Benutzer:FIXH/Eisspitze

Eine Eisspitze ist eine ungewöhnliche Eisformation, die sich oft in Form eines umgekehrten Eiszapfens von der Oberfläche eines gefrorenen Gewässers nach oben erhebt.

Über Eisspitzen, die durch natürliche Prozesse auf der Oberfläche kleiner gefrorener Gewässer entstehen, wird seit vielen Jahrzehnten berichtet, obwohl ihr Vorkommen recht selten ist. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde ein Mechanismus für ihre Entstehung vorgeschlagen, der heute als Bally-Dorsey-Modell bekannt ist. Dieser blieb jedoch lange Zeit unbewiesen.

In den letzten Jahren sind im Internet zahlreiche Fotos von natürlichen Eisspitzen aufgetaucht sowie Methoden zu deren künstlicher Herstellung durch Einfrieren von destilliertem Wasser in Haushaltskühlschränken oder Gefrierschränke. Dies hat es einer kleinen Anzahl von Wissenschaftlern ermöglicht, die Hypothese in einer Laborumgebung zu testen, und obwohl die Experimente die Gültigkeit des Bally-Dorsey-Modells zu bestätigen scheinen, haben sie weitere Fragen darüber aufgeworfen, wie sich natürliche Eisspitzen bilden, und es bleibt viel Forschungsarbeit zu tun, bevor das Phänomen vollständig verstanden ist.

Natürliche Eisspitzen können andere Formen als die klassische Spitzenform annehmen und wurden verschiedentlich als Eiskerzen, beschrieben Eistürme oder Eisvasen, da es für diese anderen Formen keine einheitliche Nomenklatur gibt. Eine besonders ungewöhnliche Form ist die Form einer umgekehrten Pyramide.

Obwohl natürliche Eisspitzen normalerweise in Zoll oder Zentimetern gemessen werden, ein Bericht, der im Newsletter der Harbor Creek Historical Society des Kanadiers Gene Heuser erschien , der 1963 über den zugefrorenen Eriesee wanderte, sprach von „kleinen Nadellöchern im Eis, durch die das Wasser darunter regelmäßig unter Druck gezwungen wurde, nach oben zu spritzen.“ in die Luft gelangen und gefrieren" Er erzeugte fünf Fuß hohe (1,5 m) „gefrorene Spritzer, die für ihn wie Telefonmasten aussahen, die über den gesamten See ragten“.

Hintergrund

Eisspitzen gelten seit Jahrzehnten als seltenes Naturphänomen. Unabhängig davon wurde ein Modell des Entstehungsmechanismus erstellt von O. Bally und H.E. Dorsey im frühen 20. Jahrhundert und dies ist bis heute die am weitesten verbreitete Erklärung des Phänomens. Spitzen neigen dazu, sich in Behältern wie Vögeln zu bilden B. in Badewannen und Trinknäpfen für Haustiere, wo das Wasser schnell gefriert, und nicht in großen Gewässern wie Seen und Teichen. Es wurden mehrere Webseiten veröffentlicht, die Fotos von ungewöhnlichen Eisformationen zeigen und das Phänomen diskutieren, und es wurde über mehrere Fälle berichtet, in denen sich Eisspitzen auf Eiswürfeln in häuslichen Kühlschränken gebildet haben. Die Fähigkeit, Eisspitzen in einer kontrollierten Umgebung wachsen zu lassen, hat einige Forschungsuntersuchungen durch ein Team von Wissenschaftlern im Physikdepartement des California Institute of Technology unter der Leitung von Kenneth G. Libbrecht angeregt, um die Bedingungen für die Bildung der Spitzen zu untersuchen.

Entstehung

Natürlich vorkommende Eisspitzen, oft in Form von kreisförmigen Eiskerzen oder polyedrischen Eistürmen (normalerweise dreieckig), werden gelegentlich in Behältern gefunden aus gefrorenem Regen- oder Leitungswasser. Wasser dehnt sich um 9 % aus, wenn es zu Eis wird, und die einfachste Form eines Eiskristalls, die seine innere Struktur widerspiegelt, ist ein sechseckiges Prisma. Die oberen und unteren Flächen des Kristalls sind sechseckige Ebenen, die als Basalebenen bezeichnet werden, und die Richtung, die senkrecht zu den Basalebenen verläuft, wird als c-Achse bezeichnet.

