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Natur

04.02.2019

Mehr als gefrorenes Wasser: Die Rätsel der Eiszapfen

Eiszapfen sind interessante Gebilde, die nur auf den ersten Blick leicht zu durchschauen sind.
Bild: androsov858 Adobe Stock

Sie sind mal weiß, mal durchsichtig und meist nur von kurzer Dauer: Eiszapfen. Forscher grübeln über die Geheimnisse der kühlen Finger.

Eiszapfen sind interessante Gebilde, die nur auf den ersten Blick leicht zu durchschauen sind. Doch es gibt gleich eine ganze Reihe von Rätseln, die sie der Wissenschaft aufgeben. Einige davon konnten die Forscher inzwischen lösen, andere lassen sich bis heute nicht erklären.

Interessanterweise konnten ausgerechnet den mysteriösen Unterwassereiszapfen, die erst vor wenigen Jahren erstmals gefilmt worden sind, ihre Geheimnisse inzwischen entrissen werden. Dafür grübeln die internationalen Experten bis heute über die Oberflächenbeschaffenheiten nach, die sie nicht wirklich erklären können. Dabei fängt alles so einfach und übersichtlich an, sobald bei frostigen Temperaturen die Sonne zum Vorschein kommt.

Wenn die Sonnenstrahlen nun den Schnee zum Schmelzen bringen, beispielsweise auf einem Dach, läuft das Tauwasser herab. Ist jetzt die Dachrinne aber verstopft oder vielleicht sogar nicht einmal vorhanden, dann tropft das Wasser am Dachüberstand oder auch an der Dachrinne herab. Was nun geschieht, haben japanische Wissenschaftler ausgiebig erforscht.

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Eiszapfen wachsen pro Minute um einen Zentimeter

„Zuerst erstarren die Wassermoleküle an der Oberfläche des Tropfens, die Kontakt mit der kalten Luft haben“, weiß Naohisa Ogawa vom Center for Emergent Matter Science im japanischen Wako, „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. Der Eiszapfen wächst in der Breite sowie auch in der Länge. Unter optimalen Bedingungen kann das Längenwachstum mehr als einen ganzen Zentimeter pro Minute betragen, haben finnische Forscher unter Leitung Lasse Makkonens am Technical Research Centre of Finland herausgefunden.

Marcel Russe kontrolliert das Eis im Hof der Kronenbrauerei in Ulm. Bei eisigen Temperaturen gefrieren über mehrere Tage hinweg bis zu 100 Kubikmeter Wasser zu Eiszapfen.
Bild: Stefan Puchner, dpa

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.

Eiszapfen: Ein Rätsel bleibt ungelöst

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 Rippenbildung 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 atemberaubenden 237.000 Fotos bebildert ist, sondern auch die Erkenntnis, dass für die unebene Oberfläche anscheinend Verunreinigungen des Wassers verantwortlich sind.

Meterlange Eiszapfen hängen tauend an einem Wasserfall. Der Wasserfall in Langenfeld ist mit etwa 15 Metern Fallhöhe der höchste natürliche Wasserfall in Niedersachsen.
Bild: Ole Spata, dpa

Im Labor zeigte sich nämlich, dass die milchigeren Eiszapfen mit ausgeprägter Rippenbildung sich durch eine leichte Salzzugabe künstlich züchten ließen, wohingegen Eiszapfen aus besonders reinem destillierten Wasser „kaum oder sogar gar keine Rippenbildung aufwiesen“. Doch ein Geheimnis konnten die Wissenschaftler den Eiszapfen auch nach all diesen Versuchen nicht entreißen: „Die Rippen haben immer eine universelle Wellenlänge von exakt einem Zentimeter, ganz gleich, was man auch tut“, meint Morris. Fasziniert resümiert er: „Das ist ein echtes Mysterium.“

Noch nicht alle Rätsel um die Eiszapfen gelöst

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“, meint Ogawa.

Bei frostigen Temperaturen und stürmischem Wind haben sich Eiszapfen an einer Steganlage gebildet.
Bild: Ralf Hirschberger, dpa

Wie die Oberflächenstrukturen ihrer Meinung nach im Detail entstehen, konnten die Forscher zwar in ihrer Studie anhand von umfangreichen Formelmodellen erklären, ob sie damit aber auch wirklich richtig liegen, wird zurzeit noch von der internationalen Wissenschaftsgemeinschaft diskutiert. Die Wissenschaft ist den rätselhaften Eiszapfen also dicht auf der Spur, doch wie es den neuesten Forschungen nach aussieht, können sie ihre letzten Geheimnisse wohl erst einmal noch bewahren.

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