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Schmelzung im Innern der Gletscher
Von Alfred Holl.
Ein wenig Nachdenken schadet nicht. Wir müssen in diesem Kapitel mit physikalischen Begriffen arbeiten; wir sind aber überzeugt, dass uns alle Freunde der Hochgebirgsnatur gut verstehen können, da sie ja gewohnt sind, vor einer kleinen Schwierigkeit nicht sogleich zurückzuschrecken.
Wir setzen unsern Aufsatz « Gletscherwärmewirtschaft » als bekannt voraus 1 ). Dort erwähnten wir die Bemühungen der Physiker des vorigen Jahrhunderts, die Gletscherbewegung mittels Druckschmelzung und Regelation ( Wiedergefrieren ) zu erklären. Durch Druck soll im Gletscher etwas Eis flüssig werden; der Gletscher soll nachrücken, das Geschmolzene soll an Stellen geringen Drucks wieder erstarren ( regelierendann soll der Gletscher weiter drücken, schmelzen, erstarren, und so soll er ständig vorwärtskommen. Manche glaubten sogar, dass ständig Druckschmelzwasser im Gletscherbach abfliesst. Demgegenüber zeigten wir: Die Gletscherkörner sind starre, unregelmässig eckige Kristallbrocken, die auch während der Gletscherbewegung den Raum zwischeneinander stets ausfüllen; der Gletscher ist also stets ein starres Gestein und kein Brei. Weil aber während des Fliessens die Körner sich ständig ein wenig über- und umeinander drehen müssen, so müssen sie stets ihre Gestalten ein wenig ändern, was nicht durch Verbiegung und Verdrückung, sondern durch Anschmelzung an den jeweils hindernden Stellen jedes Korns geschieht. Die dazu nötige Wärmequelle ist die Fallwärme des Gletschers, seine in Reibungswärme umgeformte Fallenergie. Sie allein befähigt den Gletscher zu seiner Bewegung. Es handelt sich aber mehr um ein Hinein-bohren der Körner ineinander als um ein Verschieben aneinander; die reibende Verschiebung ist klein und der dabei ausgeübte Druck ist gross. Demgemäss spielt die Druckschmelzung im Gletscher eine sehr wichtige Rolle, obschon sie die Gletscherbewegung nicht erklären kann. Das werden wir nun sehen; zuerst müssen wir aber wissen, was Wärme ist.
Sie ist nicht Stoff und nicht Kraft, sondern Bewegung, und zwar ungeordnete Bewegungsenergie der Moleküle. Das kann man sich so klarmachen: Wenn ein Meteorstein niedergeht, so hat er zunächst eine grosse Bewegungsenergie, er ist aber kalt, denn seine Moleküle fliegen geordnet, im Verband, gleichgerichtet. Wird er nun gebremst, so verliert er seine Energie, aber nur scheinbar, denn seine Moleküle behalten ihre Energie, nur bewegen sie sich jetzt nicht mehr gleichgerichtet, sondern ungeordnet, durcheinander, und sie stossen einander in jeder Sekunde billionenmal. Wärme ist also Energie, sie ist aber nicht sichtbar und nicht mit dem Metermass als Geschwindigkeit messbar, sondern nur mit dem Thermometer; je energischer die Moleküle, desto höher die Temperatur.
Wenn ein Gewicht auf dem Tisch liegt, so betätigt es sich nicht; es drückt nur. Wenn es aber fällt, bekommt es Energie und kann Arbeit leisten oder Wärme erzeugen. So ist der Gletscher; man darf ihn nicht statisch betrachten, sondern dynamisch; d.h. er ist nicht nur ein Ding, sondern ein Geschehen, und gross ist die Energie, die er umsetzt. Und zwar setzt er, weil er dauernd fällt, die Fallenergie der gewaltigen Eismassen in Fallwärme-Schmelzwasser um, das zwischen den Gletscherkörnern, die ja nur durch Adhäsion aneinander haften, ausgeschwitzt wird und im Gletscherbach enthalten sein muss. Also nicht in gewöhnliche Wärme, thermometrisch messbar, verwandelt der Gletscher seine Energie, sondern in Schmelzwärme, messbar durch Bestimmung des im Gletscherbach enthaltenen Fallwärme-Schmelzwassers. Unvorstellbar gross ist die Masse der bedeutenden Gletscher. Würde man das Grönlandeis schmelzen, welches der grösste Gletscher der Erde ist, so würde das Wasser auf allen Meeren und an allen Küsten der Erde um 8 m steigen! Ein bedeutender Alpengletscher hat einen viel grössern Energievorrat als ein Wasserkraftwerk, denn dieses kann ja nur den Fall vom Gletschertor abwärts ausnützen.
