Eiszapfen sind interessante Gebilde, die nur auf den ersten Blick leicht zu durchschauen sind. Doch es gibt gleich eine ganze Reihe von Rätseln, die sie der Wissenschaft aufgeben. Einige davon konnten die Forscher inzwischen lösen, andere lassen sich bis heute nicht erklären. Interessanterweise konnten ausgerechnet den mysteriösen Unterwassereiszapfen, die erst vor wenigen Jahren erstmals gefilmt worden sind, ihre Geheimnisse inzwischen entrissen werden.

Dafür grübeln die internationalen Experten bis heute über die Oberflächenbeschaffenheiten nach, die sie nicht wirklich erklären können. Dabei fängt alles so einfach und übersichtlich an, sobald bei frostigen Temperaturen die Sonne zum Vorschein kommt. Wenn die Sonnenstrahlen nun den Schnee zum Schmelzen bringen, beispielsweise auf einem Dach, so läuft das Tauwasser das Dach herab. Ist jetzt die Dachrinne aber verstopft oder vielleicht sogar nicht einmal vorhanden, dann tropft das Wasser am Dachüberstand oder auch an der Dachrinne herab. Was nun geschieht, haben japanische Wissenschaftler ausgiebig erforscht.

In die Breite und in die Länge

„Zuerst erstarren die Wassermoleküle an der Oberfläche des Tropfens, die Kontakt mit der kalten Luft haben“, weiß Naohisa Ogawa vom Center for Emergent Matter Science im japanischen Wako, „und überziehen den Wassertropfen so mit einer dünnen Eishülle.“ Weiteres Wasser, das auf dieser Hülle am Zapfen nach unten läuft, gefriert ebenfalls schnell durch den Kontakt mit der kalten Luft. Der Eiszapfen wächst in der Breite so wie auch in der Länge. Unter optimalen Bedingungen kann das Längenwachstum mehr als einen ganzen Zentimeter pro Minute betragen, haben finnische Forscher unter Leitung Lasse Makkonens am Technical Research Centre of Finland herausgefunden.

Unterwassereiszapfen

Eiszapfen können sich sogar unter Wasser bilden. Die Entstehungsprozesse ähneln denen der normalen Eiszapfen an der Dachrinne in gewisser Weise, unterscheiden sich aber natürlich auch von diesen in einigen wichtigen Punkten. Unterwassereiszapfen können immer dann entstehen, wenn Meereis gefriert. Das Salz wird nämlich nicht in das Kristallgitter des Eises mit eingebaut, sondern sammelt sich vielmehr in einer extrem salzhaltigen Flüssigkeit, der „Sole“. Diese gefriert aufgrund des hohen Salzgehaltes nicht, weist aber dank hohem Salzgehalt und Kältegrad der Flüssigkeit eine große Dichte auf, ist also relativ schwer. Das schwere, extrem salzhaltige und sehr kalte Wasser sinkt nun zum Meeresboden ab. Dabei gefriert das Meerwasser, das direkten Kontakt mit der zu Boden strömende eiskalten Sole hat, zu Eis und bettet diese praktisch in eine Eishülle. Auf diese Weise entsteht unter Wasser ein Eiszapfen, der mit eiskaltem Salzwasser gefüllt ist. Erreicht der nun aufgrund seines Längenwachstums den Meeresboden, wird alles augenblicklich schockgefrostet, was sich in seiner Nähe am Meeresboden befindet, sogar Meerestiere wie etwa Seesterne.

Dass sich der Eiszapfen nach unten hin verjüngt und über eine breitere Basis verfügt, erklären sich die Wissenschaftler damit, dass manche Wassertropfen es je nach Witterung einfach nicht schaffen, bis ans Ende des Zapfens vorzudringen, sondern schon vorher festfrieren. Was den Experten allerdings ein Rätsel ist: Eiszapfen wachsen niemals kerzengerade, ihre Oberflächen zeichnen sich durch mehr oder weniger stark ausgeprägte Wellenstrukturen aus, die sich bis zur deutlichen Ribbelbildung steigern können. Ein internationales Wissenschaftlerteam hat sich dieses Phänomens angenommen. Stephen Morris von der Universität Toronto und Antony Chen vom Southern Alberta Institute of Technology in Calgary züchteten im Labor unzählige künstliche Eiszapfen, deren Entstehungsprozesse sie genau dokumentierten und fotografierten. Herausgekommen ist dabei nicht nur ein einzigartiger Eiszapfenatlas, der mit atemberaubenden 237 000 Fotos bebildert ist, sondern auch die Erkenntnis, dass für die unebene Oberfläche anscheinend Verunreinigungen des Wassers verantwortlich sind. Im Labor zeigte sich nämlich, dass sich die milchigeren Eiszapfen mit ausgeprägter Ribbelbildung durch eine leichte Salzzugabe künstlich züchten ließen, wohingegen Eiszapfen aus besonders reinem destillierten Wasser „kaum oder sogar gar keine Ribbelbildung aufwiesen“. Doch ein Geheimnis konnten die Wissenschaftler den Eiszapfen auch nach all diesen Versuchen nicht entreißen: „Die Ribbel haben immer eine universelle Wellenlänge von exakt einem Zentimeter, ganz gleich, was man auch tut“, meint Morris. Fasziniert resümiert er: „Das ist ein echtes Mysterium.“

Naohisa Ogawa und sein Team wollten sich damit nicht zufrieden geben und stellten ihre eigenen Nachforschungen über die mysteriösen Oberflächenstrukturen an.

Die japanischen Forscher fanden bestätigt, dass die Wellenlänge „typischerweise einen Zentimeter“ beträgt, und dass „solche Wellen entstehen, wenn nur etwa 0,1 Millimeter dünne Wasserfilme den Eiszapfen herabfließen“.

„Interessanterweise ist dies aber unabhängig von der Außentemperatur, der Eiszapfendicke und auch von der Menge des am Eiszapfen herabfließenden Wassers“, meint Ogawa. Wie die Oberflächenstrukturen ihrer Meinung nach im Detail entstehen, konnten die Forscher zwar in ihrer Studie anhand von umfangreichen Formelmodellen erklären, ob sie damit aber auch wirklich richtig liegen, wird zur Zeit noch von der internationalen Wissenschaftsgemeinschaft diskutiert.

Die Wissenschaft ist den rätselhaften Eiszapfen also dicht auf der Spur, doch wie es den neuesten Forschungen nach aussieht, können sie ihre letzten Geheimnisse wohl erst einmal noch bewahren.