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Eis.
[* 2] In der
Frage nach der
Zusammensetzung des
Eises, welches sich in Salzlösungen oder in Meerwasser gebildet hat,
stehen zwei
Ansichten einander gegenüber. Auf experimentellem Wege kam man zu dem
Schlusse, daß
Eis, welches
durch Gefrieren von schwachen Salzlösungen entsteht, reines
Eis ist, und daß das
Salz,
[* 3] von welchem man unmöglich das
Eis ganz
befreien kann, der
Mutterlauge angehört; durch Untersuchungen von Meerwasser
eis, welches aus hohen
Breiten stammte, ist
man zur entgegengesetzten
Ansicht gekommen. J. Y.
^[John
Young]
Buchanan glaubt
nun auf
Grund seiner Untersuchungen, welche er
während der
Reise des
Challenger anstellte, annehmen zu dürfen, daß Meerwasser
eis keine Mischung von reinem Eis und
Salzsole
ist, sondern daß es das darin enthaltene
Salz im festen Zustand enthält. Es sind vornehmlich zwei
Punkte,
von deren Bestimmung die
Entscheidung der
Frage abhängt:
1) bei welcher Temperatur gefrieren Seewasser oder irgend welche andre Salzlösungen, und welches ist die chemische Zusammensetzung des fester und flüssigen Teiles, in den diese beim Gefrieren übergehen;
2) bei welcher
Temperatur schmilzt reines
Eis in Seewasser oder in Salzlösungen von verschieden starker
Konzentration.
In Bezug auf den ersten Punkt haben die Experimente ergeben, daß bei schwachen Lösungen der Prozentsatz an Chlor die Erniedrigung des Gefrierpunkts der Lösungen in Zentigraden angibt. Infolge besonderer physikalischer Eigenschaften ist es unmöglich, den kristallinischen festen Körper, welcher sich aus Seewasser oder analogen Salzlösungen ausscheidet, so herzustellen, daß man die Frage, ob das Salz einen integrierenden Bestandteil der festen kristallinischen Materie bildet oder nicht, direkt durch chemische Analyse lösen könne.
Soweit diese sich anwenden läßt, kann man schließen, daß der sich bildende feste
Körper reines
Eis ist. In der
Natur bildet
sich das
Eis an der Oberfläche wahrscheinlich bei einer fast gleichförmigen
Temperatur, indem die lokale
Konzentrierung, welche durch die
Bildung eines
Eiskristalls bedingt wird, sofort durch die darunter befindliche Wassermasse
ausgeglichen wird.
In den Zwischenräumen der
Kristalle
[* 4] wird nun eine
Menge leicht konzentrierten Seewassers zurückgehalten,
die mindestens so
groß ist wie die der
Eiskristalle.
Diese halten die Sole in einem Netze von Zellen, und in dem Maße, wie die Dicke des Eises wächst und die Gefrierfläche sich mehr und mehr entfernt, werden Eis und Sole der atmosphärischen Kälte des arktischen Winters ausgesetzt. Die Sole setzt fortwährend Eis ab, in gleichem Maße steigt aber der Prozentsatz an Salz und erniedrigt sich der Gefrierpunkt für die übrigbleibende Salzlösung. Fortgesetzte Wärmeentziehung bewirkt endlich die Erstarrung der Lösung als Ganzes in der Gestalt eines kristallinen Hydrats oder sogen. Kryohydrats. So scheidet sich zuerst das Kryohydrat von Chlornatrium aus, Chlorcalcium und Chlormagnesium behalten aber noch etwas Wasser, das selbst bei der niedrigsten Temperatur nicht gefriert. Wahrscheinlich ist es ganz unmöglich, daß Seewasser bei irgend einer in der Natur vorkommenden Kälte ganz gefriert.