Wie ist es nun mit der Druckschmelzung im Gletscher? « Schmelzung durch Druck » ist zunächst ein falscher Ausdruck. Zum Eisschmelzen braucht man Wärme, also Energie. Und « Druck » ist bloss eine Kraft. Durch Druck wird nur der Schmelzpunkt des Eises erniedrigt. Drückt man Eis von 0°, so steht es also über seinem Schmelzpunkt, und da kann es nicht stehen bleiben. Gedrücktes Eis schmilzt durch seine eigene Wärme. Dadurch erniedrigt sich seine Temperatur so weit, dass sie dem erniedrigten Schmelzpunkt gleich steht; weitere Schmelzung kann der Druck, auch wenn er andauert, nicht mehr hervorrufen; und das Geschmolzene erstarrt wider ( regeliert ) bei Aufhören des Druckes, mit Wiedererwärmung auf 0°, denn beim Erstarren wird die Wärme wieder frei, die beim Schmelzen verbraucht wurde. Kann aber das Druckschmelzwasser entweichen, so bleibt das Eis bei der Entlastung unter 0° stehen.
Der Gletscher steht auf Schmelztemperatur. Das bedeutet nicht: 0°. Sondern überall im Gletscher ist diejenige Temperatur, die bei dem herrschenden Druck der Schmelzpunkt ist. Z. B. in einer 300 m dicken Eismasse haben wir in der Tiefe 27 Atm. Druck, und dem entspricht ein Schmelzpunkt von —0,2°. Automatisch stellt sich schon im Firngebiet die Temperatur so ein. Der Druck kann somit eigentlich nirgends mehr im Gletscher Eis schmelzen, und solange der Druck so bleibt, ist eine Gletscherbewegung durch Druckschmelzung ganz unmöglich. Aber vermöge der Fallwärmeschmelzung bewegt sich ja der Gletscher, und weil die Eiskristallkörner starr sind, entstehen beim Fliessvorgang fortwährend kleine Druckschwankungen, nicht in der Gletschermasse als Ganzem, sondern an den verschiedenen Punkten der Oberfläche eines Korns, denn seine ebenso starren Nachbarn können, solange die Bewegung dauert, nicht alle Punkte des Korns gleich stark drücken, da die Körner sich ein wenig gegeneinander verdrehen müssen. Diese Druckschwankungen, durch Kornstarrheit und Bewegung hervorgerufen, sind winzig klein, aber sie haben Jahrhunderte Zeit zur Wirkung. Sie bewirken also Druckschmelzung und Regelation und damit ständige Kornvergrösserung. Was an einem Punkt durch Druckzunahme wegschmilzt, muss an einem andern Punkt, der im Augenblick etwas entlastet ist, wieder anfrieren; aber was von einem kleinen Korn wegschmilzt, friert meist an ein grösseres an. So fressen auch im massiven Gletschereis, wie im Schnee, die Körner sich gegenseitig auf. Aber der Grund dieses merkwürdigen Verhaltens ist noch nicht geklärt. Denn die Oberflächenspannung, die im Schnee die Kornvergrösserung verursacht, wirkt im Gletschereis nicht mehr. Bei der Firnkorngrösse ( etwa 1 mm ) müsste also das Sichauffressen ein Ende haben, aber hier setzt ein anderer Vorgang ein: die Bewegung unter Druck ( Dynamometamorphose ). Wie kommt es nun, dass die Körner bei diesem Vorgang wachsen? Ich möchte vermuten, dass hiebei die elastische Verformung mitspielt. Starre Stoffe werden ja schon durch geringe Kräfte elastisch ein wenig verformt; ein kleines Korn kann aber vor dem Druck nicht so weit wie ein grosses elastisch ausweichen und wird von der Druckschmelzung leichter ergriffen.
Tatsache ist also die Kornvergrösserung, trotz der verkleinernd wirkenden Fallwärmeschmelzung, woraus sich ergibt, dass der beschriebene Eisaustausch von Korn zu Korn, also die Druckschmelzung und Regelation, im Gletscher recht ausgiebig vor sich geht. Dabei darf die wichtige Voraussetzung der Kornstarrheit nicht übersehen werden. Bei plastischer Verformung des Gletschers könnten keine Druckschwankungen ums Korn herum erfolgen; nur die jahreszeitlichen Druckschwankungen in der Masse als Ganzem, durch Schneelast und Abschmelzung, würden auch hier ein wenig kornvergrössernd wirken.
