Eis

Eis
Eiskristalle in derKungurerEishöhle mit deutlich hexagonaler Struktur
Allgemeines und Klassifikation
IMA-Symbol	Ice
Chemische Formel	H2O
Mineralklasse (und ggf. Abteilung)	Oxide und Hydroxide
System-Nummer nach Strunz (8. Aufl.) Lapis-Systematik (nach Strunz und Weiß) Strunz (9. Aufl.) Dana	IV/A.01 IV/A.01-10 4.AA.05 04.01.02.01
Kristallographische Daten
Kristallsystem	hexagonal
Kristallklasse;Symbol	dihexagonal-dipyramidal; 6/m2/m2/m
Raumgruppe	P63/mmc(Nr. 194)Vorlage:Raumgruppe/194
Gitterparameter	a= 4,497(5)Å;c= 7,322(4) Å
Formeleinheiten	Z= 4
Zwillingsbildung	{0001} und {0001}
Physikalische Eigenschaften
Mohshärte	1,5 bei 0 °C, bei tieferen Temperaturen ansteigend
Dichte(g/cm3)	0,917
Spaltbarkeit	fehlt
Bruch;Tenazität	muschelig
Farbe	farblos, weiß, in dicken Schichten schwach blaugrün schimmernd
Strichfarbe	weiß
Transparenz	durchsichtig bis undurchsichtig
Glanz	Glasglanz
Kristalloptik
Brechungsindizes	nω= 1,309 nε= 1,311
Doppelbrechung	δ = 0,001
Optischer Charakter	einachsig (Richtung nicht definiert)
Pleochroismus	nicht vorhanden

Eisist der dritteAggregatzustandund damit die festePhasevonWasser.Flüssiges reines Wasser erstarrt zu Eis bei einer Temperatur unter demGefrierpunkt,der beiNormaldruckin Anwesenheit vonKristallisationskeimenbei 0°Cliegt. Als natürlich vorkommenderkristallinerFestkörpermit einer definierten chemischen Zusammensetzung zählt Eis zu denMineralen.Aufgrund seinerchemischen StrukturH₂O gehört Eis zurStoffgruppederOxide.

UnteratmosphärischenBedingungen kristallisiert Eis imhexagonalen Kristallsystemund tritt in der Natur in verschiedenen Erscheinungsformen auf: vonSchneeflocken,Graupel- undHagelkörnern,ReifundRaureifüberRaueisundKlareis,EiszapfenundEisblumen,KammeisundHaareis,FirnundNilas,Eisdeckenstehenderundfließender Gewässer,Grundeis,Treibeis,Packeis,Festeis,Schelfeisbis zuGletschern,EiskappenundEisschilden.

Unter höherenDrückenund tieferen Temperaturen ändert Eis seine Kristallstruktur, und es können je nach Umweltbedingung verschiedene kristallineModifikationenentstehen. Auch von Eis ohne Kristallstruktur – sogenanntesamorphes Eis– sind mehrere Modifikationen bekannt (siehe auchAbschnitt Modifikationen).

DieDichtevon hexagonalem, gewöhnlichem Eis ist mit 0,918 g/cm³ (reines, luftfreies Eis-I_hbei 0°C)geringer als die von flüssigem Wasser, was auchDichteanomalie des Wassersgenannt wird. Auf Grund dessen schwimmt Eis auf der Wasseroberfläche und bildet dort Eisdecken,EisschollenundEisberge.

In reiner Form besteht Eis aus farblosen,transparentenKristallen.Wenn bei der Bildung derEiskristallefeine Luftbläschen inEisblöckeeingeschlossen wurden, erscheinen diese durch vielfacheLichtbrechungweißlich. Eis besteht alschemischer Stoffaus H₂O und zeichnet sich durch eine Reihe besondererEigenschaften des Wassersaus.

Bei zahlreichenmeteorologischenPhänomenen spielt Eis eine wesentliche Rolle.Polare EiskappenundVergletscherungenvonPolarregionenmit Ausbildung vonEisschildenhaben entscheidenden Einfluss auf dasKlimades Planeten Erde. Dauerhafte Eisbedeckungen in der Polarregion kennzeichnen einEiszeitalter.Die im Eis gebundene Wassermenge ist ein wichtiger Speicher im globalenWasserkreislauf;sie beeinflusst auch die Zugänglichkeit von verschiedenen Regionen als Lebensräumen. Als die feste Form von Wasser ist Eis von besonderer Bedeutung für unsereBiosphäre.

Die Wissenschaft von Formen, Auftreten und Eigenschaften von Eis undSchneeist dieGlaziologie.

Etymologie und Geschichte

Die Wortherkunft (Etymologie) von Eis lässt sich über dasalthochdeutsche,mittelhochdeutscheundniederdeutscheîsbis zumgermanischenīsazurückverfolgen. DurchDiphthongierung(Lautwandel von einem zu zwei Vokalen) wurde aus diesem Urwort unter anderem das deutscheEisund das englischeice.

Als eigenständige Mineralart taucht Eis allerdings erst Anfang des19. Jahrhundertsauf. Zuvor galt es mit Schnee und Hagel als Wasser und somit seit der Antike gemäß derVier-Elemente-Lehreneben Feuer, Luft und Erde als eines der vier Grundelemente; selbst in den Systematiken vonAbraham Gottlob Wernerwird Eis bis zur letzten Auflage 1817 nicht aufgeführt (1. Auflage 1787).