Schnee [* 5] oder reines Eis, welches in reinem Wasser unter gewöhnlichem Luftdruck bei 0° schmilzt, verändert seinen Schmelzpunkt, wenn es in eine Salzlösung eingetaucht wird. Die Veränderung der Schmelztemperatur ist für Lösungen von gleicher Zusammensetzung dieselbe und verschieden für Lösungen von verschiedener Zusammensetzung. Die Temperatur, bei welcher reines Eis in einer Salzlösung schmilzt, ist identisch mit derjenigen, bei welcher sich Eis aus derselben Lösung bei genügender Abkühlung ausscheidet.
Wenn Salzlösungen hinreichend lange bei genügend niedriger Temperatur abgekühlt sind, so tritt bei einer gewissen Temperatur eine bestimmte Konzentrierung ein, jede fernere Wärmeentziehung veranlaßt ein weiteres Gefrieren der Sole. Die Konzentrierung, welche nötig ist, um selbst Kryohydrat von der höchsten Schmelztemperatur zum Festwerden zu bringen, ist derart, daß beim primären Gefrieren des Seewassers kein solcher Körper sich bilden kann. Daraus ¶
mehr
allein folgt schon, daß das erste Eis, welches sich in der See in arktischen Gegenden bildet, reines Eis ist, und es ist ebenso sicher, daß es eine große Menge des zurückbleibenden Seewassers in den Zwischenräumen hält. Während des Winters wird diese eingeschlossene Flüssigkeit zu Eis und Kryohydrat, soweit die Temperatur und Beschaffenheit der Salze in Lösung es zulassen. Das Vorhandensein von Sole, die schwer oder gar nicht gefriert, in neugebildetem Seewassereis erklärt seine hohe Plastizität selbst bei sehr niedriger Temperatur.
Die Thatsache, daß Kryohydrat von verschiedenen Salzen bei verschiedener Temperatur gefriert und schmilzt, erklärt hinreichend die mannigfache Zusammensetzung verschiedener Proben alten Seeeises. Die bekannte Ausdehnung, [* 7] welche Eis, das sich aus gefrierendem Wasser mit irgend etwas Salz bildet, nahe dem Schmelzpunkt erleidet, findet eine genügende Erklärung unter der Annahme, daß das Wasser beim Gefrieren alle salzigen Stoffe von der Teilnahme am Erstarren streng ausschließt.
Die zurückbleibende und nicht gefrierende Sole, welche in beträchtlicher Quantität flüssig bleibt, wenn Seewasser gefriert, muß auch in größerer oder geringerer Menge vorhanden sein, wenn Süßwasser gefriert. Denn alles natürliche Wasser, einschließlich Regenwasser, enthält einige fremde und gewöhnlich salzige Bestandteile. Bedenkt man nun, daß die Gegenwart selbst der geringsten Quantität salziger Stoffe in Lösung die Bildung von Eis bei 0° verhindert und das Schmelzen des Eises bei einer Temperatur unter 0° fördert, so sieht man, daß die Ausdehnung des Eises beim Abkühlen wahrscheinlich daher rührt, daß wir es nicht mit homogenem festen Eis, sondern mit einer Mischung von Eis und einer Salzlösung zu thun haben.
Fällt die Temperatur, so scheidet diese Lösung mehr und mehr Eis aus, das Volumen des Eises wächst. Aber diese Volumenzunahme rührt von der Bildung von Eis aus Wasser her, nicht von der Ausdehnung eines bereits gebildeten kristallinischen Körpers. Auch die sehr niedrige latente Wärme, [* 8] welche bei Seewasser beobachtet wird, findet ihre Erklärung durch die Thatsache, daß das Salz eine beträchtliche Menge Wasser in flüssigem Zustand selbst bei einer Temperatur erhält, die mehrere Grade unter dem Gefrierpunkt destillierten Wassers liegt.
Endlich hat die Plastizität des Eises und die Bewegung der Gletscher nichts Befremdendes, sobald man bedenkt, daß, wenn Wasser, aus dem das Eis sich bildet, nicht mehr als 7 Teile Chlor auf 1 Mill. ccm enthält, das Eis beim Tauen, wenn die Temperatur bis auf -0,07° gestiegen ist, bis zum Betrag von 1 Proz. seiner Masse aus flüssiger Sole oder Wasser besteht. Solches Wasser ist aber sicher nicht weniger frei von fremden Bestandteilen als Regen oder Schnee. Es folgt daher, daß ein Gletscher in einem Klima, [* 9] wo die Temperatur für den größten Teil des Jahres über 0° liegt, eine Tendenz zum Fließen haben muß infolge der Fähigkeit von Salzlösungen, bei Temperaturen unter 0° C. zu bilden und aufzulösen.
