Warum gefriert das Wasser eines Sees zuerst an der Oberfläche?

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Warum gefriert das Wasser eines Sees oder eines Teiches zuerst an der Oberfläche?

Liegt es daran, dass das Wasser an der Oberfläche mit der (kalten) Luft in Kontakt ist und das Wasser auf dem Grund mit dem (warmen) Boden? Oder liegt es daran, dass gefrorenes Wasser eine geringere Dichte hat als flüssiges Wasser?

Damit das Wasser gefriert, muss es innere Energie verlieren. Das passiert beim Kontakt mit der kalten Luft an der Wasseroberfläche. Dagegen ist das Wasser auf dem Grund durch eine (langsam dicker werdende) Eisschicht von der kalten Luft isoliert. Es ist richtig, dass gefrorenes Wasser – also Eis – eine geringere Dichte hat als flüssiges Wasser. Dies hat aber nichts mit dem Wärmeaustausch beim Gefrieren zu tun.

Sie haben Ihre Frage schon selbst beantwortet. Es ist in der Tat so, dass durch den direkten Kontakt zwischen Seeoberfläche und Luft, die (sehr kalte) Luft dem Wasser innere Energie entzieht. Das Wasser kühlt sich dadurch zunächst auf 0°C ab und gefriert schließlich. Da Eis auf dem Wasser schwimmt, wirkt es zwischen Wasser und Luft als isolierende Schicht und verlangsamt den Gefrierprozess.

Wenn das Wasser auf den Grund des Sees sinken würde, würde dies den Wärmeaustausch begünstigen und der gesamte See viel schneller zufrieren.

Die Dichteanomalie von Wasser (also das Phänomen, dass 4°C kaltes Wasser am schwersten ist) und die Tatsache, dass das Wasser von oben gekühlt wird, sind beide zusammen für diesen Effekt verantwortlich. Gäbe es die Dichteanomalie nicht (wäre also Wasser umso schwerer, je kälter es ist, so wie es bei den meisten anderen Materialien der Fall ist), dann würde das kälteste Wasser (oder auch sich bildendes Eis) immer auf den Boden des Sees sinken und der See würde von unter her zufrieren.

Solange das Wasser im See wärmer als 4°C ist, passiert auch genau dies: Das kälteste Wasser sinkt nach unten. Aber sobald die Temperatur des Wassers an der Oberfläche unter die "magische Grenze" von 4°C gefallen ist, stoppt dieser Prozess. Das kälteste Wasser bleibt nun an der Oberfläche, und durch die kalte Luft wird es immer weiter abgekühlt, so dass sich an der Oberfläche die Eisschicht bildet.

Aber auch die Tatsache, dass das Wasser von oben gekühlt wird, ist nicht zu vernachlässigen. Was würde passieren, wenn der See statt von oben von unten gekühlt würde? Sobald die Temperatur des kalten Wassers am Grund 4°C unterschritten hätte (es also leichter als darüber liegendes, 4°C kaltes Wasser geworden wäre), würde es nach oben aufsteigen. Dort würde es sich durch die wärmere Luft wieder aufwärmen, während das gleichzeitig nach unten gesunkene wärmere Wasser gekühlt würde. Dadurch würde ein Kreislauf entstehen, der dazu führen würde, dass sich eine mehr oder weniger einheitliche Temperatur des Wassers im See einstellen würde. Die Tendenz, dass sich an der Oberfläche eine geschlossene Eisdecke ausbildet, wäre also wesentlich geringer.

Hinzu kommt, dass, sobald sich einmal eine Eisdecke ausgebildet hat, das wärmere Wasser darunter keinen direkten Kontakt zur kalten Luft mehr hat und es sich darum nur noch sehr langsam weiter abkühlt. Das Eis bildet praktisch eine isolierende Schicht zwischen der kalten Luft und dem wärmeren Wasser unter dem Eis, ähnlich wie bei einem Iglu, der, obwohl er aus Schee gebaut ist, dafür sorgt, dass es im Inneren (zumindest nach Inuit-Kriterien) gemütlich warm bleibt, da die eiskalte Luft keine Wärme abtransportieren kann.

Eine Unterrichtseinheit, die sich mit der Dichteanomalie des Wassers und deren Folgen beschäftigt, finden Sie bei den Aktivitäten: www.sonnentaler.net/aktivitaeten/materie/wasser/anomalie/