ErstFriedrich Hausmannsbeschreibt Wasser beziehungsweise dessen verschiedene feste Formen (Varietäten) in seinemHandbuch der Mineralogievon 1813 als Mineral, eingereiht in die zweite Klasse der „Inkombustibilien “(unentzündlich) und der zweiten Ordnung der „Oxydoide “(oxidähnlich). Eis und Schnee gehören nach Hausmann zum „Weichwasser “, das tafelförmig als Eisschollen,stalaktitischals Eiszapfen, rindenförmig als Glatteis und kugelähnlich als Hagel vorkommt.

Da Eis bereits lange vor der Gründung derInternational Mineralogical Association(IMA) bekannt und als eigenständige Mineralart anerkannt war, wurde dies von ihrerCommission on New Minerals, Nomenclature and Classification(CNMNC) übernommen und bezeichnet das Eis als sogenanntes „grandfathered“(G) Mineral.Die ebenfalls von der IMA/CNMNC anerkannte Kurzbezeichnung (auchMineral-Symbol) lautet „Ice “.

Klassifikation

Bereits in der veralteten8. Auflage der Mineralsystematik nach Strunzgehörte Eis zur Klasse der „Oxide und Hydroxide “und dort zur Abteilung der „Verbindungen mit M₂O und MO “, wo es als Eis (I) zusammen mitEis (Ic)die unbenannte GruppeIV/A.01bildete.

Im zuletzt 2018 überarbeiteten und aktualisiertenLapis-Mineralienverzeichnisnach Stefan Weiß, das sich aus Rücksicht auf private Sammler und institutionelle Sammlungen noch nach dieser klassischen Systematik vonKarl Hugo Strunzrichtet, erhielt das Mineral die System- und Mineral-Nr.IV/A.01-10.In der „Lapis-Systematik “entspricht dies der Abteilung „Oxide mit dem Stoffmengenverhältnis Metall: Sauerstoff = 1: 1 und 2: 1 (M₂O, MO)“,wo Eis als einziges Mitglied die unbenannte GruppeIV/A.01bildet.

Die von derInternational Mineralogical Association(IMA) zuletzt 2009 aktualisierte9. Auflage der Strunz’schen Mineralsystematikordnet Eis ebenfalls in die Abteilung der „Oxide mit dem Stoffmengenverhältnis Metall: Sauerstoff = 2: 1 und 1: 1 “ein. Diese ist allerdings weiter unterteilt nach dem genauen Anion-Kationen-Verhältnis und der relativen Größe der Kationen, so dass das Mineral entsprechend seiner Zusammensetzung in der Unterabteilung „Kation: Anion (M: O) = 2: 1 (und 1,8: 1) “zu finden ist, wo es alsEis-Ihdie unbenannte Gruppe4.AA.05bildet.

Auch die vorwiegend im englischen Sprachraum gebräuchlicheSystematik der Minerale nach Danaordnet das Eis in die Klasse der „Oxide und Hydroxide “und dort in die Abteilung der „Oxide “ein. Hier ist es als einziges Mitglied in der unbenannten Gruppe04.01.02innerhalb der Unterabteilung „Einfache Oxide mit einer Kationenladung von 1+ (A₂O) “zu finden.

Kristallstruktur

Kristallstruktur von Eis. Die gestrichelten Bindungen markieren die Wasserstoffbrücken

Im festenAggregatzustanddes Wassers wird als Eis normalerweise eine hoheFernordnungdurch Ausbildung einesKristallgittersim Zuge derKristallisationerreicht. Im flüssigen Zustand herrscht eine Mischung von Ordnung und Chaos.

Natürliches Eis kristallisiert imhexagonalen Kristallsystemin derRaumgruppeP6₃/mmc(Raumgruppen-Nr. 194)Vorlage:Raumgruppe/194mit denGitterparameterna= 4,497(5)Åundc= 7,322(4) Å sowie vierFormeleinheitenproElementarzelle.

SechsWassermoleküleschließen sich dabei überWasserstoffbrückenjeweils zu einem Ring zusammen, wobei jedes Molekül ebenfalls Teil von zwei benachbarten Ringen ist. DiehexagonaleSymmetrie derKristallstrukturspiegelt sich in der makroskopischen Gestalt derEiskristallewider. In dieser Struktur ist jedes Sauerstoffatom tetraedrisch von jeweils vier anderen O-Atomen umgeben.

Hexagonales Eis wird mitEis I_hbezeichnet.

Modifikationen

Unter −22 °C und über 207,5MPabilden sich noch andere, zum Beispiel kubische Eisformen aus, etwa das metastabile, kubischeEis I_c,in welchem die Sauerstoffatome eineDiamantstrukturaufweisen.Bisher sind 17kristallineund 5amorpheModifikationenbekannt (Stand Januar 2010).Amorphes Eishat keineKristallstruktur.

Die 17 kristallinen Formen werden alsEis I_h,Eis I_c,sowieEis IIbisEis XVIbezeichnet (z. B.Eis VI).2021 konnten zwei weitere superionische Eis-Phasen (Eis XVIIIundEis XX) nachgewiesen werden.

Eiswolken iminterstellaren Raumhaben eine Temperatur von ca. −260 °C und sind amorpher Struktur („fließen “).

Eigenschaften

Zugefrorener Ententeich wird durch kontinuierliche Besprenkelung offengehalten

Am besonnten Fels sublimierendes Eis

Dichteanomalie und Schwimmfähigkeit

Aufgrund derDichteanomalie des Wassersschwimmt Eis in Form vonEisschollenundEisbergenauf der Wasseroberfläche. Hierbei befindet sich nur rund ein Zehntel des Eisvolumens über der Wasseroberfläche, die übrigen rund 90 Volumenprozent tauchen unter. Von einem 100 Meter dickenTafeleisbergliegen daher etwa 90 Meter unter Wasser (die im Auftrieb verdrängte Wassermasse entspricht der Gewichtskraft des Eises).

