See mit Schnee- und Eisschicht
Wenn Wasser im Winter gefriert, dann stellt sich meinen Kindern die Frage, warum Fische im Wasser nicht erfrieren.
Fische können im Wasser schon erfrieren. Solange ein See oder Teich aber nur mit einer Eisschicht bedeckt ist, überleben Fische unter der Eisdecke zumeist sehr gut. Wasser gefriert nämlich von oben nach unten. Diese Tatsache hilft den Fischen.
Warum gefriert Wasser immer von oben nach unten?
Mit dem Experiment "Warmes Wasser will nach oben" haben wir festgestellt, dass warmes Wasser nach oben steigt und auf kaltem Wasser schwimmt.
Wenn also warmes Wasser auf kaltem Wasser schwimmt, dann ist es eigentlich unlogisch, dass das oben schwimmende Wasser zuerst gefriert.
Was genau passiert im Winter mit dem Wasser in einem See?
Im Winter gibt das Wasser seine Wärme an die darüberliegende Luft ab. Das abgekühlte Wasser sinkt ab, wärmeres Wasser aus unteren steigt auf. Ganz genau so, wie wir es aus dem oben genannten Experiment kennen. Das jetzt obenschwimmende Wasser kühlt sich auch weiter ab und sinkt wieder nach unten.
Diese Wasserbewegung findet statt, solange bis das untenliegende Wasser eine Temperatur von 4°C hat. Darüberliegendes kälteres Wasser sinkt nicht ab.
Der Hintergrund ist wie folgt: Wasser hat bei 4°C seine höchste Dichte und ist bei dieser Temperatur am schwersten (Dichteanomalie des Wassers). Wasserteilchen mögen sich - warum auch immer - bei 4°C besonders gerne und sind ganz dicht beieinander. Kühlt sich Wasser unter 4°C ab, dann wird der Abstand zwischen den Wasserteilchen wieder größer.
Wenn sich das kältere Wasser oben befindet, dann führt das dazu, dass dieses Wasser zuerst gefriert. Auch das Eis - das feste Wasser - sinkt nicht mehr ab, weil bei der Eisbildung Hohlräume im Eis entstehen, die die Dichte des Eises verringern und das Eis schwimmen lassen.
Für Kinder lassen sich zwei einfache Fragen anschließen:
Wann braucht Wasser am meisten Platz?
Antwort: Heißes Wasser braucht am meisten Platz. Wenn wir jedoch ganz genau sind und die verschiedenen Zustandsformen des Wassers (Aggregatzustände) berücksichtigen, dann braucht Eis noch mehr Platz als heißes Wasser. Den allermeisten Platz braucht jedoch das gasförmige Wasser, der Wasserdampf.
Wann braucht Wasser am wenigsten Platz?
Antwort: Wasser braucht bei einer Temperatur von 4°C am wenigsten Platz.
Wasser braucht bei 4°C am wenigsten Platz
Warum gefriert das Wasser nicht bis auf den Grund?
Bei entsprechender Kälte wird eine Eisschicht auf dem Wasser immer dicker - wenn auch nur langsam. Das unter dem Eis liegende Wasser hat keinen direkten Kontakt zur kalten Luft und kühlt sich deshalb nur langsam weiter ab.
Grundsätzlich gilt: Je tiefer ein Gewässer, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass Wasser bis auf den Boden gefriert. In kleinen Teichen gefriert Wasser am ehesten komplett durch.
Experiment: Wasser im Gefäß gefrieren lassen
Was man nicht sieht, das glaubt man nicht unbedingt. Darum macht es Sinn, dass Kinder in einem Plastikgefäß Wasser selbst gefrieren lassen. Hier muss der Gefriervorgang natürlich immer wieder beobachtet werden. So merken Kinder schnell, dass sich zuerst eine obere Eisschicht bildet.
Experiment: Eine Eisscheibe auf Wasser
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