Anomalie des Wassers

Wasser hat eine besondere Eigenschaft, die es von fast allen anderen Flüssigkeiten unterscheidet. Es hat bei 4 °C sein kleinstes Volumen und damit seine größte Dichte. Dieses nicht normale thermische Verhalten von Wasser wird in der Physik als Anomalie des Wassers bezeichnet.

Bei Temperaturen über 4 °C verhält sich Wasser wie andere Flüssigkeiten. Bei Erhöhung der Temperatur dehnt es sich aus, bei Verringerung der Temperatur wird sein Volumen kleiner.
Kühlt sich Wasser unter 4 °C ab, so wird sein Volumen bis 0 °C wiederum größer. Gefriert dann das Wasser, so dehnt es sich weiter aus. Während Wasser von 0 °C eine Dichte von etwa

$1{\text{ g/cm}}^{\text{3}}$

hat, beträgt die Dichte von Eis bei 0 °C

$\mathrm{0,92}{\text{ g/cm}}^{\text{3}}$.

Deshalb schwimmt Eis auf Wasser. Das Verhältnis der Dichten von Eis und Wasser ist auch der Grund dafür, dass sich bei einem Eisberg etwa 9/10 unter Wasser und nur etwa 1/10 über Wasser befinden.

Die Dichte von Wasser in Abhängigkeit von der Temperatur

Durch genaue Messungen kann man die Abhängigkeit der Dichte des Wassers von der Temperatur ermitteln. In Bild 2 sind die Werte für die Dichte des Wassers bei unterschiedlicher Temperatur angegeben.

Bedeutung der Anomalie des Wassers

Die Anomalie des Wassers ist für das Leben von Tieren und Pflanzen im Wasser sehr wichtig und ermöglicht dieses Leben erst. Dazu betrachten wir die Verhältnisse in einem See zu verschiedenen Jahreszeiten.

Im Sommer wird das Wasser von der Sonne erwärmt. Das leichtere, wärmere Wasser bleibt an der Oberfläche und wird durch Wind in den oberen Schichten vermischt. Tiefer liegende Schichten sind kühler. Es bildet sich eine charakteristische Temperaturschichtung heraus. Diese Temperaturschichtung des Wassers kann man z. B. beim Baden feststellen. Je größer die Tiefe ist, umso niedriger wird die Temperatur des Wassers.

Im Herbst ist die Sonneneinstrahlung geringer. Auch die Luft ist kühler. Das Wasser kühlt sich allmählich ab. Durch Strömungen erfolgt eine Durchmischung des Wassers und damit auch ein Temperaturausgleich.

Im Winter wird bei weiterer Abkühlung wieder ein stabiler Zustand erreicht. Es bildet sich wieder eine charakteristische Temperaturschichtung heraus. Das Wasser mit der größten Dichte, also Wasser von 4 °C, sinkt nach unten. Bei weiterer Abkühlung sinkt die Temperatur des oberflächennahen Wassers weiter ab. Sie erreicht schließlich 0 °C. Das Wasser beginnt zu frieren. Da die Dichte von Eis kleiner ist als die von Wasser, schwimmt das Eis oben und bildet eine stabile Schicht. Wenn das Gewässer hinreichend tief ist, befindet sich unter dem Eis eine Wasserschicht, die am Boden eine Temperatur von 4 °C hat. An diese Verhältnisse haben sich im Wasser lebende Pflanzen und Tiere angepasst und können überleben.

Im Frühjahr nimmt die Sonneneinstrahlung wieder zu. Es kommt zu einer allmählichen Erwärmung, zu einer Durchmischung des Wassers und damit zu einem Temperaturausgleich.

Wasser und Eis als Sprengmittel

Die Ausdehnung von Wasser bei Abkühlung und insbesondere bei Eisbildung muss im Alltag beachtet werden, da gefrierendes Wasser wie ein Sprengmittel wirkt. Frieren z. B. frei liegende Wasserrohre oder Pumpen ein und befindet sich Wasser in ihnen, so dehnt sich dieses Wasser bei der Bildung von Eis aus und kann die Rohre bzw. Pumpen regelrecht auseinandersprengen. Deshalb ist auch erforderlich, dem Kühlwasser von PKW Frostschutzmittel beizugeben, weil ansonsten die Möglichkeit besteht, dass die Kühlflüssigkeit einfriert und den Kühler sprengt.

In der Natur spielt die Sprengwirkung von Eis ebenfalls eine wichtige Rolle. So dringt Wasser in Felsspalten und Risse ein. Beim Gefrieren dehnt es sich aus. Steinbrocken werden von Felsen abgesprengt, größere Steine werden gespalten. An Felswänden bilden sich dadurch charakteristische Schuttkegel aus.
Durch die Sprengwirkung des Eises wird auch der Ackerboden aufgelockert, insbesondere wenn er vor Frost gepflügt werden ist.