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Physiker erklären Wellenform an der Oberfläche von Eiszapfen

Jede einzelne Schneeflocke unterscheidet sich in ihrer Kristallstruktur von den anderen. Eiszapfen dagegen wachsen unabhängig von Temperatur, Feuchtigkeit oder Dicke immer mit einer ähnlichen Wellenstruktur auf ihrer Oberfläche. Japanische Physiker haben nun ein theoretisches Modell entwickelt, das diese Ähnlichkeit schlüssig erklärt und berichten darüber im Fachblatt Physical Review E.

Wer einen Eiszapfen genau betrachtet, erkennt, dass er in regelmäßigen Abständen von einem Zentimeter Verdickungen aufweist. Zwar ist diese Wellenform je nach Zapfen mehr oder weniger stark ausgebildet, doch bleibt der Abstand zwischen den Erhöhungen weitestgehend konstant. Zwei Effekte machen Naohia Ogawa und Yoshinori von der Hokkaido Universität in Sapporo dafür verantwortlich. Zum einen begründet die so genannte Laplace-Instabilität grundsätzlich die Bildung von dickeren und dünneren Abschnitten. Denn diese erklärt, dass auf einer nach außen gewölbten, konvexen Struktur Wärme besser abgeleitet wird als in einer konkaven Mulde. Folglich gefriert auf der Verdickung der rund einen zehntel Millimeter dünne Wasserfilm besser als an den schlanken Stellen und verstärkt so die Wellenform.

Zum zweiten rinnt permanent ein hauchdünner Wasserfilm am Eiszapfen herab und gleicht so Temperaturunterschiede aus. Auch wenn dieser zweite Effekt dem ersten entgegenwirkt, dominiert er bei höheren (Schmelz-)Temperaturen, wodurch der Zapfen nahezu glatt und spitz wird. Bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt jedoch erklärt der rinnende Wasserfilm durch die gleichmäßige Temperaturverteilung den immer gleichen Abstand der Verdickungen.

Im Laufe des Wachstums des Eiszapfens wandern die Wellen langsam zum unteren, spitzen Ende. Die Theorie der japanischen Physiker zeigt sogar, dass dies halb so schnell geschieht wie der Zapfen selbst wächst. Mit anderen Randbedingungen hoffen die Wissenschaftler nun auch, die extrem langsam wachsenden Strukturen von Stalaktiten und Stalagmiten in Tropfsteinhöhlen beschreiben zu können. Nach ihrer genauen theoretischen Beschreibung hoffen sie, dass ihr Modell schon bald experimentell bestätigt wird.

Jan Oliver Löfken
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