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Warum entstehen Eisblumen?

Eisblumen sind mittlerweile eher ein seltener Anblick an winterlichen Fenstern geworden. Das ist bedauerlich, denn die bezaubernd filigranen Kristallgewächse sind nicht nur faszinierend schön, sondern bieten auch die Gelegenheit, die Bildung von Eis und Schnee zu studieren. Eine Alternative bietet die virtuelle Kühlkammer, in der man Eiskristalle wachsen lassen kann.

Eisblumen-Simulation starten

In diesem Versuch hat man den Schieberegler für die ersten beiden Wachstumsphasen auf die erste Position (0° C bis -3° C) geschoben, für die dritte Phase auf die fünfte Position (-12° C bis -16° C) und für die vierte Phase auf Position zwei (-3° C bis -5° C). Der entstandene Eiskristall besteht im Kern aus dünnen hexagonalen Platten, zum Rand hin aus dendritischen Kristallen und wird von Kristallnadeln gesäumt.

Bedienung der Eisblumen-Simulation

Willkommen in unserer virtuellen Kühlkammer! Hier kann man unter kontrollierten Bedingungen Eiskristalle wachsen lassen. Um die Simulation zu starten, muss der Schieberegler im Diagramm auf die gewünschte Position geschoben werden. Es sind Temperaturen zwischen 0° C und -25° C möglich. Sobald der Regler losgelassen wird, wächst der Kristall. Dieser Wachstumsvorgang kann bis zu fünf Mal durchgeführt werden.

Detailansicht der Eisblumen-Simulation: aus kompakte Prismen bestehender Eiskristall

Bei Temperaturen von -5° C bis -8° C bilden sich kompakte Prismen aus Eis.

Faszination Eis

Federn, Fächer, Feuerwerke, Blätter, Korallen, Bäume – die zauberhafte Welt der Eisblumen ist ebenso vielfältig wie vergänglich. Wie entstehen diese Kunstwerke der Natur? Normalerweise sorgen wir im Winter am Abend für angenehme Temperaturen im Zimmer, indem wir heizen. In der Nacht lassen wir die Temperatur absinken – so schläft es sich besser, und Heizkosten spart das auch. Doch je kälter die Luft, desto weniger Wasser kann sie aufnehmen. Sinkt die Temperatur im Zimmer, ist die Luft also übersättigt mit Wasser. Das Wasser setzt sich ab. Die Scheiben von einfach verglasten Fenstern sind meist fast so kalt wie die Luft draußen. Haben sie eine Temperatur unter 0° C, dann kann das gasförmige Wasser aus der Luft direkt auf der Glasscheibe gefrieren. Das nennt man Resublimation, weil das Wasser nicht wie sonst üblich zunächst flüssig wird und erst dann gefriert.

Wie wächst eine Eisblume?

Eisblumen beginnen an einem Kristallisationskern. Das können winzige Unebenheiten oder Staubkörner auf der Scheibe sein. Dort lagert sich das Wasser aus der Luft an und bildet den Grundstock für eine Eisblume. An diesen lagern sich mehr und mehr weitere Wassermoleküle an – die Eisblume wächst. Dabei wachsen mehrere bald zusammen, werden dicker und verzweigen sich immer mehr – hoch komplexe Muster entstehen.

Detailansicht der Eisblumen-Simulation: dendritischer Kristall

Dieser Eiskristall ist bei relativ konstanten Temperaturen zwischen -12° C und -16° C gewachsen.

Fraktales Wachstum

Die genaue Form, nach der eine Eisblume wächst, lässt sich nicht vorhersagen. Der Zufall spielt dabei immer eine Rolle. Es gibt Versuche, das Muster von Eisblumen mit Fraktalen zu beschreiben. Der Begriff „Fraktal“ geht zurück auf den Computerwissenschaftler Benoit Mandelbrot, der 1975 das Wort prägte. Er befasste sich mit dem Verlauf von Küsten, der Gestalt von Bergen und der Form von Wolken. Dabei stellte er fest, dass sie alle sich mit herkömmlichen mathematischen Methoden nicht vollständig beschreiben lassen. Der Küstenverlauf eines Landes etwa lässt sich nie exakt mit einer Linie bestimmen. Die Linie wird länger und länger, je genauer man versucht, sie der Form der Küste anzupassen. Doch ist es nie möglich, die Küstenlinie in allen Einzelheiten nachzubilden. Denn immer sind noch kleinere Bereiche im Küstenverlauf feiner strukturiert, als die Beschreibung durch den Linienzug wiedergibt. Mandelbrot sprach daher von der "fraktalen", also unvollständigen Dimension solcher natürlichen Gebilde.

Eine der faszinierendsten Eigenschaften von Fraktalen ist ihre Selbstähnlichkeit. Das heißt, ein kleiner Ausschnitt eines solchen Gebildes ist dem Ganzen ähnlich. Das gilt auch für die Eisblumen: Die Verzweigungen im Kleinen entsprechen denen im Großen. Wie die grafische Darstellung von sogenannten Mandelbrot-Mengen (Fraktalen) entstehen auch Eisblumen durch die vielfache Anwendung der gleichen einfachen Regeln.

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