Gemäß desArchimedischen Prinzipsgilt:

$\rho _{\text{Eis}}\cdot V_{\text{Eisberg}}\cdot g=\rho _{\text{Salzwasser}}\cdot V'_{\text{in Salzwasser eingedrungenes Volumen}}\cdot g$

Umgeformt auf den prozentualen Anteil des imSalzwasser(ρ ≈ 1,025 g/cm³) befindlichen Eises (ρ = 0,918 g/cm³) entspricht dies:

${\frac {V_{\text{Eisberg}}}{V'_{\text{in Salzwasser eingedrungenes Volumen}}}}={\frac {\rho _{\text{Eis}}}{\rho _{\text{Salzwasser}}}}={\frac {0{,}918}{1{,}025}}\approx 0{,}89\approx 90\,\%$

Die Form des Eisbergs hat entsprechend keinen Einfluss auf dessen Eindringtiefe in das Wasser.

Erstarrungsvorgang

DerSchmelz-bzw.Gefrierpunktvon Eis liegt unterNormalbedingungenbei 0 °C (dem „Eispunkt“), die spezifischeSchmelzenthalpiebeträgt H_fus= 332,8kJ/kg.

Kristallisationskeime,also Verunreinigungen wie Staubpartikel, Bakterien usw. sind allerdings Bedingung für eine Eiskristallbildung, da sich die kristallisierenden Wassermoleküle an diese anlagern müssen. In sogenanntem „unterkühltem Wasser “, nicht gefrorenem Wasser unter 0 °C, besitzen die Moleküle eine vom Normalfall abweichende Nahordnung, und es bilden sichIkosaederstrukturenaus: so kann z. B. sauberes unterkühltes Mineralwasser an den beim Öffnen der Flaschen entstehenden Gasperlen spontan gefrieren. Ohne externe Auslöser gefriert Wasser bei −48 °C.Sehr reines (destilliertes) Wasser kann bis zu −70 °Cunterkühltwerden.

Der Gefrierpunkt kann durch Bestreuen mitSalzen(Streusalz) herabgesetzt werden. Dies ist einekolligative Eigenschaft,dieGefrierpunktserniedrigunghängt nur von der Menge der gelösten Teilchen, nicht jedoch von ihrer Art ab. Der gleiche Effekt lässt sich also auch mitZuckererreichen.

Zusätzlich kann auch dieLösungsenthalpieeines Stoffs Eis zum Schmelzen bringen. Entscheidend hierfür ist, dass der hinzugegebene Stoff im festen Lösungsmittel unlöslich ist. Erreicht wird dieser Effekt durch die Erniedrigung deschemischen Potenzialsder Flüssigphase. Dieser Effekt erzeugt gleichzeitig eineSiedepunkterhöhungdes Wassers.

Schmelzvorgang

Der Übergang von festem zu flüssigem Aggregatzustand heißtSchmelzen.Um Eis zu schmelzen, müssen Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen des Eises aufgebrochen werden. Dazu muss dem Eis Energie zugeführt werden. Beim Schmelzen absorbiert es so viel Energie, wie benötigt würde, um eine äquivalente Wassermasse auf 80 °C zu erhitzen. Die Temperatur der schmelzenden Eisoberfläche bleibt während des Schmelzens konstant bei 0 °C. Die Geschwindigkeit des Schmelzvorgangs hängt daher von der Effizienz der Energiezufuhr zur Eisoberfläche ab. Eine Eisoberfläche inSüßwasserschmilzt allein durchfreie Konvektionbei gemäßigter Wassertemperatur mit einer Geschwindigkeit, die wie (T_∞– 4 °C)^4/3von der Temperatur des Süßwassers, T_∞,abhängt.

Sublimation

Eis tritt bei ausreichend kalter und trockener Luft auch bei Atmosphärendruck durchSublimationdirekt in Gasform (Wasserdampf) über. Daher ist es möglich, Wäsche bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt zu trocknen. Dieser Effekt wird weiters bei derGefriertrocknungim industriellen Maßstab genutzt.

Umgekehrt geht bei Temperaturen unterhalb desTripelpunktes(wobei sich der Druck auf den Wasserdampf-Partialdruckbezieht) gasförmiges Wasser direkt, ohne den Umweg über eine flüssige Phase, in den festen Zustand über (Resublimation). Es bildet sich alsoReif.

Farbe

Bläulich durchscheinende Eisdecke desFryxellsees

Eis ändert seine Farbe mit dem Luftgehalt und kann so auch in unterschiedliche Gruppen eingeteilt werden. Eis, das vielLuftenthält, ist weiß, solches, das wenig Luft enthält, ist durchsichtig und blau oder grün. Ein besonderer Fall von „farbigem “Eis sind sogenannteGrüne Eisberge,bei welchen es sich um alte umgekippte Eisberge handelt, deren algenbewachsene Unterseite nun sichtbar ist.

Eis und Schnee reflektieren das Sonnenlicht. Innerhalb der Erdatmosphäre verursachen Eispartikel damit Lichtsäulen. (Die verwandtenHalosentstehen dagegen durchBrechungdes Lichts in Eiskristallen.) Astronomisch und geophysikalisch sind Eis und Schnee häufig Verursacher einer hohenRückstrahlungeines Gegenstands.

