Musenblätter - Das unabhängige Kulturmagazin

Ernst Peter Fischer

Tannengrün in Schnee und Eis

Warum behalten Tannen- im Gegensatz zu Laubbäumen in der kalten Jahreszeit die grüne Farbe ihrer Nadeln? Botanisch gesehen sind Nadeln Blätter mit einer festen Oberhaut. Eine zusätzliche Wachsschicht schützt sie gegen die zunehmende Kälte und verhindert das Austrocknen. Das ist eine wichtige Aufgabe, da Wurzeln aus einem gefrorenen Boden kein Wasser mehr an die Zweige nachliefern können. Im Sommer gelingt das einem Baum mit Hilfe eines als Osmose bekannten Vorgangs. Dabei werden Druckunterschiede aufgebaut, die ein Strömen erlauben, wie man früher in der Schule lernen konnte. Die lebensnotwendige Flüssigkeit wird bis zu den Blättern transportiert, wo sie verdampft. Das erzeugt einen leichten Unterdruck, mit dessen Hilfe das Wasser nachgepumpt werden kann. Dieses Transportproblem limitiert im Übrigen die maximale Höhe von Bäumen, die irgendwo zwischen 150 und 200 Metern liegt, wenn die Wissenschaft sich nicht verrechnet hat. Das bislang größte Exemplar stellt ein Blaugummibaum aus Australien dar, der zu den Eukalyptusarten zählt und es auf 132 Meter gebracht hat.

Das Grün der Tannen gefällt den Menschen in der Winterzeit. Aber warum kann man auf einer Eisﬂäche ausrutschen und Schlittschuhlaufen? Physiker denken darüber seit dem 19. Jahrhundert nach. Schon früh hat man eine dünne Wasserschicht zwischen dem Eis und den Kufen ausgemacht und angenommen, daß dieser Gleitﬁlm durch den Druck zustande kommt, den Eisläufer und Eisläuferinnen ausüben. Tatsächlich sorgt eine lokale Druckerhöhung für eine ebenfalls lokale Senkung der Schmelztemperatur - die Physik kann dafür sogar ein Gesetz angeben. Aber der Effekt ist zu gering, um die Eleganz und Leichtigkeit des Gleitens verstehen zu können. Wichtiger ist die von der Bewegung der Kufen erzeugte Reibungswärme, die zu einem signiﬁkanten Schmelzen der befahrenen Eisfläche führt. Physikalisch korrekt spricht man von der außergewöhnlich niedrigen Gleitreibung von Eis. Dies läßt sich auch auf das Skilaufen und Schlittenfahren übertragen, wobei die zuletzt genannten Winterfreuden noch eine schiefe Ebene brauchen, die es mit Schwung hinabgeht.

Daß es tatsächlich die Reibungswärme ist, die das Schlittschuhlaufen ermöglicht, zeigt ein Experiment. Dabei wird ein Kupferdraht, an dessen beiden Enden je ein Gewicht befestigt ist, über einen Eisblock gebreitet. Man beobachtet, daß sich der Draht innerhalb einiger Stunden durch das Eis hindurcharbeitet. Ersetzt man das wärmeleitende Kupfer dagegen durch einen Nylonfaden, schaffen es die Gewichte nicht, ihn durch den Block zu ziehen. Nur mit Druck allein und ohne Hitze schmilzt da nichts.

Während sich diese spielerischen Fragen gut klären lassen, gibt es ernste Themen bei Eis und Schnee, die nach Auskunft der Geologie und Meteorologie helfen können, die Zukunft des Planeten Erde besser in den Blick zu bekommen. Wenn die nachfolgend aufgeführten Fragen auch harmlos klingen, so stellt ihre Beantwortung immer noch eine Herausforderung für die Wissenschaft dar:

Wie entsteht Eis überhaupt? Wie kommt der globale Wasserkreislauf mit Eiswolken und Regentropfen mit seinen Auswirkungen auf das Erdklima zustande? Kann sich die Eisstruktur ändern? Kann sie Hohlräume umschließen? Gibt es neben den Schneeﬂocken andere kristalline Formen von Wasser? Gibt es Eis auf Kometen, etwa in einer amorphen Anordnung? Können im Eis chemische Reaktionen ablaufen? Im Weltraum hat man organische Moleküle auf Eisbrocken gefunden. Wie sind die da hin gekommen? Wie lange bleibt das Eis auf der Erde erhalten? Lassen die derzeitigen Beobachtungen der arktischen Schmelze Vorhersagen über das Verschwinden von Eis zu?

Diese und weitere Fragen versucht ein International Global Atmospheric Chemistry Project zu beantworten, das ein Air-IceInteractions-Programm auf die Beine gestellt hat und hofft, mit einem Millionenbudget einige Antworten liefern zu können. Vielleicht hängt die Zukunft der Erde von der Chemie ab, die in Eis und Schnee steckt. Sie gehören mit zu dem System, das immer mehr Menschen am Leben hält.

aus: „Warum funkeln die Sterne?“

Die Wunder der Welt wissenschaftlich erklärt

Veröffentlichung in den Musenblättern mit freundlicher Erlaubnis des Autors.