Wenn im Winter die Temperaturen unter den Gefrierpunkt fallen, bietet sich uns nach einiger Zeit ein altbekanntes Bild: Pfützen, Tümpel und Teiche frieren zu, auf Flüssen treiben kantige Schollen, und mancher See wird gar von einer dicken Schicht aus Eis bedeckt. Doch so vertraut dieser Anblick auch anmutet: Dass Eis schwimmt – ein Feststoff also auf einer Flüssigkeit treibt –, ist rein physikalisch ein höchst skurriler Vorgang.
Denn Wasser verhält sich beim Gefrieren anders als andere Flüssigkeiten. Normalerweise sind Stoffe in festem Zustand stets schwerer als im flüssigen; so sinkt gefrorener Alkohol zu Boden, wenn man ihn in ein Gefäß voll flüssigem Alkohol gibt.
Um zu verstehen, weshalb Wasser da eine Ausnahme bildet, muss man betrachten, was genau beim Gefrieren auf der Ebene seiner Moleküle geschieht.
Ist ein Stoff flüssig, besitzen diese winzigen Teilchen derart viel Energie, dass sie ständig in Bewegung sind. Da sich die Moleküle jedoch (wie winzige Magnete) gegenseitig anziehen, halten sie immer wieder Kontakt zu benachbarten Molekülen – schwirren also nicht gänzlich frei durch den Raum, sondern vielmehr umeinander; sie gehen gewissermaßen immer wieder auf Tuchfühlung.
Im Eis liegen die Moleküle weiter auseinander als im flüssigen Wasser
Je kälter es wird, desto mehr Energie büßen die Teilchen ein, desto langsamer bewegen sie sich. Und desto näher rücken sie aufgrund der gegenseitigen Anziehungskraft zusammen. Ab einer bestimmten Temperatur übertreffen die Anziehungskräfte schließlich den Bewegungsdrang der Teilchen: Die Flüssigkeit erstarrt nun zum Festkörper, in dem die Moleküle dicht an dicht eine geordnete Struktur bilden. Aufgrund dieser neuen, höheren Dichte sind Stoffe im festen Zustand daher in der Regel schwerer als im flüssigen.
Auch die Wassermoleküle (H2O) kommen einander immer näher, je tiefer die Temperatur sinkt. Doch bei null Grad Celsius – wenn Wasser zu Eis gefriert – geschieht Erstaunliches: Die Wasserteilchen vernetzen sich zu einem dreidimensionalen Gerüst, in dem die nun geordneten Moleküle ein wenig weiter auseinanderliegen als zuvor. Dieses Phänomen gründet auf der einzigartigen Mikrostruktur der Wassermoleküle.
Seiner Form nach gleicht jedes der H2O-Teilchen einem Gebilde mit einer Spitze und zwei Schenkeln. Im flüssigen Zustand wirbeln diese v-förmigen Teilchen ungeordnet umeinander, können sich auf unterschiedlichste Weise beinahe beliebig nahekommen. Friert das Wasser nun zu Eis, vermögen sich die H2O-Teilchen aufgrund ihrer außergewöhnlichen Struktur nur in einem ganz bestimmten Muster anzuordnen: Mit einem Mal verbindet sich jeder Schenkel eines Moleküls mit der Spitze eines anderen Moleküls. Auf diese Weise entsteht ein kristalliner Festkörper, der um neun Prozent voluminöser ist als Wasser in seiner flüssigen Form.
Physikalisch betrachtet, hat Eis also eine geringere Dichte, ist leichter als flüssiges Wasser. Und schwimmt folglich oben. Durch seine Ausdehnung kann gefrierendes Wasser ungeheure Kraft entfalten. Dies zeigt sich unter anderem dann, wenn im Winter Wasserleitungen platzen. Oder Gesteinsbrocken zersprengt werden, weil sich in ihren Ritzen Feuchtigkeit in Eis verwandelt.
Ein Effekt mit Tragweite: Über Jahrmillionen erodierten ganze Gebirge unter dem Druck des Eises. Die einzigartige Volumenzunahme hat obendrein eine enorme biologische Bedeutung, denn sie stellt das Überleben zahlreicher Tier- und Pflanzenarten sicher: Auf winterlich zugefrorenen Gewässern bildet Eis eine isolierende Schicht, die das darunterliegende Wasser gegen Minusgrade und damit vor dem Gefrieren schützt. So bleibt – zumindest in tiefen Seen – Wassertieren genügend Raum, um selbst klirrender Kälte zu trotzen.