Schallausbreitung

DieSchallgeschwindigkeitin Eis bei maximaler Dichte liegt bei 3250 m/s. DieDispersionfür Schallausbreitung in Eis ist im Gegensatz zu den meisten Festkörpern negativ. Dieser Effekt kann auf zugefrorenen Seen beobachtet werden. Entsteht zum Beispiel in hinreichend großer Entfernung zum Beobachter ein Riss in der Eisfläche (zum Beispiel durch Sonneneinstrahlung), kann ein pfeifendes Geräusch wahrgenommen werden, bei dem die Tonhöhe in Sekundenbruchteilen von ganz hohen Frequenzen zu sehr tiefen abfällt. Das Geräusch ähnelt dem eines vorbeifliegendenProjektils,das durch den Dopplereffekt eine fallende Tonhöhe erzeugt.

Wärmeaufnahme und -leitung

Eis hat bei einer Temperatur von 0 °C einespezifische Wärmekapazitätvon 2,12 kJ/(kg·K), die bei tieferen Temperaturen leicht sinkt. SeineWärmeleitfähigkeitbei 0 °C beträgt 2,21 W/(m·K) und steigt mit sinkender Temperatur leicht an.Im Vergleich zu flüssigem Wasser bei 20 °C hat Eis nahe dem Schmelzpunkt nur eine halb so große spezifische Wärmekapazität, jedoch eine dreieinhalb Mal so große Wärmeleitfähigkeit.

Härte

Nach derMohsschenHärteskalahat Eis bei wenigen Grad unter Null nur eine geringe Härte von 1,5 und lässt sich mit dem Fingernagel ritzen. Die Mohshärte von Eis steigt allerdings bei tieferen Temperaturen an. Bei −30 °C übertrifft es mit einer Härte von 3,5 die vonKalkstein(Härte 3), bis es schließlich bei −80 °C die Härte vonVergütungsstahl(Mohshärte ca. 6) erreicht.

Tragfähigkeit von Eisdecken

Eislaufen auf der Müritz

Eisdeckenaufbau auf einem zugefrorenen Gewässer.

Bereits bei wenigen Graden unter Null ist Eis in der Lage, Menschen und sogar schwere Fahrzeuge wieLKWzu tragen. Während des Baues der Transsibirischen Eisenbahn wurden am Anfang des 20. Jahrhunderts sogar Schienen auf den Baikalsee gelegt. Hunderte Schienenfahrzeuge überquerten diesen problemlos, lediglich eine Lokomotive brach durch die Eisdecke und versank.Voraussetzung dafür ist eine ausreichende Dicke der Eisdecke für die jeweilige Belastung. Die Mindestdicke für eine sichere Belastbarkeit entsprechend der Anforderung beruht auf empirischen Erfahrungswerten bzw. kann mit verschiedenen Methoden berechnet werden. Die Belastbarkeit und die Mindestdicke werden wesentlich von der Beschaffenheit des Eises, wie Rissen und Lufteinschlüssen, sowie dem Schwimmzustand beeinflusst. Folgende Eisdicken (auf flüssigem Wasser) gelten als ausreichend:

• Einzelpersonen: 5 cm
• Personengruppen: 8 cm
• Schlittenfahrzeuge: 12 cm
• PKW, sonstige Fahrzeuge: 18 cm

Die Tragfähigkeit einer Eisdecke hängt einerseits von ihrem Schwimm-Auftrieb auf dem tragenden Wasser und andererseits von der Lastverteilfähigkeit (Durchbiegung) bei punktueller Belastung ab. In beiden Fällen ist die Dicke der Eisdecke der maßgebliche Parameter für die Tragfähigkeit. Die Belastbarkeit aufgrund der Schwimmfähigkeit ist dabei proportional zur Eisdicke, während die Lastverteilfähigkeit dem Quadrat der Eisdicke proportional ist.

Bei einer gleichmäßigen Lastverteilung auf großen Flächen ohne Durchbiegung ist die Belastbarkeit, wie bei einem Floß, durch die Schwimmfähigkeit der Eisdecke begrenzt. Entsprechend dem Auftrieb von blasenfreiem Eis der Dichte 917 kg/m³ beträgt die Tragfähigkeit$q$(in kg/m²) für große Flächen der Dicke:$h$(in m).

$q=h\cdot 83\,\mathrm {\frac {kg}{m^{3}}}$

Also z. B. 8,3 kg/m² bei einer Eisdicke von 10 cm.

Durch Lastverteilung in die umgebende Fläche können begrenzte Teilflächen einer Eisdecke erheblich höher belastet werden. Es ist jedoch immer zu beachten, dass durch die zulässige Belastung von Teilflächen die Höchstbelastung der gesamten Eisdecke nicht überschritten wird.

Die Tragfähigkeit einerEisstraßebezogen auf Einzelfahrzeuge lässt sich auch mit der sogenannten „Gold-Formel “abschätzen (benannt nachLorne W. Gold):

$m=h^{2}\cdot 7{,}03\,\mathrm {\frac {kg}{cm^{2}}} \quad {\text{oder}}\quad m=(h+0{,}5\,w)^{2}\cdot 7{,}03\,\mathrm {\frac {kg}{cm^{2}}}$

mit

$m$= zulässige Gesamtmasse eines einzelnen Fahrzeugs

$h$= Dicke des Blaueises

$w$= Dicke des weißen Eises

Die kanadische ProvinzManitobabenutzt diese Formeln, um die Tragfähigkeit einer Eisfläche für die Nutzung als Winterstraße zu bestimmen. Die Entscheidung, für welche Belastung dieEisstraßefreigegeben wird, trifft letztlich immer ein Experte für Eisstraßen.

