Gefrieren eines Sees im Winter

Die Dichteanomalie des Wassers und der ungewöhnliche Dichtesprung beim Gefrieren haben eine existenzielle Bedeutung für das Leben auf der Erde bzw. genauer gesagt für das Leben unter Wasser.

So bilden sich in stillen Gewässern jeweils Wasserschichten mit unterschiedlichen Temperaturen. Diese Temperaturschichtung kommt aufgrund der unterschiedlichen Wasserdichten zustande, die durch die entsprechende Temperatur bedingt sind. Dabei sinkt das "schwere" Wasser nach unten und "leichteres" Wasser steigt nach oben auf. Hierbei sind die Übergänge zwischen den einzelnen Temperaturschichten natürlich fließend. Da Wasser bei 4 °C die größte Dichte aufweist und damit am "schwersten" ist, wird sich dieses zunächst auch am Gewässergrund ansammeln (Grundschicht).

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Animation: Temperaturschichtung eines Sees im Laufe des Jahres

Im Sommer werden sich die wärmeren Wasserschichten aufgrund der geringeren Dichte über der 4 °C kalten Grundschicht anordnen. Durch die abnehmende Dichte mit steigender Temperatur wird die Wassertemperatur folglich zur Wasseroberfläche hin stetig zunehmen. Während bei tiefen Gewässern im Sommer also die Wasseroberfläche je nach Sonnenintensität relativ stark erwärmt sein kann, wird sich das Wasser am Gewässergrund in der Regel nicht über 4 °C erwärmen. Vorausgesetzt natürlich, dass das Gewässer tief genug ist, sodass die Sonnenstrahlung im Sommer das Wasser am Grund nicht über 4 °C erwärmen konnte. Sollte dies bei geringen Wassertiefen oder längeren Hitzeperiode dennoch der Fall sein, dann wird sich die Wasserschicht mit der niedrigsten Temperatur am Boden ansammeln und wärmere Wassersichten sich auf dieser befinden.

Im Herbst wird sich das Gewässer schließlich allmählich abkühlen. Dabei wird die Temperatur der relativ warmen Oberflächenschicht nach und nach sinken. Somit wird das Temperaturgefälle zur Wassergrundschicht hin immer geringer. Schließlich haben sich die Temperaturen der unterschiedlichen Wasserschichten irgendwann angeglichen. Es stellt sich früher oder später für kurze Zeit ein einheitliches Temperaturniveau von 4 °C über das gesamte Gewässer hinweg ein.

Dies wird auch dann der Fall sein, wenn sich das Gewässer im Sommer durchweg auf bspw. über 5 °C erwärmt haben sollte. Dabei wird sich bei Abkühlung zunächst ein einheitliches Temperaturniveau von 5 °C bilden. Bei weiterer Abkühlung an der kühlen Umgebungsluft kann sich zwar kurzfristig an der Oberfläche eine 4 °C Schicht ergeben. Diese wird sich dann allerdings aufgrund ihrer größeren Dichte im Vergleich zu den darunter befindlichen Wasserschichten absenken. Die wärmeren Schichten werden damit an die Wasseroberfläche gedrängt und kühlen ebenfalls ab. Schließlich ergibt sich auch in einem solchen Fall über kurz oder lang ein einheitliches Temperaturniveau von 4 °C über das gesamte Gewässer hinweg.

Kühlt im Winter das 4 °C kalte Wasser nun weiter aus, so werden sich diese kälteren Schichten allerdings nicht mehr absenken bzw. am Gewässergrund ansammeln. Denn aufgrund der Dichteanomalie sind jene Wasserschichten die kälter als 4 °C wiederum "leichter" bzw. besitzen eine geringere Dichte. Dabei gilt in diesem Temperaturbereich zwischen 4 °C und 0°C: Umso kälter die Wasserschicht, desto "leichter" wird diese im Vergleich zu den wärmeren Schichten sein.

Folglich werden sich im Winter nun nicht mehr wie im Sommer die wärmeren Wasserschichten an der Oberfläche ansammeln sondern die kälteren Wasserschichten! Schließlich wird auch an der Oberfläche als erstes die Erstarrungstemperatur von 0°C erreicht bzw. unterschritten. Damit gefriert das Gewässer stets von der Wasseroberfläche her zu. Ist das Gewässer tief genug, so wird die Kälte in der Regel nicht bis in die tiefen Schichten eindringen und das Gewässer somit auch nicht vollständig gefrieren (Beachte, dass Wasser ein sehr schlechter Wärmeleiter ist!). In den tieferen Schichten bleibt das Wasser in der Regel also flüssig bei rund 4 °C. Dass ein Gewässer aufgrund der Dichteanomalie also von oben zufriert und somit in der Regel nicht vollständig gefriert, sichert schließlich den darin befindlichen Tieren das Überleben.

Ohne Dichteanomalie würden die kalten Wasserschichten im Winter stets absinken und die wärmeren Schichten an die Oberfläche verdrängen. Es käme zur raschen Abkühlung des Gewässers bis hin zur vollständigen Erstarrung. Ob sich das Leben auf der Erde ohne Dichteanomalie dann genauso entwickelt hätte wie wir es heute kennen, bleibt Spekulation.

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