Kristallstruktur von Meereis

Bei Süßwasser-, aber auch bei Meerwassereis, hat die Kristallstruktur des Eises eine bedeutende Rolle für dessen Eigenschaften. So werden beispielsweise die deutlichen Unterschiede der Albedo zwischen See- und Meereis von der Kristallgitterstruktur des Eises bestimmt.

Eine wichtige Eigenschaft, welche das Meereis für globale Prozesse so wichtig macht, ist die Kristallgitterstruktur, welche gefrorenes Wasser im festen Aggregatzustand, also in der Form von Eis, einnimmt. Auch die Dichte-Anomalie spielt eine entscheidende Rolle bei thermodynamischen Prozessen aber auch bei den Umwandlungsprozessen von Wasser zu Eis.

In Abhängigkeit von Druck und Temperatur, kann Eis in mehr als einem Dutzend verschiedener Modifikationen auftreten, welche Polymorphe genannt werden. Wasser (H2O) kristallisiert bei Atmosphärendruck und unter natürlich vorkommenden Temperaturen in der mit I(h) bezeichneten hexagonalen Struktur. Die übrigen Erscheinungsformen von Eis treten nur bei sehr hohen Drücken und/oder sehr tiefen Temperaturen auf. In fester Eisform ist jedes Wasserstoffmolekül umgeben von vier Nachbarmolekülen. Die Moleküle sind derart angeordnet, dass die Sauerstoffatome der vier Nachbarmoleküle die Ecken eines nahezu idealen Tetraeders bilden. Die Sauerstoffatome wiederum bündeln sich in einer Serie von parallelen Ebenen, die man als Basisebenen bezeichnet. Die Gesamtstruktur erinnert an einen Bienenstock mit Wabenstruktur, zusammengesetzt aus Schichten mit leicht zerknitterten Sechsecken.

Diese Kristallstruktur bestimmt viele physikalische und mechanische Eigenschaften des Meereises, insbesondere die Anisotropie. Dies ist ein Ausdruck aus dem Griechischen und bezeichnet ein ungleiches Verhalten bei Richtungsänderungen. Das bedeutet, dass die Eigenschaften des Eises von der Richtung der einwirkenden Kraft abhängen. Die Kristallstruktur ist ebenfalls für die Entstehung verschiedener Texturklassen (z. B. säulenförmiges oder körniges Eis) des Meereises von Bedeutung.

Mit der Orientierung kleiner Ursprungs-Kristalle ist die Wachstumsrichtung von Eis häufig vorgegeben. Wächst ein Eiskristall, ist es für ein neues Atom energetisch günstiger sich an eine bereits existierende Basisebene anzulagern, als eine neue Ebene zu beginnen. Daher ergeben sich bevorzugte Wachstumsrichtungen. Diese Wachstumsrichtungen sind in Form der Arme von sternförmigen Schneeflocken sichtbar, die durch das Gefrieren von Wasserdampf wachsen. Ebenso sichtbar wird die Wachstumsrichtung von Eiskristallen in Form der Arme von verzweigten Eiskristallen, die an der Oberfläche eines neu gefrierenden Sees oder des Meeres entstehen, sowie die bevorzugte abwärts gerichtete Wachstumsrichtung von Meereiskristallen bei einer bestehenden Meereisdecke. Ferner die Schmelzeigenschaften, die sich innerhalb der Eiskristalle als ein Ergebnis von absorbierter Solarstrahlung bilden.

Da die Eiskristalle nicht regelmäßig in alle Richtungen wachsen, hat Eis stets eine stabilere und eine instabilere „Seite“. Bei dem Auftreten von Schubkraft können sich die einzelnen Schichten parallel gegeneinander verschieben, beziehungsweise aneinander vorbeigleiten, während der Kristall der Ausübung von Druck gut standhalten kann.

Bernal-Fowler Regeln [1]
Für gefrorenes Wasser gilt prinzipiell, dass

1. jede Gitterposition von einem Wassermolekül besetzt ist, welches wiederum tetraedrisch von vier Nachbarmolekülen umgeben ist,

2. sich zwischen jedem Sauerstoffpaar (O-O) genau ein Wassermolekül (H) befindet, welches die beiden Sauerstoffatome über eine Wasserstoffbrückenbindung verbindet (O-H-O),

3. die Wassermoleküle beim Gefrieren intakt bleiben, das heißt jedes Sauerstoffatom bindet zwei Wasserstoffatome in geringer Entfernung (die O-H Entfernung ist ungefähr 1 Ångström(Å) lang) an sich und ist mit zwei weiteren Wasserstoffatomen über eine Wasserstoffbrücke verbunden,

4. die Bindungslänge der Wasserstoffbrücken variieren kann, wodurch eine Vielzahl von Konfigurationen möglich ist. Dies ist der Grund für die irreguläre Struktur des Eises.



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[1] P. Wadhams, Ice in the ocean, Gordon and Breach Science Publisher, 2000, S. 38-39