Eisstraßen gibt es temporär etwa in Schweden, Finnland, Estland, Kanada, den Vereinigten Staaten und Russland.

DieSeegfrörnen des Bodenseessind Jahrhundertereignisse. Die Eisdecke ist dann so tragfähig, dass der gesamte See zu Fuß überquert werden kann. Bei der letzten Seegfrörne 1963 fuhren Wagelustige sogar mit einem Kleinwagen von Lindau über das Eis in die Schweiz.

Das Betreten von Eisflächen ist prinzipiell gefährlich und im Zweifel zu vermeiden. Dies gilt vor allem auch, weil die Dicke und Beschaffenheit des Eises häufig nicht zuverlässig zu bestimmen ist. Zur Bestimmung der Dicke des Eises eignen sichEisschraubenoder Bohrer mit aufgetragenen Zentimetermarken sowie das Messen an ins Eis geschlagenen oder gebohrten Löchern mit einem Stück Rollmaßband mit Anlegehaken.Für die Bestimmung einer Mindestdicke genügt das Bohren einesSacklochsmit einem HSS-Spiralbohrer für Stahl bis zum Anstehen eines eingestellten Tiefenanschlags. Mit einem Stahlstab und Hammer kann die Festigkeit der restlichen Dicke unter dem Sackgrund getestet werden.

Durch Einbrechen in das Eis entsteht die Gefahr von starkenUnterkühlungen,ErfrierungenundErtrinken.Bei der Rettung sollten nach Möglichkeit Rettungshilfsmittel benutzt werden, die das Gewicht des Hilfeleistenden auf eine größere Fläche verteilen. Dem Eingebrochenen soll nicht die Hand gereicht werden, sondern Hilfsmittel, die im Notfall auch losgelassen werden können. Zur Eigenrettung können Eiskrallen mitgeführt werden, die das Herausziehen aus dem Loch erleichtern.

Siehe auch:Eisrettung

Anomalien

Eis-Modifikationen im Phasendiagramm von Wasser

Wasser weist zahlreicheAnomalienauf: Eigenschaften, die von den Regeln, die auf die meisten Stoffe angewendet werden können, abweichen. Folgende Anomalien sind für seinen festen Zustand als Eis von Bedeutung:

• Eis ist weniger dicht, also leichter als Wasser, damit schwimmt es auf dem Wasser. Zu dieserDichteanomaliekommt es, da die Wassermoleküle im hexagonalen Gitter des Eises einen größeren Abstand zueinander haben als im flüssigen, ungeordneten Zustand. →Siehe auch:Zahlenwerte zu Dichteanomalie und Ausdehnungskoeffizient von Eis und Wasser
• ImPhasendiagrammhat Wasser 14 kristalline und damit besonders viele feste Modifikationen. Zusätzlich gibt es weitere metastabile, 5 davon sind kristallin und dreiamorph.
• Alsamorphes Eiswird ein Zustand bezeichnet, in dem festes Wasser nicht wie in einem Kristall mit regelmäßiger Struktur vorliegt, sondern mit unregelmäßiger Struktur wie eine Flüssigkeit, allerdings ohne gegenseitige Verschiebung vonMolekülen.Drei dieser Glaswässer sind bekannt: eines, das eine geringere Dichte als flüssiges Wasser besitzt (LDA), eines mit hoher Dichte (HDA) und eines mit sehr hoher Dichte (VHDA), die im tiefen Temperaturbereich bis maximal −122 °C existieren können.
• Erhöhter Druck setzt den Schmelzpunkt von Wasser herab, anstatt ihn heraufzusetzen (siehe Phasendiagramm). ProBarDruckanstieg sinkt der Schmelzpunkt um ca. 0,0077 K (bei Drücken oberhalb ca. 500 bar verhält sich die Schmelzpunktabnahme überproportional). Dies wird auch alsDruckaufschmelzungbezeichnet.
• Mit Hilfe vonkohärenterund starkkollimierterRöntgenstrahlung,die an der Oberfläche von Eistotalreflektiertwird, kann gezeigt werden, dass es oberhalb von −38 °C in der äußersten Molekülschicht flüssig ist. Oberhalb von −16 °C kommt eine zweite Molekülschicht hinzu, und die Schichtdicke dieses flüssigen Films erhöht sich bis zum Schmelzpunkt auf 50 Nanometer.
• Magnetfelder können den Schmelzpunkt geringfügig verändern. Vermutet wird, dass das Magnetfeld indirekt die Wasserstoffbrücken der Wassermoleküle stärkt. Bei einem Magnetfeld von sechs Tesla steigt der Schmelzpunkt von normalem Wasser um 5,6 mKund beischwerem Wasserum 21,8 mK.

Bildung und Fundorte

Eisblumen

Eis in dendritischer Form an einerSchneeflocke

Nadelförmiger Raureif an einem Baumast

FaserigesKammeis

Auf der Erde

Eis bildet sich weltweit dort, wo dieLuftfeuchtigkeithoch genug und die Temperatur auf bzw. unter denGefrierpunktgesunken ist.

Freie Eiskristalle entstehen in Form vonReifundRaureifdurchResublimation(direkter Übergang vom gasförmigen in den kristallinen Zustand) des atmosphärischenWasserdampfs.GraupelundHagelbesteht aus rundlichen Eiskörnern. Sie bilden sich in Gewitterwolken aus Wassertröpfchen, welche in tiefen Wolkenschichtenkondensierenund dann durchAufwindein höhere und kältere Luftschichten transportiert werden, wo sie dann gefrieren. Größere Hagelkörner sind oft Zusammenballungen kleinerer Eispartikel und durchlaufen in ihrer Entstehungsgeschichte mehrmals den Prozess des Aufstiegs durch Winde und des Absinkens durch ihreGewichtskraft.Schneebesteht aus mehr oder weniger filigran verästelten Eiskristallen. Schneeflocken bilden sich durch langsames Anlagern und Gefrieren von feinsten Wassertröpfchen an einemKristallisationskeim(zum Beispiel Staubteilchen).