So entsteht also das Gletschereis aus den starren, sich bei der Bewegung gegenseitig drückenden Firnkörnern, jedoch nur in den Tiefen der Firnmulden; an der Oberfläche hat noch niemand Gletschereis entstehen sehen. So wachsen die Körner bis zum Zungenende, obgleich ja der Druck in der Masse der Zunge ständig abnimmt So entstehen die faustgrossen Eiskristallkörner der Riesengletscher in tausendjährigem Wachstum.
Die Gletscherkörner enthalten meist mehrere Volumprozente Luftbläschen, welche bei der Umschmelzung eröffnet werden, so dass die Luft durch das Haarröhrchennetz entweichen kann. Hess beobachtete manchmal das Herauspfeifen dieser Luft aus dem Gletscher. Auf diese Weise können « Blaubänder », Partien luftfreien Eises, entstehen. Sie entstehen also nicht durch den Druck allein, sondern durch die Bewegung. Wir müssen es uns versagen, hier auf die interessanten Fragen über Blaubänder und Scherungs-risse einzugehen; dazu wäre ein besonderes Kapitel nötig, und auch hier gibt es noch viel zu forschen.
Und so findet man an den Gletscherufern die grössten Körner, weil an den Ufern die Geschwindigkeit rasch absinkt und nach Hess grössere Druckschwankungen vorkommen müssen als in der Strommitte.
Die geschilderte Entstehung des Gletschereises, durch Druckschmelzung und Regelation bei der Bewegung, kann heute nicht mehr bezweifelt werden. Schon Albert Heim vergleicht die Gletschereisbildung mit der Entstehung von Marmor aus Kalkstein durch gewaltig bewegende gebirgsfaltende Kräfte unter enormem Druck. Damit verglichen ist die Kraft, die Gletschereisbildung bewirkt, sehr klein. Aber speziell handelt es sich hier um eine Dynamometamorphose bei Schmelztemperatur. Bei ausgesprochenen Frostgraden müsste der Druck viele dutzendmal grosser sein, wenn er Firn zu Eis verdichten sollte.
Wohl entsteht viel Eis an der Oberfläche der Firnfelder durch Tauen und Gefrieren, und viel Hocheis und Firneis fällt von den Wänden über dem Bergschrund herab. Aber dieses Eis ist noch kein Gletschereis. Wenn es durch Bedeckung unter Druck gelangt ist, arbeitet es der Gletscher um; er gibt ihm Kornstruktur, die er zum Fliessen braucht.
Es ist freilich wahr: noch niemand hat Gletschereis entstehen sehen, niemand hat direkt beobachtet, wie die Gletscherkörner wachsen, denn wo wir hinkommen, entsteht das Gletschereis nicht, und wo es entsteht, können wir schlecht hin. Man fühlt sich an die hübsche Geschichte erinnert, da 1722 ein Luzerner Mineraloge auf die Grimselberge zog, um zu sehen, wie die zentnerschweren Bergkristalle wachsen, die man am Zinkenstock gefunden hatte, und um zu erforschen, « warum dieses in den Eingeweiden der Erde entsprungene Gewächs an allen Orten so geartet sei, dass es sich mit 6 Winkeln zu zeigen pflegt ». Heute wissen wir: Kristallisation setzt Lösung ( oder Schmelzung oder Verdampfung ) voraus, und ebenso wie man heute über die Ent- stehung der Bergkristalle Auskunft geben kann, wird es möglich sein, auch die Bildung des Gletschereises genauer zu erforschen, und wir dürfen den weiteren Forschungen Paulckes entgegensehen, aus dessen Naturlaboratorium an der Jungfrau schon wertvolle und überraschende Erkenntnisse über die Schneeumwandlung hervorgegangen sind. Ebenso wertvolle Forschungen sind seitens der Zürcher Gletscherkommission ( Streiff-Becker ) auf dem Claridenfirn im Gang. Wer weiss, was Gletscherforschung heisst, wird alle diese Arbeiten zu würdigen wissen.
