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Eis

Wie bewegt sich ein Festkörper

Auch wenn die meisten Menschen in unseren Breiten recht froh sein dürften, wenn Eis und Schnee wieder in den flüssigen Aggregatzustand übergegangen sind, verdient Eis doch eine eingehender Betrachtung. Allein die Tatsache, daß Eis bei 0 °C eine geringere Dichte besitzt als Wasser hat weitreichende Konsequenzen, ohne die das Leben auf der Erde überhaupt nicht möglich wäre. Außerdem sollten wir nicht vergessen, daß es ohne die weiteren Eigenschaften des Eises keine Geschiebe und somit auch keine Geschiebekunde gäbe

Betrachten wir zunächst die innere Struktur des Eises als kristalline Form des Wassers, da hier seine wichtigsten Eigenschaften begründet sind. Im Eiskristall bilden die Sauerstoffatome Schichten regelmäßiger Sechsecke. In jeder Schicht liegen die Atome in zwei alternierenden Lagen mit geringem Abstand. Dabei ist jedes Sauerstoffatom tetraedrisch von vier Wasserstoffatomen umgeben, von denen jeweils zwei direkt über Atombindungen, zwei durch sogenannte Wasserstoffbrücken gebunden sind. Eine Wasserstoffbrückenbindung kann entstehen, wenn der Wasserstoff an ein besonders elektronegatives (Elektronen-anziehendes) Atom wie den Sauerstoff gebunden ist. Dabei hält sich das bindende Elektronenpaar näher am Sauerstoffatom auf, der dadurch eine negative Teilladung erhält. Der Wasserstoff besitzt dann eine positive Teilladung. Die negativ polarisierten Sauerstoffe und die positiv polarisierten Wasserstoffe üben aufeinander eine starke Anziehungskraft aus. Es handelt sich also nicht um eine wirkliche Bindung, sondern um eine Wirkung der Polarität.

Die so entstehende Struktur hat ein großes Volumen. Wenn das Eis schmilzt, so bricht das Gitter zusammen und die einzelnen H2O-Moleküle können sich dichter zusammenlagern. Daher schwimmt Eis auf dem Wasser, es hat eine geringere Dichte als Wasser. Je weiter nun die Erwärmung des Wassers geht, je mehr bricht die Ordnung zusammen und je weniger Platz brauchen die Moleküle. Gleichzeitig nimmt aber auch die Molekülbewegung zu und damit der Raum, den ein Molekül für sich beansprucht. Aber dieser Vorgang überwiegt erst ab 4 °C, so daß Wasser hier sein Dichtemaximum besitzt. Diese Eigenschaften verhindern das vollständige Gefrieren der Gewässer.

Wenn wir eine Schneeflocke betrachten, wie sie bei uns im Winter fällt, dann ist es schwierig, sich vorzustellen, wie aus so einem zerbrechlichen Gebilde etwas so kompaktes wie Eis werden kann. Was stellt ein Eisblock überhaupt dar?

Ein Eisblock ist ein Gestein aus dem Mineral Eis. Sehen wir uns das einmal bei einem Gletscher an: Dort sind Schneeflocken, die gleich einem magmatischen Gestein aus der Schmelze kristallisiert sind, als Sediment auf der Erde abgelagert. Immer neue Schichten folgen der Ersten und erreichen große Mächtigkeiten. Der Druck auf auf die unteren Schichten nimmt zu. Langsam beginnt sich unser Sediment Schnee zu verändern, und wird zu Eis, das damit den metamorphen Gesteinen gleicht.

Bei der Metamorphose verlieren die Schneekristalle ihre filigrane Gestalt sie werden runder und kompakter. Gleichzeitig nimmt die Dichte zu, der Gehalt an eingeschlossener Luft sinkt von 90 % bei frisch gefallenem Schnee über 20 - 30 % bei Firn bis unter 20 % bei Gletschereis (in einzelnen Luftblasen). Durch Sinterung bilden sich zwischen den einzelnen Eiskristallen kleine Eisbrücken. Dabei spielt Sublimation, also der direkte Übergang vom festen in den gasförmigen Zustand eine bedeutende Rolle. Die Sublimation nimmt aber mit der Abnahme des Luftgehalts ab und an ihre Stelle treten zunehmend Diffusionsvorgänge. Die Dichte des Eises steigt von 0,55 g/cm3 über Firn mit 0,8 g/m3 bis zum Gletschereis, welches eine Dichte von 0,91 g/m 3 hat.

