04.12.2019

Ein gefrorener Teich mit blauen Augen

Ein harmloser Blick in einen zugefrorenen Teich kann physikalische Fragen aufwerfen.

Ein Blick in einen gefrorenen See kann gleich mehrere bemerkenswerte Phänomene zu Tage fördern (Abbildung 1). Man schaut durch die transparente Eisschicht auf den vom Sonnenlicht erhellten Grund. Dicht unter der Oberfläche zeigen sich einige Blasen, von denen die größte einen Durchmesser von etwa 3 cm hat. Sie sind dadurch entstanden, dass durch biologische Aktivität auf dem Boden abgesonderte Gasbläschen aufgestiegen sind und sich unter der Eisschicht zu einer größeren Blase vereinigt haben. Diese hat dann allmählich das nach unten wachsende Eis umschlossen.

Abb. 1 Blaue Blasen im Eis über einer orange ausgeleuchteten Wasserschicht...
Abb. 1 Blaue Blasen im Eis über einer orange ausgeleuchteten Wasserschicht eines Teiches.

Beim Ablauf natürlicher Prozesse wird so viel Energie wie unter den gegebenen Bedingungen möglich an die Umgebung abgegeben (Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik). Dies hat zur Folge, dass die hier vorwiegend potentielle und Oberflächenenergie der Blase minimiert werden. Da die Oberflächenenergie proportional zur Oberfläche ist, tendiert die Blase dazu, Kugelform anzunehmen. Wegen der Auftriebskraft liefe die Minimierung der potentiellen Energie demgegenüber auf eine extrem flache Blase hinaus. Weil dadurch aber die Oberflächenenergie vergrößert würde, ergibt sich als Kompromiss die Form eines Ellipsoids, das als Optimum anzusehen ist. Wenn nach dem Einfrieren einer Gasblase erneut Gase aufsteigen, können weitere Blasen unmittelbar unter der ersten entstehen. Deshalb beobachtet man manchmal kleine Türme im dicken Eis (Abbildung 2).

Abb.2 Kleine Türme aus Blasen, die hier mit einer Reifschicht ausgekleidet...
Abb.2 Kleine Türme aus Blasen, die hier mit einer Reifschicht ausgekleidet sind und daher weiß erscheinen.

Das Sonnenlicht fällt auf die Eisschicht, wird zum Teil reflektiert und dringt zum Teil durch das transparente Eis in den Teich ein. Wenn das Licht mit Partikeln von der Größenordnung der Wellenlänge des Lichts wechselwirkt, wird vor allem der kurzwellige Anteil gestreut (Rayleigh-Streuung). Das kennen wir vom blauen Himmelslicht. Während das direkte Sonnenlicht mit zunehmender Distanz und Luftdichte immer mehr an kurzwelliger Strahlung einbüßt und daher die langwelligen Anteile zunehmen, besteht das Streulicht vor allem aus kurzwelliger Strahlung. Wenn bei Sonnenuntergang der Weg des Lichts durch die Atmosphäre besonders lang ist und vor allem Bereiche großer Dichte durchstrahlt, macht sich das in der Dominanz der Gelb- und Rottöne bemerkbar.

Dieses Phänomen beobachten wir auch beim Blick auf den Teichboden. Zwar ist der Weg des Lichts zum Boden und zurück vergleichsweise kurz, aber die Konzentration von winzigen Streupartikeln im Wasser ist so groß, dass die Rot- und Gelbtöne vorherrschen. Die Gasblasen im Eis erscheinen hingegen blau. Das ist darauf zurückzuführen, dass das gelb-rote Licht vom Boden beim Übergang vom optisch dichteren Wasser in das Gas mit wesentlich geringerer Dichte in einem vergleichsweise großen Winkelbereich durch Totalreflexion davon abgehalten wird, zur Kamera zu gelangen. Daher dominiert das aus allen Richtungen einfallende, blaue Himmelslicht. Das wird sowohl an der äußeren als auch an der konkaven inneren Grenzfläche der transparenten Blase reflektiert und lässt die Blasen blau erscheinen.

Wenn durch Sonneneinstrahlung in der Blase die Wasserdampfkonzentration zunimmt und es in der anschließenden Nacht zu einer Abkühlung kommt, wird die maximale Wasserdampfkonzentration überschritten. Der überschüssige Dampf kondensiert und gefriert und/oder geht direkt in winzige Eiskristalle (Reif) über, die sich an der Innenwand der Blasen niederschlagen. Daran wird das Licht diffus reflektiert, sodass die Blasen opak weiß erscheinen.

Hans Joachim Schlichting, Münster

Dieser Artikel ist in der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit erschienen. 

Originalveröffentlichung

Hans Joachim Schlichting, Ein gefrorener Teich mit blauen Augen, Phys. Unserer Zeit 50(6), 3030 (2019);

https://doi.org/10.1002/piuz.201970611

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