Sonderbar ist, dass man zwischen dichtem grobkörnigem Firn und kleinkörnigem Gletschereis keine Zwischenstufe findet. Der letzte Sprung, den die Natur hier macht, scheint eben beim Beginn der eigentlichen Gletscherbewegung zu geschehen und vorwiegend darin zu bestehen, dass die letzten 20 Raumprozente Luft, die der dichte Firn noch enthält, schnell heraus-gewalzt werden, wobei allerdings noch mehrere Prozent im Gletschereis bleiben. Künstlich könnte man diese Luftentfernung leicht erreichen, wenn man den Firn zuerst luftleer pumpt und dann presst. ( So macht man am besten kompakte Massen aus Pulvern. ) Es ist wohl leicht verständlich, dass die Gestalten der Gletscherkörner immer ziemlich gedrungen sind. Ein gestrecktes Korn, z.B. 5 mm dick und 5 cm lang, würde raschem Zerfall und Aufzehrung unterliegen; gedrungene Körner werden weniger schnell « gefressen ». Würde die Plastizitätstheorie der Gletscherbewegung, auf Grund deren das Kornwachstum gar nicht erklärt werden kann, zu Recht bestehen, so müssten an den Gletscherufern und am Zungenende lauter lange dünne Gletscherkörner zu finden sein. Man bedenke, dass ein Gletscher seine Eismassen oft auf 1/H seiner Querschnittsbreite einengen muss, um aus den sehr weitgedehnten Firnfeldern heraus die Zunge zu bilden. Selbstverständlich verlangt die plastische Verformung, dass jedes Gletscherkorn diese Einengung mitmacht; es müsste also zu einem langen dünnen Blättchen ausgewalzt werden.
Die Druckschmelzung spielt also am Gletscher eine grosse Rolle, aber fliessen kann er nur durch die Fallwärme; nur das Fallwärmewasser, summarisch energiewirtschaftlich betrachtet, tritt aus dem Gletscher, nicht das Druckschmelzwasser. Was davon entsteht, gefriert an anderer Stelle des Haarspaltennetzes wieder. Denken wir uns die Fallwärme weg, und nur Druckschmelzung wirksam, so würde überhaupt nichts geschehen, der Gletscher bliebe tot liegen. Auch wenn wir ihn ganz auf 0° erwärmen, so würde er aus seinen unteren Schichten ein wenig Druckschmelzwasser ausschwitzen und selbstverständlich ein Stückchen vorwärts kommen Dann aber würde er steckenbleiben, da sich überall Schmelztemperatur eingestellt hat. Das Weiter-wirken der Druckschmelzung wird nur durch die Fallwärme ermöglicht.
Die Fallwärme würde auch bestehen bleiben, wenn das Eis sich normal verhielte, d.h. schwerer als Wasser wäre. Dann würden Druckschmelzung und Regelation fortfallen; der Gletscher würde dann nicht einmal aus Gletschereis bestehen, er würde gar kein Gletscher sein und nicht ruhig fliessen, sondern ruckweise, bergsturzartig, wie alle losen Gebirgsmassen würde er als Firnlawine niedergehen. Aber die Fallwärmeschmelzung würde bleiben. An diesem Punkt meldet sich der aufmerksame Leser, nachdem er alles wohl bedacht hat, zum Wort. Er wird sagen: Oben schneit es auf den Höhen, und unten läuft massives Eis ruhig ins Tal hinunter; das ist ja eben das Rätsel-volle und Wunderbare am Glazialphänomen. Wenn nun ohne Druckschmelzung und Regelation weder Gletscher entstehen, noch ruhig fliessen können, ist dann die Druckschmelzung nicht die Hauptsache und die Fallwärme nur als Begleiterscheinung zu werten?
In diesem Einwand steckt Wahrheit, und der grosse Physiker Helmholtz sah gewiss richtig, als er die Gletscherbewegung als eine Erscheinung der Druckschmelzung und Regelation betrachtete. Aber es ist nicht die ganze Wahrheit. Es fehlt die energiewirtschaftliche Seite. Zur richtigen Einstellung kommt man, wenn man so weiterkalkuliert: Druck ist eine Kraft, senkrecht gerichtet. Wirkt diese Kraft während der Bewegung, also längs eines Weges, so leistet sie Arbeit. Diese Arbeit ist das Produkt aus Kraft ( Eisgewicht ) und Weg ( Fallhöhesie muss im Gletscher in Wärme umgesetzt werden, und es kann immer nur so viel Druckschmelzwasser entstehen, als eben diese Wärme, die Fallwärme des Gletschers, zu liefern imstande ist. Man kann also das, was der Gletscher bei seiner Bewegung ausschwitzt, als Druckschmelzwasser betrachten, muss aber bedenken, dass « Druckschmelzung » Abkühlung hervorruft und nur dann dauernd wirken kann, wenn gleichzeitig an der gedrückten Stelle Wärme entsteht, also Energie umgesetzt wird. Es ist zwecklos, darüber zu streiten, was nun das Wichtige und das Primäre ist und was Begleiterscheinung ist. Das Fliessen der Gletscher ist ein einheitliches Geschehen. Im Gletscher heisst es nicht: Hie Druck, hie Fallwärme. Es gibt ja überhaupt keine Kräfte. Sie sind leere Begriffe, die wir brauchen, um uns das Geschehen in unserer Phantasie anschaulich zu machen. Ebenso ist es mit dem Stoff begriff. Jahrtausende hat der Menschengeist über den « Substanzbegriff » philosophiert, Bände um Bände. Und nun stellt sich heraus, dass die neue Physik auch den Substanzbegriff nicht mehr braucht. Denn nicht aus Kraft und Stoff, sondern aus Energie ist die Welt gemacht; die leblose Materie, die darauf wartet, von Kräften « beseelt » zu werden, ist ein menschliches Hirngespinst.
