Wie Meerwasser gefriert

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Eis aus gefrorenem Meerwasser ist wesentlich weniger salzig als das Meerwasser selbst ? das ist schon lange bekannt. Wie der Gefriervorgang auf mikroskopischer Ebene abläuft, war Physikern und Chemikern bislang allerdings unklar, weil sich die Bewegung der einzelnen Atome in Experimenten kaum beobachten lässt. Nun haben Lubo? Vrbka und Pavel Jungwirth von der Tschechischen Akademie der Wissenschaften in Prag erstmals in einer Simulation studiert, wie die Salz-Ionen von dem wachsenden Eiskristall abgestoßen werden.

Die Forscher berichten in einem demnächst in der Zeitschrift Physical Review Letters erscheindenden Artikel, dass sie ihr Modell zunächst am Beispiel von reinem Wasser testeten. Anschließend beobachten sie, wie sich ein System aus 720 Wassermolekülen und zwei beziehungsweise vier Natriumchlorid-Molekülen verhielt.

In der Simulation verlangsamte das Salz den Gefriervorgang erheblich: Während reines Wasser innerhalb von 250 Nanosekunden komplett gefror, brauchte die am stärksten konzentrierte Salzlösung etwa doppelt so lang. Die Wassermoleküle ordneten sich dabei zunächst entlang gleichmäßiger Fronten zu Eis an, wobei die Salzionen immer wieder abgestoßen wurden, so dass sich die Dichte des Wassers reduzierte und eine neue Eisschicht dazukam. Schließlich brach die Kristallisationsfront zusammen, so dass eine hochkonzentrierte Salzlauge in einer Tasche im Kristall eingeschlossen wurde. Ein einziges Chlorid-Ion wurde bei der Simulation in das Kristallgitter eingebaut. Um den Prozess im Detail zu verstehen, seien jedoch noch weitere Studien nötig, schreiben die Forscher.

Das Gefrieren von Salzwasser spielt nicht nur im Meer eine Rolle, wo die schwere Salzlauge die Zirkulation der Meeresströmungen mit antreibt, sondern auch in Gewitterwolken. Auch für die Entsalzung von Meerwasser könnten die Ergebnisse der beiden Tschechen interessant sein.

Ute Kehse

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