Wasser - ein ganz besonderer Saft

GEO-Redakteur Klaus Bachmann über die erstaunlichen Eigenschaften des feuchten Elements. Mit Videos
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Warum ist Wasser blau?
Gefriert heißes Wasser schneller als kaltes?

Warum ist Wasser blau?

Eine häufige Antwort auf diese Frage lautet: weil sich der Himmel in Flüssen, Seen und Meeren spiegelt. Aber selbst an wolkigen Tagen haben Gewässer einen Blauschimmer. Denn Wasser hat - genauso wie Eis - in der Tat eine eigene blaue Färbung. Die wird allerdings erst sichtbar, wenn man durch eine längere Wassersäule blickt. Die Menge in einem Trinkglas reicht dafür nicht aus. Die Ursache für die Tönung liegt im wilden Gezappel der H20-Moleküle: Die an den Sauerstoff gebundenen Wasserstoffatome wackeln auf und ab, hin und her, das Ganze dreht sich wie ein Karussell um die zentrale Achse. Und bestimmte Kombinationen dieser Schwingungen verschlucken 100-mal mehr rotes als blaues Licht. Aus dem Sonnenlicht bleiben deshalb vor allem die blauen Anteile übrig - und erreichen nach Durchlaufen des Wassers das menschliche Auge.

Warum können wir Schlittschuh fahren und Ski laufen?

Als gängigste Erklärung kursiert, dass Eis unter dem Druck der schmalen Schlittschuhkufe schmilzt und der Läufer auf einem dünnen Flüssigkeitsfilm dahin gleitet. Aber diese Vorstellung ist falsch. Der Druck, den ein Mensch selbst bei scharf geschliffenen Kufen ausübt, reicht allenfalls, das Eis bei Temperaturen nahe 0 Grad Celsius schmelzen zu lassen. Kunsteisläufer aber bevorzugen Eistemperaturen um minus 5,5, Eishockeyspieler minus neun Grad. Selbst bei minus 30 Grad ist Schlittschuhlaufen noch möglich, ebenso das Skifahren.

Es muss also eine andere Erklärung geben. Und die führt im wesentlichen zwei Effekte an, die Eis und Schnee rutschig machen: die Reibungswärme, die beim Fahren entsteht, sowie die Existenz eines dünnen Flüssigkeitsfilms, der den Kristall stets überzieht. Die glitsche Hülle entsteht, weil Moleküle nahe der Oberfläche nur noch unvollständig in das sonst starre Netzwerk des Kristalls eingebunden sind. Sie vibrieren heftiger als die H20-Teilchen im Innern des Eises - und verhalten sich trotz Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts praktisch wie in einer Flüssigkeit. Der Flüssigkeitsfilm erklärt auch, warum wir aus Schnee einen festen Ball formen können, aber nicht aus Sandkörnern: Beim Zusammendrücken der Flocken gefriert die Wasserschicht zwischen ihnen und klebt die Kristalle zusammen.

Gefriert heißes Wasser schneller als kaltes?

Das kann nicht sein, werden manche sagen. Das heiße Wasser, so werden sie argumentieren, braucht doch einige Zeit, bis es das kühlere "eingeholt" hat, und dann passiert in beiden Proben das gleiche. Es funktioniert aber doch: In zahlreichen Experimenten hat sich gezeigt, dass Wasser, das zum Beispiel auf 80 Grad Celsius erhitzt wurde, schneller gefriert als Wasser, das vor dem Abkühlen 25 Grad hatte. Schon Aristoteles beschrieb 350 v. Chr. das merkwürdige Phänomen. Auch andere berühmte Naturforscher wie René Descartes und Roger Bacon grübelten darüber nach, wie das sein könne. Nachdem das Problem lange Zeit in Vergessenheit geraten war, lenkte Erasto Mpemba, ein tansanischer Schüler, das Augenmerk der Wissenschaft in den 1960er Jahren wieder auf das bizarre Verhalten.

Mpemba hatte bei Schulversuchen festgestellt, dass Eiscreme schneller fest wurde, wenn er die Mischung vorher erhitzt hatte. Seine Lehrer und Mitschüler mockierten sich über ihn, als er nach Erklärungen fragte, aber er ließ nicht locker und erregte das Aufsehen eines Universitätsprofessors. Dieser wiederholte die Experimente - mit dem gleichen Ergebnis - und veröffentlichte gemeinsam mit dem Schüler einen Artikel in einer Fachzeitschrift.

Seither haben sich viele Physiker dem Mpemba-Effekt - unter diesem Namen firmiert das Phänomen mittlerweile - gewidmet und eine Reihe von Erklärungen vorgeschlagen. Von denen aber keine zufriedenstellend ist. Laut einer der stärksten Hypothesen verliert das heißere Wasser durch höhere Verdunstung an Masse, dadurch muss der Probe weniger Energie entzogen werden, und sie gefriert schneller. In anderen Hypothesen spielen unterschiedliche Konvektionen eine wesentliche Rolle oder Differenzen im Gasgehalt, welche die Eigenschaften des Wassers verändern.

Schlüssige Theorie hin oder her - ungeduldigen Eisfans bleibt der Rat, die Creme zu erhitzen, bevor sie diese in den Gefrierschank stellen.