Die Formen des atmosphärischen Niederschlags in fester Gestalt treten vielfach in kristallinischem Zustand auf. Die dabei beobachteten Gestalten zeigen bei großer Mannigfaltigkeit als vorherrschende Form das gleichwinkelige Sechseck, so daß bei ihnen nur Winkel [* 10] von 60° und 120° auftreten. Die Schneekristalle [* 11] treten vielfach als Eisnadeln, zuweilen als Eisblättchen, am seltensten in körperlichen Gebilden auf, welche durch Verbindung mehrerer Schneesternchen als kristallinische Zwillingsbildungen entstehen.
Nach den gewöhnlichen Vorstellungen gehen die in der Luft schwebenden Wasserbläschen bei ihrem Erkalten unter 0° in Eiskristalle über, welche sich in der freien Atmosphäre zu Schneeflocken vereinigen und beim Ansetzen an feste Gegenstände die Reif- und Rauhreifbildungen hervorbringen. Untersuchungen unter dem Mikroskop [* 12] haben nun aber gezeigt (dieselben wurden von Aßmann auf dem Brocken ausgeführt), daß bei einer Temperatur von -10° keine Eiskristalle, sondern kleine Tröpfchen flüssigen Wassers (nicht Hohlbläschen) in der Luft schweben, und daß diese bei Berührung mit einem festen Gegenstand, im vorliegenden Falle mit einem ausgespannten Haar, [* 13] momentan zu kleinen Eisklümpchen ohne jede kristallinische Struktur erstarren.
Durch ein reihenweises Aneinandersetzen solcher Eisklümpchen entstehen dabei Bildungen, welche, mit bloßem Auge [* 14] betrachtet, den Eindruck von Kristallen hervorbringen. Ebenso zeigte es sich, daß auch der Reis unter gewöhnlichen Verhältnissen nicht kristallinisch ist, sondern aus einzelnen rundlichen Eisklümpchen zusammengesetzt wird. Bei Temperaturen, die nur wenig unter dem Gefrierpunkt lagen, bildeten sich regelmäßige, abgerundete, blattartige Formen, die, im ganzen genommen, den Eindruck eines Eiskristalls machten.
Außer diesen aneinander gewachsenen Eistropfen wurden aber auch wirkliche kristallinische Bildungen beobachtet, und zwar erschienen dieselben an den Kanten trockner Holzbrettchen in Form von sechsseitigen Prismen und auf der Erde in Form von feinen sechseckigen Platten und Säulen. [* 15] Ferner wurden auch feine sechsseitige Blättchen, zuweilen auch Blättchen von parallelepipedischer Form oder ganze hexagonale Säulen beobachtet, welche aus der Luft herabfielen und teils einzeln, teils mit andern ähnlichen Blättchen sternförmig gruppiert waren.
Äußerlich machten sich diese kleinen Eiskristalle schon dadurch bemerkbar, daß sie im Sonnenlicht ein intensives Glitzern verursachten, weshalb sie mit dem Namen Diamantstaub bezeichnet werden. Diese glitzernden Eiskristalle, welche in der Luft schweben, treten namentlich in den nördlichern Gegenden jeden Winter einige Male auf und gewähren besonders dann einen schönen Anblick, wenn sie sich in den untern Luftschichten befinden und der Himmel [* 16] sonst wolkenlos ist. Auch die Beobachtungen des Rauhreifs zeigten unter dem Mikroskop zuweilen Bildungen, welche nicht aus Eisklümpchen bestanden, sondern kristallinische Struktur besaßen, bei welcher sich an einem Hauptstamm Seitenzweige unter einem Winkel von 60° ansetzten. Den Schluß der Zweige bildete meist eine hexagonale Platte, die sich zuweilen auch schon auf die Zweige selbst aufgesetzt fand.