Dauerhaft mit dem Festland verbundene Eisflächen werdenSchelfeisgenannt. Die Schelfeisflächen werden meist durch fließende Gletscher gespeist.Eisbergesind von Gletschern abgebrochene (gekalbte) Eismassen.

Bei der Kristallisation von Meerwasser entsteht sogenanntesMeereis;dabei wird das Salz an das Meer abgegeben oder sammelt sich in Sole(Salz)-Einschlüssen (Eis selbst ist immer festes Süßwasser). Je nach Größe und Zusammenballung des Eises unterscheidet man Nadeleis, Grieseis,Pfannkucheneis,EisschollenundPackeis.Eine natürliche eisfreie Fläche, die jedoch vollständig von Packeis umgeben ist, heißtPolynja.Künstliche, in das Eis geschlagene Rinnen und Löcher werdenWuhnengenannt.

Eis, welches sich ausnahmsweise wegen seiner Entstehungsgeschichte am Boden eines Gewässers befindet, wirdGrundeisgenannt. Die Bildung von Neueis auf dem Meer wird alsNilasbezeichnet.

Die Eisverhältnisse aufMeeresgebietenwerden mit einem internationalenIce Codebezeichnet:

0:No ice;kein Eis, eisfrei

1:Slush or young ice;Schlamm- oder Neueis (junges Eis)

2:Fast ice;Festeis

3:Drift ice;Treibeis,Eisstoß

4:Packed slush or strips of hummocked ice;zusammengepacktes Schlammeis oder Höckereisstreifen (Eishöckerstreifen)

5:Open lead near shore;offene Eisrinne (durchgehendeFahrrinneim Eis) nahe derKüste

6:Heavy fast ice;starkes Festeis

7:Heavy drift ice;starkes Treibeis

8:Hummocked ice;Höckereis, Eishöcker (über das glatte Eis sich erhebende Eispyramiden), aufgepresstes Eis

9:Ice jamming;Eisblockierung

Als Einschluss in Diamanten kann auch auf der Erde Eis-VII vorkommen. Dieses hat eine kubische Kristallstruktur.

Im Sonnensystem

Eisvorkommen wurden in unseremSonnensystemnachgewiesen inKometen,Asteroiden,auf demMarsund auf einigenMondender äußerenPlaneten.BeiEismondenist nahezu die gesamte Oberfläche von Eis bedeckt.

Von zahlreichenKometenist bekannt, dass sie zu einem Großteil aus Wassereis bestehen, weshalb sie auch hin und wieder als „Schmutzige Schneebälle “tituliert werden. Es wird spekuliert, dass ein Großteil der irdischen Wasservorkommen auf ein lang anhaltendes Bombardement der noch jungen Erde durch Kometen zurückgeht. Das meiste Wasser im Universum liegt als Eis vor.

Auch auf demMarskonnten bisher Eisvorkommen nachgewiesen werden. Neben den Polkappen, die zweifelsfrei zu einem Teil aus gefrorenem Wasser bestehen, gibt es möglicherweise auch in anderen Regionen Eisvorkommen, und zwar alsPermafrostin tieferen Bodenschichten.

Hinweise auf das Vorhandensein von Eis inMeteoritenkraternin Polnähe beiMerkur,dem sonnennächsten Planeten, lieferte 1975 die RaumsondeMariner 10.Genauere Untersuchungen der RaumsondeMESSENGERkonnten im November 2011 Wasser auf dem Nordpol, auf den kein Sonnenlicht fällt, bestätigen.

Von einigen Monden der äußeren Planeten ist bekannt oder wird vermutet, dass sie von einer Eiskruste bedeckt sind. Beispiele sind die JupitermondeEuropa,GanymedundKallisto,die SaturnmondeEnceladusundTitan,der NeptunmondTritonsowie der PlutomondCharon.Auch sollen einige dieser Monde unter ihrer Oberfläche Schichten aus Eismodifikationenbesitzen, die nur bei hohem Druck vorkommen.

Frühe Radarbilder desMond-Südpols aus den 1990er-Jahren mit vielen kleinen, auffallend hell erscheinenden Flecken ließen bei zahlreichen Forschern die Hoffnung aufkeimen, dass der Mond über große Wasserreserven verfüge, die unter anderem am Grund tiefer Krater als Relikte von Kometeneinschlägen überlebt haben könnten. Solche Vorkommen wären wichtige Wasser- und Sauerstoffquellen für künftige Mondbasen. Untersuchungen im Jahre 2006 mitRadioteleskopenverliefen negativ.2009 konnte dieLCROSS-MissionWassereis nachweisen.2010 fand die SondeChandrayaan-1Hinweise auf mindestens 600 Millionen Tonnen Wasser am Nordpol des Mondes.

Nutzung und Behinderung

Eisformation auf der Innenseite eines Flugzeugfensters, gebildet durch die niedrigen Außentemperaturen

Eis zur Kühlung von fangfrischem Fisch

Geplatzte Bierflasche durch die Ausdehnung der Flüssigkeit beim Frieren

Speisen und Getränke

Schon dieRömernutzten teuer importiertesGletschereiszur Kühlung von Speisen und zur Herstellung vonErfrischungsgetränken.

