sind Wintersport (Eislauf, Skifahren, Schlittenfahren) oder Schlitten als Transportmittel erst möglich.
Zugefrorene Wasserflächen können einerseits die Schifffahrt behindern, andererseits aber auch Transportwege verkürzen, indem Land-Transporte direkt über die Wasserfläche geführt werden können, zum Beispiel auf dem Baikalsee.
Behindernd wirken Eisvorkommen vor allem auf den Verkehr in Form von Packeis für die Schifffahrt (siehe auch Eisbrecher), als glatter Eisfilm auf Straßen (siehe auch Schneeketten), Fußwegen oder an Flugzeugen, sowie als Schneewehen bei allen Land-Verkehrsträgern. Eisblumen an Fensterscheiben behindern die Sicht. Auch Bauvorhaben können durch Verfestigungen des Bodens durch Eis behindert werden.