Ohne Verunreinigungen erstarrt Wasser erst weit unter Null Grad - Entdeckung hat Bedeutung für Klimamodelle

Simulierte Eiskristalle

Salt Lake City (USA) - Wären Seen und Flüsse mit absolut reinem Wasser gefüllt, würden sie in unseren Breiten niemals zufrieren. Denn der wahre Gefrierpunkt von Wasser liegt nicht bei null Grad Celsius, sondern weit tiefer: bei minus 48 Grad. Diesen Wert ermittelten nun Physikerinnen mit aufwendigen Computersimulationen. Wie sie in der Zeitschrift "Nature" berichten, ordnen sich die Wassermoleküle bei dieser Temperatur abrupt zu kleinen Verbünden zusammen. Ausgehend von diesen kann die unterkühlte Flüssigkeit dann komplett erstarren.

"Wir lösen damit das sehr alte Rätsel von den Prozessen im tief unterkühlten Wasser", sagt Valeria Molinero von der University of Utah in Salt Lake City. Zusammen mit ihrer Kollegin Emily Moore simulierte sie das Verhalten von zehntausenden Wassermolekülen mit aufwendigen Berechnungen im Computer. Gefüttert mit allen wichtigen physikalischen Eigenschaften von Wasser zeigten ihre Modelle detailliert das Bindungsverhalten der Wassermoleküle. So kommt es bei minus 48 Grad zur Bildung sogenannter Tetraeder-Strukturen, in denen sich ein Wassermolekül über relativ schwache Bindungen mit vier weiteren Molekülen verknüpft. Ausgehend von dieser Zusammenballung erstarrt dann reines Wasser zu Eiskristallen.

Auf den ersten Blick haben diese Ergebnisse keinen Einfluss auf natürliche Wasservorkommen. Denn in Seen und Flüssen sind immer Minerale im Wasser gelöst oder sonstige Verunreinigungen vorhanden. An diesen bilden sich bereits bei Null Grad Celsius erste sogenannte Kondensationskeime, die zu größeren Eiskristallen heranwachsen. Doch in der Atmosphäre konnte bereits unterkühltes Wasser beobachtet werden, das selbst weit unter dem klassischen Gefrierpunkt flüssig blieb. Doch wie die neue Studie nun zeigt, ist diesem Phänomen bei Temperaturen unter minus 48 Grad eine natürliche Grenze gesetzt.

Da flüssiges Wasser einfallende Strahlung ganz anders reflektiert als Eiskristalle, hat der Aggregatzustand von Wasser einen Einfluss auf das Erdklima. "Dazu muss man vorhersagen, wie viel Wasser in der Atmosphäre flüssig ist oder sich im festen, kristallinen Zustand befindet", sagt Molinero. So könnten auf der Basis der neuen Ergebnisse nun genauere Strahlungsbilanzen in Klimaprognosen einfließen.