Diese Vorgänge hängen stark von den jeweils herrschenden Temperaturbedingungen in dem Gletscher ab und sind auch innerhalb eines Gletschers nicht einheitlich.

Dabei werden drei Typen von Gletschern unterschieden, welche sich am einfachsten anhand ihres Schmelzwasserabflusses charakterisieren lassen.
Erstens,  der temperierte Gletscher wie z.B. unsere Alpengletscher.
Zweitens, der polare Gletscher wie wir in in Arktis und Antarktis vorfinden.
Drittens, der subpolare Gletscher, der von den Temperaturbedingungen her zwischen den beiden anderen liegt.

Der Schmelzwasserabfluß eines Gletschers hängt auch von dem Druckschmelzpunkt des Eises ab. Hierbei handelt es sich um die Temperatur, bei der das Eis in Abhängigkeit von dem herrschenden Druck schmilzt, ein Vorgang, der auch beim Schlittschuhlaufen eine Rolle spielt. Hier übt unser Körpergewicht über die kleine Fläche unserer Kufen Druck auf des Eis aus, der jeweils eine kleine Menge Eis schmelzen läßt. Wir gleiten dann auf einem dünnen Wasserfilm fast reibungslos über das Eis. Druck läßt den Schmelzpunkt von Eis um rund 0,0077 °C/bar absinken. Bei den polaren Gletschern liegt die Temperatur fast das ganze Jahr unter dem Druckschmelzpunkt, auch in den Sommermonaten ist fast kein oder nur sehr wenig Schmelzwasser an der Gletscherbasis zu finden. Die temperierten Gletscher haben an ihrer Basis ganzjährig Temperaturen um den Druckschmelzpunkt, entsprechend ist Schmelzwasser vorhanden, die subpolaren Gletscher erreichen ihn nur im Sommer.

Das Angebot an Schmelzwasser beeinflußt auch den Ablauf der Metamorphose. Wenn bei c.a. -25 °C auch an der Gletscheroberfläche kein Schmelzwasser gebildet wird, läuft sie über Molekulardiffusion und Sublimation ab, sie ist also langsam und das Eis bleibt feinkörnig.
Mit Schmelzwasser im Gletscher erfolgt die Umwandlung von Schnee in Eis rascher, die einzelnen Eiskörner werden größer. In den tieferen Regionen des Gletschers verbinden sich die einzelnen Eislinsen zu einer zusammenhängenden Eismasse.

Während das Eis nun an Mächtigkeit zunimmt, wird es eine von der Hangneigung abhängige kritische Dicke überschreiten. Es wird dann anfangen, sich hangabwärts zu bewegen, um so wieder die die kritische Eisdicke einzustellen. Diese Bewegung des Eises ist es schließlich auch, die für die geologische Arbeit des Eises verantwortlich ist und das Eis überhaupt erst zum Gletscher
macht. Aber wie kann sich Eis bewegen, das doch ein ziemlich fester Stoff ist?
Wie oben bereits gesagt, besteht Gletschereis aus verschiedenen kleinen Eiskristallen, deren kristallographische Achsen wahllos im Raum orientiert sind. Also hat das Eis in allen Richtungen die gleichen Eigenschaften, es ist quasi-isotrop. Aber der einzelne Eiskristall ist in seinen Eigenschaften Richtungsabhängig, also anisotrop. Wird er mechanisch belastet, so wird er entlang der Sechseckebenen der Sauerstoffatome abgleiten, etwa wie ein Stapel Münzen sich quer zur Säule verschieben läßt.
Gerät also unser Eis unter gerichteten Druck, so werden zuerst bei den günstig liegenden Kristallen die Ebenen abgleiten, gleichzeitig beginnen die Kristalle umzukristallisieren. Sie ordnen sich senkrecht zur herrschenden Spannung an, das heißt, die Sechseckebenen liegen parallel mit ihr. Es entsteht ein anisotroper Polykristall, Dieser Vorgang ist bei nachlassender Belastung reversibel, so daß bei nachlassendem Druck wieder eine Desorientierung der Kristalle eintritt.