Hier mag es gestattet sein, vom Gletscher etwas abzuschweifen, um den Gletscherfreunden zu berichten, wie weit man in den letzten Jahren in der Erklärung der Sonderbarkeiten des Wassers und Eises gekommen ist, die nicht nur für die Gletscher, sondern für die ganze Natur so überaus wichtig sind. Die sonderbaren abnormen Eigenschaften des Wassers erschienen dem Naturbetrachter jahrhundertelang als ebensoviele unerklärliche Wunder der Schöpfung. Schon die Tatsache, dass Wasser flüssig ist, ist ein grosses Wunder. Eine Jï-Verbindung von so kleinem Molekül sollte ein Gas sein, wie Schwefelwasserstoff, Methan, Ammoniak usw. Schuld an all den vielen Besonderheiten des Wassers und Eises ist, wie man jetzt weiss, nur der ausnehmend starke Dipol des H2 O-Moleküls, dessen 3 Atome nicht in gerader Linie:
H—0—H, sondern unter einem Winkel von 110°: H/ \H, angeordnet sind. ( Warum? Das ist ein schwieriges Problem der Elektronenphysik. ) Diese Anordnung hat zur Folge, dass auf der einen Seite des H2 O-Moleküls ein starkes positiv-elektrisches Feld und auf der andern Seite ein ebenso starkes negatives Feld besteht. Das nennt man einen Dipol. Auf grosse Entfernung hin, z.B. im Dampf, ist das H2 O-Molekül zwar neutral, aber im Wasser und Eis sind zwischen den Nachbarmolekülen starke elektrostatische Kräfte am Werk; im Eis stellen diese Kräfte die Kristallisationskraft dar, welche die Moleküle in ihrer gegenseitigen Stellung festhält; es sind die « Gitterkräfte ». Sie verursachen z.B. die Sprödigkeit des Eises. Beim Schmelzen des Eises müssen diese Kräfte durch starke Energiezufuhr überwunden werden, deshalb hat das Eis eine so hohe Schmelzwärme ( 80 Kalorien pro kg ). Die geregelte Anordnung der Moleküle im Eis erfordert aber mehr Raum als die regellose im Wasser, deshalb ist das Eis leichter als Wasser; der starke Dipol macht das Kristallgitter « sperrig », grossmaschig. Es hat langer Arbeit bedurft, die Frage des Eiskristallgitters zu klären. Infolge des starken Dipols liegen die Nachbarmoleküle im Eis nicht parallel, sondern schief und quer zueinander, unter gesetzmässigen Winkeln.
Nun sind aber im Wasser die Dipolkräfte noch nicht ganz überwunden; wenn das Eis zu Wasser geworden ist, so ist es zwar flüssig, aber noch nicht ganz geschmolzen. Wir müssen uns das so erklären: Wir denken uns einen Wassertropfen von 20°. Das bedeutet: die durchschnittliche Energie, mit der die Moleküle dieses Tropfens durcheinanderfliegen ( grössenordnungsmässig mit der Geschwindigkeit von Flintenkugeln ) entspricht der Temperatur 20°. Die Moleküle eines Wassertropfens zu zählen ( einige tausend Trillionen ), dazu reichen sämtliche Menschenleben nicht aus. Bei ihrem Fluge stossen die Moleküle in jeder Sekunde billionenfach zusammen, da sie nur eine sehr kleine « freie Weglänge » haben, und prallen elastisch ( elektrisch ) aneinander ab. Daher ändert sich ständig die Bewegungsenergie jedes einzelnen Moleküls in sehr weiten Intervallen. In dem Wassertropfen befinden sich also in jedem Zeitpunkt sehr viele Moleküle, die eine viel kleinere Bewegungsenergie haben, z.B. der Temperatur —10° entsprechend. Ebenso viele Moleküle sind vorhanden, die im Augenblick eine um ebensoviel grössere Energie, also + 50°, haben. Die Flüssigkeitsmoleküle haben auch Drehungsenergie, worauf Einstein zuerst hinwies; dies ist ein wichtiger Unterschied zwischen fest und flüssig; bei festen Stoffen besteht die Wärmebewegung der Moleküle nur in Schwingungen; werden sie zu gross, so schmilzt der Stoff.