Aus diesen Beobachtungen scheint sich zu ergeben, daß Reif und Rauhreif verschiedene Modifikationen desselben Vorganges sind. Ist der Gehalt an Wasserdampf in der Atmosphäre gering, so wird sich derselbe nur in den untersten Luftschichten, welche mit dem durch Ausstrahlung abgekühlten Erdboden in Berührung stehen, kondensieren und sich in Form von Reif am Erdboden festsetzen, während der Rauhreif entsteht, wenn der Wassergehalt so reichlich vorhanden oder die Temperatur so niedrig ist, daß seine Kondensation bis in die höhern Schichten heraufreicht. Die Wassertröpfchen befinden sich dabei in überkältetem Zustand und werden sowohl bei der Reif- als auch bei der Rauhreifbildung infolge der Berührung mit einem festen Gegenstand die Form von Eisklümpchen annehmen. Erst wenn die Temperatur so tief unter dem Gefrierpunkt liegt, daß das Wasser aus dem gasförmigen Zustand unmittelbar in den festen ¶
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übergeht, werden sowohl beim Reif als auch beim Rauhreif kristallinische Bildungen auftreten. Welche Dimensionen die Rauhreifbildungen annehmen können, lernt man auf Bergen, [* 18] wie die Schneekoppe oder der Brocken, kennen, wo z. B. die Telegraphenstangen durch das Ansetzen von Rauhreif zu Säulen von 3 m Durchmesser anwachsen.
Bei den mikroskopischen Untersuchungen zeigte es sich oft, daß kleine Wassertröpfchen auffielen, welche trotz einer Temperatur von -10° aus flüssigem Wasser bestanden und sich nicht in Eisnadeln oder Eiskristalle verwandelten, sondern entweder in kurzer Zeit (5-10 Sekunden) verdunstet waren oder bei unveränderter Gestalt zu einem festen, völlig durchsichtigen Eisklümpchen erstarrten. Dieser Vorgang tritt in ähnlicher Weise bei der Bildung des Glatteises ein.
Dieses bildet sich einmal, wenn Wassertropfen auf Gegenstände fallen, die bis unter den Gefrierpunkt abgekühlt sind, sich auf diesen ausbreiten, darauf gefrieren und die Oberfläche mit einer Eiskruste überziehen. Außerdem entsteht das Glatteis aber auch, wenn die Wassertropfen, oft mit unvollkommen geschmolzenen Schneeflocken gemischt, nur wenig überkältet sind und beim Auffallen auf feste Gegenstände noch Zeit haben, sich vor ihrem Erstarren auszubreiten.
Größere Schneemassen werden oft bei Temperaturen, die den Nullpunkt übersteigen, zu einer zähen Masse vereinigt. Eine mikroskopische Untersuchung ergab, daß der Schnee in diesem Zustand aus verhältnismäßig großen, rundlich gestalteten Firnkörnern besteht, welche fest aneinander kleben und dadurch dem Schnee die Fähigkeit zu eigentümlichen Bildungen geben. Bei einer Temperatur, die sich in der Nähe des Nullpunktes hält, geht im Innern des Schnees unter seinem eignen Druck eine langsame Formveränderung vor, welche z. B. auf einem geneigten Dache ein Fließen des Schnees, wie wenn er aus einer zähen Masse bestände, zur Folge hat.
Unmittelbar nachdem der Schnee auf die geneigte Unterlage gefallen, ist er an seinem untern Ende ungefähr senkrecht begrenzt und bewegt sich dann, wenn die innere Formveränderung eingetreten ist, in Zeit von mehreren Tagen wie eine zähe Masse konstant vorwärts, indem sich die obern Schichten in einzelnen Fällen bis 75 cm weiter als die untern vorschieben, ohne daß ein Gleiten der ganzen Masse eingetreten wäre. Hierher gehören auch die Bildungen von Schneeguirlanden auf Bäumen.