Das Eis reagiert bei Belastung plastisch. Das bedeutet, das Eis bei mechanischer Belastung eine irreversible Veränderung seiner Struktur erleidet. Das Abgleiten der Schichten in dem Eiskristall stellt also eine dauerhafte Verformung dar. Die Verformungsgeschwindigkeit nimmt mit wachsender Schubkraft zuerst langsam ab, um dann ab einem Grenzwert, der bei rund 1 bar (1000 hPa) liegt, rasch zuzunehmen. Damit ähnelt Eis in seinem Verhalten Metallen nahe ihrem Schmelzpunkt, es gleicht also einem heißen Metall. Die Fließgeschwindigkeit eines Gletschers hängt auch von seiner Temperatur ab. Je kälter er ist, je langsamer läuft auch die Verformung ab.

Die Gleitvorgänge innerhalb der Eiskristalle ergeben ein Bewegungsbild, das einer laminaren Strömung gleicht. So bewegt sich das Eis in der Gletschermitte am schnellsten, gegen die Wandung und den Gletschergrund nimmt die Geschwindigkeit stark ab. Direkt am Grund und an der Wand geht sie sogar gegen null, was die Erklärung der Glazialerosion und der Geschiebe als Problem erscheinen läßt. Aber da sich Gletscher nicht nur durch innere Deformation bewegen, sondern auch durch Gleitvorgänge, läßt sich auch dieses Problem lösen.

Es gibt noch eine zweite Bewegungsart außer der strömenden Bewegung, die Blockschollenbewegung. Hier nimmt die Geschwindigkeit innerhalb einer schmalen Randzone schnell zu und bleibt fast über den gesamten Querschnitt des Gletschers nahezu gleich. Sie läßt sich am einfachsten durch Gleitvorgänge am Gletschergrund erklären und geht zumeist auf zwei Ursachen zurück:
1. Gleiten durch Druckverflüssigung
2. Anwachsen der Spannung vor Hindernissen am Gletschergrund.
Das Prinzip der Druckverflüssigung wurde bereits oben erwähnt. Am Grund eines Gletschers kommt es vor Hindernissen zu einer Erhöhung des Drucks und, sofern die Temperatur im Bereich des Druckschmelzpunktes liegt, zum lokalen Aufschmelzen. Das Schmelzwasser fließt dann bergab in Bereiche mit geringerem Druck, wo es wieder gefriert.
Zur Zerstörung der Ordnung in den Eiskristallen wird aus der Umgebung Wärmeenergie verbraucht. Diese latente Schmelzwärme wird mit dem Schmelzwasser hangabwärts transportiert und beim Gefrieren wieder freigesetzt. Ist das Hindernis nicht zu groß, so kann diese Wärme durch Wärmeleitung wieder Hangaufwärts transportiert werden. Sonst würde die Temperatur oberhalb des Hindernisses absinken, der Vorgang käme zum erliegen. Bei Hindernissen, die größer als 1 Meter sind, ist die Wärmeleitung zu vernachlässigen, dieser auch Regelation genannte Vorgang kommt also nur bei sehr kleinen Hindernissen zum tragen.

Sind die Hindernisse größer, so finden sich hier hohe Scherspannungen und da die Geschwindigkeit des Eises dem Produkt der Spannung und der wirksamen Strecke proportional ist, fördern auch sie die Gletscherbewegung. Die Witterungsabhängigkeit der Geschwindigkeit ist ebenfalls mit Schmelzwasser an der Basis zu erklären. So tritt bei den temperierten und subpolaren Gletschern durch den Auflastungsdruck und die Scherspannung zumindest teilweise Schmelzwasser an der Basis auf. Dieses bildet einen Wasserfilm, der zwischen Eis und Fels liegt. Deutlich zeigt sich der Zusammenhang, wenn man in einem Gletschertunnel einen Eisblock durch Fugen vom Gletscher trennt. Er friert am Felsen fest, sobald er nicht mehr dem Druck unterliegt. Auch die Witterungsabhängigkeit der Gletscherbewegung kann aus dem Schmelzwasseranteil an der Basis erklärt werden. Einige Gletscher sind im Sommer bis zu 20 % schneller als im Winter. Der größte Anstieg der Eisgeschwindigkeit findet dann in dem unteren halben Meter des Gletschers statt, so daß die Gletscherbewegung zu rund 80 % aus basisnahem Gleiten, aber nur zu 20 % aus Gleitung an den Kristallebenen besteht.
 
 

 
 
 
seit 05. Mai 1998 


 
© 1998 Gunnar Ries ----------------------------------------------------------------------------

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