Im 19. Jahrhundert begann in Nordamerika die kommerzielle Nutzung vonWintereis,zunächst als Luxusgut für Menschen intropischenLändern,später auch als Massengut für den Hausbedarf. Aus dem 19. Jahrhundert ist ebenfalls der Export vonNatureisaus Norwegen nach England und Frankreich sowie in geringerem Umfang nach Deutschland bekannt.DerEismannbrachteEisblöcke,mittels derer verderbliche Nahrungsmittel, typischerweise in einemEisschrank,länger verzehrbar gehalten werden konnten. Mit der Elektrifizierung und Einführung desKühlschranksfand dieses Gewerbe sein Ende. Heute wird fast das gesamte vom Menschen zu Speisezwecken genutzte Eis vonKältemaschinenoder in Kühlschränken hergestellt.

Auch bei der Biererzeugung spielte die Kühlung durch Natureis, das im Sommer in sogenanntenEiskellerngelagert wurde, eine entscheidende Rolle bei der Lagerfähigkeit. Bereits ab der Mitte des 19. Jahrhunderts wurden dazu meist mit Dampf betriebene Kältemaschinen eingesetzt.

Unter „Nutzeis “(auchNutz-Eis) werden Eissorten bezeichnet, die in Eisfabriken zu einem bestimmten Nutzen hergestellt werden. Dazu gehört z. B. klassischesStangeneis,aber auchEiswürfelundScherbeneis,die zwar verzehrt werden, aber nur, weil sie dem Getränk bzw. bei der Wurstherstellung zur Kühlung beigegeben werden und sich darin unvermeidlich auflösen.

Flockeneiswird im Labor und in der Produktion von Lebensmitteln eingesetzt, wenn durch maschinelle Verarbeitungsprozesse, wie z. B. dasKutternin derWursterzeugung,Temperaturen entstehen, die der Konsistenz oder Farbe und dem Geschmack des Lebensmittels abträglich sind. Dabei wird Eis in Flockeneisbereitern bis zu einer Korngröße von wenigen Millimetern gemahlen.Scherbeneisspielt bei der Lagerung bzw. Frischhaltung von Fischen und Meeresfrüchten eine wichtige Rolle. Für Getränke werden oftmalsEiswürfelverwendet.

Speiseeisist dagegen eine aus Fruchtsäften oder Milchmixgetränken hergestellte Schneemasse oder Eisschlamm.

Pflanzenbau

Eis dient im Pflanzenbau als Frostschutz, indem Wasser bei Frost auf die Pflanzengesprühtwird, wodurch alle Teile von einer Eisschicht überzogen werden. Durch das Gefrieren des Wassers wird dieKristallisationsenthalpiefreigesetzt, was zur Temperaturerhöhung führt.

Sport

Die entstehendeReibungswärmevon Kufen auf festem Eis lässt unter einem Schlittschuh eine wenige µm dicke Wasserschicht entstehen, auf der der hintere Teil der Kufe dann nahezu reibungslos gleitet.Eislauf,aber auchSkifahren,Schlittenfahrenoder Schlitten als Transportmittel sind deswegen möglich. Durch den Druck unter den schmalen Kufen wird der Gefrierpunkt des Wassers nur um wenige Zehntelgrad gesenkt.

Verkehr

Behindernd wirken Eisvorkommen vor allem auf den Verkehr in Form vonPackeisfür dieSchifffahrt(siehe auchEisbrecher), als glatter Eisfilm aufStraßen(siehe auchSchneeketten), Fußwegen oder an Flugzeugen sowie alsSchneewehenbei allen Land-Verkehrsträgern. Im Verkehr istEisregen(„Blitzeis “) ein Problem. Eis an Oberleitungen behindert die Stromabnahme. Um die Rutschgefahr zu vermindern, werden Eisflächen mitStreusandabgestumpft oder mitStreusalzweggetaut.

Gefährlich kann Eis für Schiffe werden, wennüberkommendes Wasserbzw.Nebel oder Nieselregenauf den Aufbauten gefriert und eine dickeEisschichtbildet. Dadurch verschiebt sich der Schwerpunkt des Schiffes nach oben, was zurKenterungdes Schiffes führen kann. Eisberge können bei Kollisionen mit Schiffen zu deren Beschädigung, oder, wie bei derTitanic,zum Sinken führen. Packeis kann darin eingeschlossene Schiffe zerdrücken. Zugefrorene Wasserflächen können einerseits die Schifffahrt behindern, andererseits aber auch Transportwege verkürzen, indem Landtransporte direkt über die Wasserfläche geführt werden können (Eisstraßen).

Bauwesen

Vereiste Hochspannungsleitung auf demSimplonpass

Für Bauwerke ist die Eislast durch Eisregen oder Frost ein Problem (sieheSchneelast,gilt analog auch für Eis). Freileitungen können durch die Eislast reißen.

Auch Bauvorhaben können durch Verfestigungen des Bodens durch Eis behindert werden. Andererseits kann die Verfestigung des Bodens gewollt sein und zum Beispiel Tunnelarbeiten in losem Boden erst möglich machen. Hierbei wird die Vereisung meist künstlich mit großen Kühlaggregaten erzeugt. InPermafrostgebietenstellt die Aufweichung des Bodens durch den fehlenden Frost eine Gefahr für Bauwerke dar. Stützen derTrans-Alaska-Pipeline(aus 1975/1977) und Teile der Trasse derLhasa-Bahn(errichtet 2005) werden hierzu überWärmerohre(Heatpipes) durch Umgebungsluft gekühlt.