Der auf den Ästen liegende Schnee kommt, wenn seine innere Formveränderung eingetreten ist, ebenfalls ins Fließen und bildet dann, gleichwie ein biegsames Tau, eine Art von Guirlanden, die sich von einem Ansatzpunkt bis zum nächsten in frei schwebenden Bogen [* 19] herüberziehen und zuweilen eine Dicke von 10-15 cm erreichen. Außer daß sich der Schnee ebenso wie auf dem Dache in eine zähe Masse verwandelt hat, kommt bei dieser Erscheinung auch noch zur Sprache, [* 20] daß sich die ganze Schneemasse in Bewegung gesetzt hat, wie aus Abdrücken von Zweigen auf der Unterseite der Guirlanden nachgewiesen werden kann. Ähnliche Verhältnisse spielen auch eine Rolle bei den eigentümlichen Formen, die zuweilen bei Schneetreiben beobachtet sind u. aus kleinen Schneewalzen bestehen, welche einen Durchmesser von 20 cm erreichen. Diese kleinen Rollen [* 21] haben das Ansehen von Muffen, denen sie wegen der scheinbaren innern Höhlung, welche in der That nur trichterförmig zu beiden Seiten einspringt, ganz besonders ähnlich erscheinen.
Von eigentümlichen, unter bestimmten Verhältnissen auftretenden Eis- oder Schneebildungen wären endlich noch die Eisfilamente zu erwähnen. Dieselben bestehen aus kleinen Eissäulen, welche oft regelmäßig prismatisch, oft unregelmäßig gestaltet sind und in großer Zahl auf schneefreien Kieswegen beobachtet werden. Dieselben tragen meist auf der Spitze kleine Steine, erdige Massen oder Blätter, sind aber auch zuweilen bei oberflächlicher Betrachtung nicht wahrnehmbar, wenn nämlich die obere Erdschicht durch die Eissäulen gehoben ist und diese selbst verdeckt sind.
Ähnliche Bildungen sind auch auf Ästen und Zweigen beobachtet worden. Kristallinische Eismassen dringen zuweilen aus halbfaulem Holze bis zu 10 cm Länge heraus und gleichen einer hervorgequollenen Asbestmasse, deren Fäden gekrümmt oder gekräuselt erscheinen und einen schönen, seidenartigen Glanz besitzen. Durch zweckmäßige Vorrichtungen können diese Auswachsungen auch künstlich hervorgerufen werden und bilden sich dann um so schöner, je langsamer die Abkühlung erfolgt.
Dabei darf aber die Temperatur nur bis ca. 6-7° unter den Gefrierpunkt sinken, bei größerer Kälte bilden sich diese Eisfilamente nicht. Bei den auf dem Erdboden befindlichen Eissäulen kommen auch verschiedene Etagen übereinander vor, von denen jede an einem verschiedenen Tage entstanden ist, so daß sich die obern an einem frühern, die untern an einem spätern Tage gebildet haben, weshalb die letztern auch kompakter und lückenloser sind, während die erstern durch die Einwirkung der höhern Temperatur zu den wärmern Tagesstunden eine mehr abgerundete und weniger scharfkantige Form annehmen.
Diese Eisfilamente entstehen, indem sie aus den Kapillaren in der Weise herauswachsen, daß sich zunächst ein kleines Eisröhrchen bildet, in welchem aufs neue Wasser empordringt und dann zum Gefrieren kommt. Sinkt die Temperatur sehr schnell, so werden die Poren verschlossen und es entsteht nur ein kurzer Anflug von Eis. Dagegen ist von andrer Seite die Ansicht geäußert, daß das Eis infolge des Anwachsens seines Volumens aus den kleinen Poren und Spalten herausquillt. Wenn in einem wasserhaltigen Erdboden eine Abkühlung bis unter 4° eintritt, wird das Wasser durch seine zunehmende Ausdehnung nach oben getrieben und erstarrt dann an der kältern Luft zu Eis, während das in feinen Kanälen eingeschlossene Eis bei tiefer sinkender Temperatur aus der Oberfläche des Erdbodens herausgepreßt und in Form von Eissäulen vorgeschoben wird.