Der Prozess beginnt, wenn Oberflächenwasser um Unregelmäßigkeiten herum Nukleationskeime bildet, wo es auf die Behälterwand trifft. Wenn die c-Achse des ersten Kristalls, der sich bildet, nicht vertikal ist, schneidet die Basalebene die Oberfläche entlang einer Linie senkrecht zur c-Achse, und Eisnadeln neigen dazu, sich entlang dieser Linie über die Oberfläche auszubreiten. Einfach ausgedrückt gefriert die Oberfläche von den Rändern nach innen, so dass nur ein kleines Loch an der Oberfläche unfroren bleibt. Die Kristallvorhänge neigen dazu, sich unter einem Winkel von 60 Grad zu verbinden, und das Loch ist daher oft dreieckig. Das anhaltende Gefrieren von Wasser unter der Eisoberfläche drückt dann das verbleibende Wasser langsam durch das Loch nach oben. Bei Erreichen sehr kalter Luft gefriert der Rand des extrudierten Wassers, während es in der Mitte flüssig bleibt. Weitere Gefrierung von unten drückt mehr Wasser nach oben, der Rand friert und so weiter. Wenn die Extrusionsgeschwindigkeit des Wassers mit der Gefriergeschwindigkeit am Rand des Lochs übereinstimmt, wiederholt sich dieser Vorgang kontinuierlich, und aufeinanderfolgende Schichten bilden eine nach oben wachsende Röhre aus Eis. Die Bildung von Eisspitzen hängt mit der Form des Gewässers, der Konzentration gelöster Verunreinigungen, der Lufttemperatur und der Zirkulation über dem Wasser zusammen. Spitzen, die aus einem unter der Wasseroberfläche gebildeten Kristall wachsen, können in einem steilen Winkel aus der Eisdecke hervorstehen, anstatt senkrecht dazu zu sein. Der Prozess der Eisspitzenbildung ist selten; häufiger gefriert die Oberfläche vollständig, und wenn Wasser unter der Oberfläche gefriert, drückt es das gesamte Oberflächeneis nach oben. Auf Eiswürfeln, die in Haushaltskühlschränken hergestellt werden, können sich künstlich kleine Eisspitzen bilden, indem destilliertes Wasser in Kunststoff-Eiswürfelformen verwendet wird. Die Bildung der Spitze ähnelt der natürlich vorkommenden Spitze, da die Ausdehnung des inneren Wassers und die Verringerung des Volumens im Inneren des Würfels den Druck auf das Wasser erhöhen, es durch das Loch nach oben zu drücken. Das Wachstum des Röhrchens stoppt, wenn der Tropfen oben im Röhrchen vollständig gefriert, was wesentlich vor dem vollständigen Gefrieren des restlichen Wassers im Würfel geschieht. Diese Methode erzeugt kleine Spitzen, die normalerweise rund oder dreieckig im Querschnitt mit scharfen Spitzen sind. Experimente mit dieser Methode wurden in Laboreinstellungen durchgeführt, es wurde jedoch festgestellt, dass sich Spitzen in Eiswürfeln aus nicht destilliertem Wasser weniger wahrscheinlich bilden, da Verunreinigungen im Wasser die Spitzenbildung hemmen. Dies wirft die Frage auf, wie sich natürlich vorkommende Eisspitzen in Leitungs- oder Regenwasser bilden, und Libbrecht und Lui haben dies vorgeschlagen Im Fall der kleinen, in einem Kühlschrank gezüchteten Spitzen konzentrieren sich die Verunreinigungen zunehmend in dem kleinen, nicht gefrorenen Tröpfchen an der Oberseite des Röhrchens, was die Gefriergeschwindigkeit und damit das Wachstum des Röhrchens verringert. Sie glauben jedoch, dass in den seltenen Fällen, in denen außergewöhnlich große Ähren in natürlichen Eisformationen im Freien wachsen, ein anderer Mechanismus die Verunreinigungen entfernen muss, die sich an der Oberseite des Wachstumsrohrs ansammeln. Entweder werden Verunreinigungen in Taschen gedrückt, die langsamer gefrieren, oder vielleicht ersetzt eine Konvektionsströmung, die in den kleineren, künstlich gewachsenen Spitzen unbedeutend wäre, das Wasser oben im Rohr durch frisches Wasser von unten.

Die Ergebnisse der am Caltech durchgeführten Arbeiten haben Experimente vorgeschlagen, die dieses Phänomen weiter aufklären könnten.