Wasserleitungen platzen, wenn sie unkontrolliert – etwa auf größerer Länge oder zu einer Absperrung oder einem Eispropfen hin – einfrieren. Zum Schutz werden solche Leitungen unterhalb derFrostgrenzeim Boden verlegt oder ein Mindestdurchfluss sichergestellt oder rechtzeitig entleert. Wasser- und Abwasserleitungen, gelegentlich auch Regenrohre von Dächern, werden, wo sie Kälte ausgesetzt sein können, eventuell mit einer elektrischen Begleitheizung ausgeführt. Umgekehrt kann Eis aber auch für Reparaturen genutzt werden: Um einen Heizkörper oder ein Stück Rohr zu tauschen, werden zwei kleine Stellen in der Vor- und Rücklaufleitung mit Eis verpfropft, indem jeweils wenige cm Länge der Rohrleitung perKohlensäureschneeoderKältemaschinestark von außen gekühlt werden.

Eisblumenan Fensterscheiben behindern die Sicht, sind jedoch ästhetisch oft sehr reizvoll. Sie gelten aber als Anzeichen mangelhafter Wärmeisolierung und sind vom „Aussterben “bedroht.

Auch ganze Häuser aus Eis sind möglich. Früher wurde Eis von Eskimos zum Bau vonIglusverwendet, dazu gibt es auch moderne Bauformen.

Aus Eisblöcken werdenEisskulpturenerrichtet.

Simulation

AlsKunsteiswird eine durch technische Kühlung erzeugte Eisfläche zum Eislaufen und für Eishockey bezeichnet.

Künstliche Eisflächen werden in der Praxis in den meisten Fällen durchEPDM-Absorber hergestellt. Diese Technologie ist sehr energieeffizient, kostengünstig sowohl in der Anschaffung als auch im Betrieb. Daher kommt dieses System auch vermehrt bei Großprojekten wie Eisstadien, Eisschnelllaufringe etc. zum Einsatz. Weiterhin ermöglichen die flexiblen Absorber (Eismatten) die Herstellung von mobilen Kunsteisbahnen. Dabei werden die Eismatten nebeneinander ausgerollt, zu einem Kreislauf zusammengeschlossen und anschließend mit einem Wasser-/Glykolgemisch gefüllt. Eine Kältemaschine kühlt das Gemisch auf ca. −10 °C ab und pumpt es durch die Eismattenfläche, während das aufgesprühte Wasser gefriert und sich anschließend in eine gleichmäßigen Eisfläche verwandelt.

In einer am 31. Dezember 2016 eröffnetenBoulderhallein Klagenfurt wird Eisklettern durch Griffpakete aus Kunststoff simuliert, die auch einstechenden Kletterpickeln Halt geben.

Literatur

• Astrid Döppenschmidt:Die Eisoberfläche – Untersuchungen mit dem Rasterkraftmikroskop.GCA-Verlag, Herdecke 2000,ISBN 3-934389-71-6.
• Werner F. Kuhs:Physics and chemistry of ice.RSC Publ., London 2007,ISBN 978-0-85404-350-7(englisch).
• Victor F. Petrenko, Robert W. Whitworth:Physics of ice.Oxford Univ. Press, Oxford 2006,ISBN 0-19-851894-3(englisch).
• Miles McPhee:Air-ice-ocean interaction – turbulent ocean boundary layer exchange processes.Springer, New York 2008,ISBN 978-0-387-78334-5(englisch).
• John D.Castello:Life in ancient ice.Princeton Univ. Press, Princeton 2005,ISBN 0-691-07475-5(englisch).
• Pat Dasch:Icy worlds of the solar system.Cambridge Univ. Press, Cambridge 2004,ISBN 0-521-64048-2(englisch).
• Guriĭ Nikolaevich I︠A︡kovlev:Studies in ice physics and ice engineering.Israel Program for Scientific Translations, Jerusalem 1973,ISBN 0-7065-1275-8(englisch).
• L. W. Gold:Use of Ice Covers for Transportation.In:Canadian Geotechnical Journal.Band8,Nr.2,1971,S.170–181,doi:10.1139/t71-018.
• Kay D. Bidle, SangHoon Lee, David R. Marchant, Paul G. Falkowski:Fossil genes and microbes in the oldest ice on Earth.In:Proceedings of the National Academy of Sciences.Band104,Nr.33,2007,S.13455–13460,doi:10.1073/pnas.0702196104,PMID 17686983(englisch).
• Don Hayley, Sam Proskin:Managing the safety of ice covers used for transportation in an environment of climate warming.In:4th Canadian Conference on Geohazards.University Laval, Quebec Januar 2008,S.1–7(englisch,geohazard.ggl.ulaval.ca[PDF;3,2MB;abgerufen am 10. Juli 2019]).

Weblinks

Commons:Eis– Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Eis– Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Wikiquote: Eis– Zitate

• Eis.In:MineralienatlasLexikon.Geolitho Stiftung;abgerufen am 10. Juli 2019
• Christine Reinke-Kunze:(Fast) alles über Eis und Schnee.NZZ Folio,Juli 1997;abgerufen am 10. Juli 2019(Volltext des Artikels verfügbar im Webarchiv(Mementovom 16. September 2010 imInternet Archive)).
• Ute Kehse:Eis im Sommer.Bild der Wissenschaft,19. August 2005;abgerufen am 10. Juli 2019.
• Martin Chaplin:Water Structure and Science.In:lsbu.ac.uk.11. Mai 2019;abgerufen am 10. Juli 2019(englisch).