Verborgene Warenmuster im Eiskrem – Spektrum welcher Wissenschaft

Manche Phänomene prägen einem großen Gegenstand ein Muster auf und sind dennoch leicht zu übersehen. Dann kann ein Hilfsmittel sie visualisieren, so wie Eisenfeilspäne das Feld eines Magneten. In der Natur ist das oft ein anderer, etwas profanerer und allgegenwärtiger Farbstoff: Schmutz. Bei einem speziellen Zusammentreffen von Eis und Wasser lenkt er den Blick auf eine Struktur, die sonst eher unscheinbar bliebe.

»Das Sichtbare erschließt den Blick in das Unsichtbare«
(Anaxagoras, 499–428 v. Chr.)

Der Vorgang spielt sich auf einem über mehrere Zentimeter zugefrorenen Regenwasserbehälter ab. Wenn Tauwetter einsetzt, bedeckt ihn bald eine Wasserschicht aus schmelzenden Schnee- und Eisresten vom Dach eines Hauses. Schaut man sich die unter Wasser liegende Eisschicht genauer an, so fällt etwas Seltsames auf: Der mitgeführte Schmutz ordnet sich darauf in einem Punktmuster an. Dabei haben die Flecke durchweg einen etwa gleichen Abstand voneinander. Beim Abtasten mit den Fingern lassen sich unter den Partikelhäufchen jeweils Vertiefungen fühlen. Das Eis scheint insgesamt durch ein Gitter von sonst unsichtbaren Mulden strukturiert zu sein – mit oder ohne Verunreinigungen.

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© H. Joachim Schlichting (Ausschnitt)

Schmelzmulden | Die dunklen Punkte in einer dünnen Wasserschicht auf einer Eisdecke weisen auf kleine Vertiefungen hin. Hier strömen Wirbel, in denen sich Schmutzteilchen gesammelt haben.

Während der Entstehung des Musters bewegen sich einige Schmutzpartikel. Sie hüpfen auf der Stelle, als versuchten sie, ihre Kuhle zu verlassen. Der Vorgang erinnert an die Wirbel in einer Tasse Tee nach dem Umrühren. Sofern sich noch Blattstücke im Getränk befinden, sammeln sie sich in der Mitte, und solange die Drehung anhält, wandern die Teilchen leicht auf und ab. Sie würden eigentlich der Flüssigkeitsströmung folgen und mit ihr einen dreidimensionalen Wirbel durchlaufen, scheitern jedoch an ihrer Schwere.

Die bewegten Partikel über den Mulden zeigen also an, dass hier das Wasser lokal rotiert. Die Ursache ist allerdings eine andere als in der Teetasse. Die Wirbel erinnern vielmehr an die so genannte Rayleigh-Bénard-Konvektion. Diese ist manchmal in einer Pfanne mit heißem Fett zu beobachten, wenn sich darin enthaltene Schwebeteilchen zu einem polygonalen Muster anordnen. Ein solches lässt sich außerdem auf einfache Weise gezielt und effektvoll erzeugen. Dazu bedeckt man eine flache Schale, etwa den Metalldeckel einer Cremedose, mit einer dünnen Schicht Silikonöl. Beigegebenes Kupfer- oder Aluminiumpulver hebt die Bewegungen hervor. Heizt man das Behältnis zum Beispiel mit einer Kerzenflamme von unten, bildet sich aus vielen kleinen Wirbeln eine zellenartige Struktur.

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© H. Joachim Schlichting (Ausschnitt)

Konvektionszellen | In einer wenige Millimeter dicken, von unten geheizten Ölschicht macht beigegebenes Kupferpulver Strukturen sichtbar, in deren Mitte jeweils erwärmte Flüssigkeit aufsteigt. Sie sinkt an den Grenzen zu den Nachbarbereichen wieder ab.

In dem Experiment verringert das Erhitzen der Flüssigkeit deren Dichte. Die entsprechend leichter gewordenen Portionen steigen vom Untergrund auf und strömen, sobald sie an der Oberfläche angekommen sind, radial zu den Seiten weg. Dabei geben die Pakete einen Teil ihrer Wärme an die kühlere Umgebung ab. Dadurch nimmt ihre Dichte zu, woraufhin sie wieder sinken. Zwischen benachbarten Zellen kommen sich auf die Art Flüssigkeitsmengen entgegen. Wo sie zusammenstoßen, entsteht die Grenze zwischen den Polygonen.

Genau genommen begleitet ein weiterer Vorgang die Rayleigh-Bénard-Konvektion. Er kommt durch die Abhängigkeit der Oberflächenspannung von der Temperatur zu Stande: Die oben ankommende warme Flüssigkeit hat eine geringere Oberflächenspannung als die kältere aus der Umgebung und wird deswegen regelrecht auseinandergerissen. Das unterstützt den durch Schwerkraft bedingten Transport in Richtung der kühleren Bereiche zusätzlich.

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