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Wasser ist ein spezieller Stoff, um nicht zu sagen ein Phänomen! „Normale“ Stoffe werden beim Abkühlen immer dichter, das heisst, ihre kleinsten Teilchen rücken mit zunehmender Kälte immer näher zusammen.
Dichte Stoffe sinken oder fallen schneller als weniger dichte
Deshalb fällt zum Beispiel ein Stein durch die Luft auf den Boden (Stein ist dichter als die Luft). Ein mit Helium gefüllter Ballon hingegen steigt auf (Helium ist weniger dicht als Luft). Öl und Benzin sind weniger dicht als Wasser und sammeln sich deshalb an der Wasseroberfläche.
Ein Spezialfall: Wasser ist bei 4 °C am dichtesten
Bei Temperaturen unter 4 °C wird Wasser wieder weniger dicht. Zwischen 4 °C und 0 °C ist der Unterschied nur gering, aber er reicht bereits dafür aus, dass das kältere Wasser zur Oberfläche aufsteigt. Ausserdem wird die oberste Schicht eines Sees vom Wind gekühlt, besonders, wenn die Luft über dem See sehr kalt ist. Auch wenn Wasser an der Oberfläche verdunstet, kühlt der Rest des Sees darunter ab (ähnlich wie unsere Haut abkühlt, wenn Schweiss verdunstet).
Das restliche Wasser im See, welches nicht gefriert, hat eine Temperatur von ca. 4 °C. Bei dieser Temperatur frieren die Tiere im Wasser nicht ein, sondern können einen Winterschlaf machen oder auf andere Weise überwintern.
Übrigens: Wenn Wasser zu Eis gefriert, bildet es eine spezielle Struktur, dehnt sich aus und schwimmt wie ein Stück Holz auf dem flüssigen Wasser. Auch schwere Tiere wie Eisbären können auf Eisschollen sitzen, ohne abzutauchen.