Die Wassermoleküle unseres Tropfens, die eine geringere Bewegungsenergie haben, als der Temperatur 0° entspricht, werden sich nun, wenn sie in Reichweite kommen, zu Eisteilchen zusammenlagern. Der geniale Molekularphysiker O. Lehmann hat zuerst ausgesprochen, dass das Wasser einen sehr grossen Prozentsatz « Eismoleküle » enthält. Das sind aber keine Moleküle, sondern es sind « Schwärme » von zusammenkristallisierten H2 O-Molekülen mit durchgehender Gitterstruktur, die einige oder auch viele ( vielleicht etwa bis tausend ) H2 O-Moleküle enthalten können, aber weit unter mikroskopischer Sichtbarkeit bleiben, denn die kleinsten mikroskopisch sichtbaren Stoff-klümpchen enthalten schon Milliarden Atome. Das Wasser kann also sozu- sagen als eine kolloide wässrige Eislösung betrachtet werden. Wir dürfen aber nicht denken, diese Eisteilchen bleiben so, wie sie sind — nein, keine Millionstelsekunde! ( Sie würden ja sonst oben schwimmen. ) Sondern sie werden durch die Stösse von energischeren Nachbarmolekülen fortwährend zertrümmert, auseinandergerissen, d.h. geschmolzen, und an andern Punkten unseres Wassertropfens, wo es im Augenblick weniger « heiss » hergeht, entstehen neue « Eismoleküle » usw., so dass der statistische Eisgehalt des Tropfens stets derselbe bleibt. Bei steigender Temperatur sinkt der Eisgehalt; wenn wir Wasser erwärmen, müssen wir also Eis schmelzen, daher die ausnehmend hohe spezifische Wärme des Wassers ( doppelt so gross wie die des Eises ). Mit einer Kalorie kann man 1 kg Wasser um 1° erwärmen, 1 kg Eis aber um 2°. Und die Schmelzwärme des Eises ist also eigentlich sehr viel grosser als 80 Kalorien, etwa doppelt so gross. Erst wenn das Wasser kocht, ist alles Eis geschmolzen und alle Wassermoleküle sind frei beweglich, der Dipol ist durch die Wärmeenergie endgültig überwunden. Man begreift also, warum Wasser kein Gas ist; solange der Dipol wirkt, ist daran nicht zu denken. Bei + 4° hat das Wasser ein Dichtemaximum, weil unter 4° der Eisgehalt schneller zunimmt als die reine Kontraktion des Wassers. Die Existenzmöglichkeit von unterkühltem Wasser wird durch den Gehalt an « Eismolekülen nicht beeinträchtigt. Denn es sind auch im unterkühlten Wasser viele « heisse » Moleküle, von denen die « Eismoleküle » nach ihrer Bildung sofort wieder zertrümmert werden; der ganze Wassertropfen ist ja nichts weiter als Energie, Dynamik. Erst wenn die « Eismoleküle » Zeit haben, sich aneinanderzulagern, findet Kristallisation des ganzen Tropfens statt.
Gletscherphysikalisch besonders wichtig ist das Verhalten von Eis und Wasser gegen Druck. Es ist klar, dass der Druck, wie die Wärme, dem Dipol entgegenwirkt, weil die Kraft des Dipols eine sperrige Anordnung der Moleküle erstrebt. Daher die bei andern festen Stoffen nicht auftretende « Druckschmelzung » und die Senkung des Schmelzpunkts durch Druck. Wenn nun Eis bei entsprechend tiefer Temperatur einem Druck von über 2000 Atm. ausgesetzt wird, so geht es, wie Tammann fand, in « normales » Eis über, das in der irdischen Natur nicht vorkommt und schwerer als Wasser ist. Der Dipol ist also dann durch den Druck überwunden, und wir können folgern, dass die Sprengkraft gefrierenden Wassers gleich 2000 Atm. ist. Denn wenn der Fels die 2000 Atm. aushält, so kann das Wasser in seinen Spalten nicht zu gewöhnlichem Eis gefrieren und nicht sprengen. Diese 2000 Atm. sind also ein Mass für die Kraft des Dipols.
Setzen wir nun kaltes Wasser einem Druck aus, so müssen « Eismoleküle » in ihm schmelzen, und das hat eine sehr eigenartige Wirkung. Kaltes Wasser ist eine sehr zähe Flüssigkeit, im Vergleich mit andern Flüssigkeiten von so kleinem Molekül. Kaltes Wasser dringt z.B. durch Erde viel langsamer hindurch als Alkohol, Benzin oder heisses Wasser. Setzen wir kaltes Wasser unter einen Druck, wie er in fliessenden Gletschern vorkommt, etwa bis 150 Atm., so verringern wir seinen Gehalt an « Eismolekülen » und damit seine Zähigkeit, denn die Teilchen des Wassers werden im Durchschnitt kleiner. Und zwar ist die Abnahme der Zähigkeit sehr bedeutend. Lassen wir aber den Druck höher steigen, bis 2000 Atm. und darüber, so vergrössert sich die Zähigkeit wieder, wie es normal bei allen gedrückten Flüssigkeiten geschieht. Auch hier sieht man wieder die 2000 Atm. als Grenze für die Wirkung des Dipols.
Es ist also, sozusagen, alles fein ausgedacht, um dem Gletscher sein Fliessen möglichst leicht zu machen, denn dazu gehört eben, dass er sein Fallwärmewasser möglichst reibungslos aus seinen tiefen gedrückten Schichten, die sich verformen, durch sein Haarspaltennetz herausbefördert. Denn wenn er weiterfliessen soll, muss immer Gletscherkorn direkt auf Gletscherkorn drücken; Wasser ist nur hinderlich.
Viel wichtiger und zahlreicher noch als diese rein physikalischen Besonderheiten des Wassers sind seine physikalisch-chemischen, auf denen z.B. die merkwürdigen Eigenschaften der wässrigen Lösungen und damit die Möglichkeit des Lebens beruht. Aber alle diese Merkwürdigkeiten des Wassers beruhen auf seinem elektrischen Dipol, auf diesem sonderbaren Winkel von 110°. Statt vieler kleiner Wunder haben wir nur noch ein grosses zu erklären. Einstweilen dürfen wir sagen: Unendlich kompliziert ist die Natur in ihren Erscheinungen und Geschehnissen, aber sie ist unendlich einfach in ihren Mitteln!
Wo kommt das Fallwärmewasser hin? Die Frage nach der Durchlässigkeit des Eises ist am lebenden Gletscher schwierig zu erforschen. Es hängt alles von den Druck- und Unterdruckverhältnissen ab, und ebenso oft beobachtet man das Einsickern wie das Nichteinsickern. Mercanton fand Unterdruck in den eingeschlossenen Luftblasen eines Stückes Gletschereis. Bei Bohrungen stiess Hess auf Wasser im Gletscher, das unter Druck stand. Andererseits kennt jeder Gletscherwanderer die Schmelzlöcher, die morgens mit einer dünnen Eisdecke verschlossen sind, unter welcher sich mehrere Zentimeter Luft befinden können; hier hat also in der Nacht Einsickerung stattgefunden. Man kann nur sagen: Das Fallwärmewasser wird von Gebieten hohen Drucks nach Orten geringen Drucks gedrückt; auch an die Oberfläche kann es vom Fliessdruck gedrückt werden, obgleich es schwerer ist als Eis. Schliesslich wird es z.B. eine Randspalte finden und sich dem Gletscherbach zugesellen. Schon Agassiz hat in einer Frostnacht das Ausschwitzen von Wasser beobachtet; man sah sogar kleine Springbrunnen auf Gletschern, auch in Grönland, mitten im Winter. Aber dass dies Fallwärmewasser ist, kann man nicht mit Gewissheit behaupten. Ich habe jahrelang nach Möglichkeiten gesucht, das errechnete Fallwärmewasser der Menge nach im Gletscherbach nachzuweisen. Ich nahm den winterlichen Gletscherbach zu Hilfe. Ebenso wie das Erdwärmewasser erzeugt der Gletscher auch sein Fallwärmewasser im Winter, sogar etwas mehr als im Sommer Ich nahm nun an, der winterliche Gletscherbach bestehe nur aus Erd- und Fallwärmewasser. Am Beispiel des Rhonegletschers glaubte ich dann, das Fallwärmewasser wenigstens roh nachweisen zu können. Jedoch zeigt eine genaue Untersuchung, dass dieser Beweisversuch unsicher ist. Herr Prof. Hess, bei dem ich für seine wohl- wollende Förderung in Dankesschuld stehe, teilte mir freundlich mit, dass die Schweizer Quellenfachleute das winterliche Gletscherwasser vorwiegend für Quellwasser halten, das im Sommer und Winter unter den Gletschern austritt. Diesen Faktor hatte ich geglaubt, vernachlässigen zu dürfen.
Ich habe mich überzeugt, dass die Schweizer recht haben. Das Winter-wasser der Rhone ist weit stärker als die Rechnung für die Erd- und Fallwärme ergibt, und in der Tat sind Quellen in der Gegend des Rhonegletschers nicht selten. Der Aletsch wäre geeigneter. Hess hat schon einen entwicklungs-fähigen Ansatz zur Beurteilung des Wasserhaushalts des Aletschgletschers gemacht. Danach würde dort das Quellwasser wenigstens nicht mehr als das Fallwärmewasser betragen. Denn eine Überschlagsrechnung, die ich für das ganze Gebiet ausführte, ergab, dass das Fallwärmewasser des Aletsch etwa gleich der Hälfte seines Winterbachs ist. Aber solange man über den Quellenertrag nichts Genaues weiss, fällt der Beweis ins Wasser. Übrigens ist der winterliche Gletscherbach schwierig einwandfrei zu messen.
Vor hundert Jahren hat Desor zuerst die Meinung ausgesprochen, die winterlichen Gletscherbäche seien Quellwasser, weil sie meist ganz klar und wohl trinkbar sind. Das ist nun freilich kein Beweis für Quellwasser, denn auch dieses müsste sich ebenso trüben wie Schmelzwasser, sobald es die Grundmoräne passiert. Aber die steilen Alpengletscherbäche haben sich unterm Gletscher im Sommer zahlreiche geräumige Strudellöcher geschaffen ( Beispiel: Rosenlauigletscher ), in denen sich der schwache Winterbach klären kann. Den Schlamm erzeugt der Gletscher auch im Winter; und grosse Gletscher wie der Aletsch geben auch im Winter trübes Wasser.
Wir müssen also gestehen, dass es vorläufig unmöglich ist, das Fallwärmewasser durch direkte Beobachtung nachzuweisen, und müssen uns mit der Einsicht begnügen, dass es naturnotwendig entstehen muss, sobald die Schmelztemperatur des Gletschers, wenigstens in seinen unteren tragenden Schichten, feststeht. Diese Frage lässt sich, auch bei polaren Gletschern, leicht und sicher mit ja beantworten.
Das Fallwärmewasser entsteht auf jeden Fall, einerlei wie man sich die Gletscherbewegung denken mag. Wäre die Verformung des Eises eine plastische, so müsste das Fallwärmewasser im Innern der Gletscherkörner entstehen; der Gletscher müsste ein Eisbrei werden, der talauswärts immer dünner wird. Aber das stimmt nicht; stets steht starr wie Stein der Gletscher auf dem Boden.
Bei Kristallen gibt es eine Art plastischer Verformung, die nicht mit einer Störung, Verkrümmung des Raumgitters verbunden ist. Es ist die Verschiebung ( « Translation » ) längs Gleitflächen. Man kann sich einen Kristall aus dünnen Plättchen aufgebaut denken, die sich unter Druckwirkung verschieben können wie die Blätter eines Kartenspiels, ohne dass das Kristallgitter sich verändert und ohne dass die Masse ihren Zusammenhang verliert. Man beobachtet bei solchen Kristallen leichte Spaltbarkeit, eben nach diesen Gleitflächen. Eis hat nur eine solche Gleitfläche, es ist die End- oder Basisfläche, auch Tafelebene genannt; es ist z.B. die Ebene des Spiegels eines zugefrorenen Sees. Sie steht senkrecht zur Hauptkristallachse. Mügge wies nun zwar nach, dass in der Richtung dieser Ebene die innere Reibung geringer ist, aber der Unterschied ist nicht gross, und Spaltbarkeit gibt es bei Eis nicht; ein Eiskristall bricht immer muschelig. Manche meinen, dieses Gleiten des Eises in sich käme bei der Gletscherbewegung in Frage. Aber es müssten ja statt einer Gleitrichtung deren drei in jedem Kristall vorhanden sein, wenn man damit alle Formänderungen der Gletscherkörner erklären wollte. Ein Kristall, der diese Bedingung erfüllt, ist das Steinsalz. Es ist leicht spaltbar, und zwar nach 3 aufeinander senkrechten Richtungen; man kann einen Steinsalz-würfel zu beliebig vielen Würfelchen zerspalten. Infolgedessen ist Steinsalz in hohem Grade plastisch. In starken Pressen kann man es verformen, und zwar plastisch ohne Verkrümmung des Raumgitters der Moleküle. Ob aber ein Salzgletscher fliessen könnte wie ein Eisgletscher?