Forschung

Der wahre Gefrierpunkt von Wasser – minus 48 Grad Celsius

24.11.2011 - Computersimulationen zeigen abrupte Strukturänderungen in tief unterkühltem Wasser. Die Entdeckung ist für Klimamodelle bedeutsam.

Ohne Verunreinigungen und Kondensationskeime kann reines Wasser bis weit unter dem klassischen Gefrierpunkt bei null Grad Celsius flüssig bleiben. Doch unterhalb von minus 48 Grad Celsius muss selbst tief unterkühltes Wasser zu Kristallen erstarren. Diese Grenze ermittelten nun amerikanische Wissenschaftlerinnen mit Hilfe von aufwändigen Computersimulationen. Ihre Ergebnisse klären nicht nur ein Rätsel der Grundlagenforschung auf, sondern können auch direkte Auswirkungen auf die Prognosen von Klimamodellen haben.

Abb.: Stark unterkühltes Wasser in der Computersimulation: Flüssige Bereiche (weiß) sind durchsetzt mit ersten Ansätzen für Eiskristalle (grün/rot). (Bild: U. Utah)

Abb.: Stark unterkühltes Wasser in der Computersimulation: Flüssige Bereiche (weiß) sind durchsetzt mit ersten Ansätzen für Eiskristalle (grün/rot). (Bild: U. Utah)

„Wenn man aus flüssigem Wasser Eis erhalten möchte, braucht man zuallererst einen kleinen Kondensationskeim“, sagt Valeria Molinero von der University of Utah in Salt Lake City. Diese sind in Seen und Flüssen durch in Wasser gelöste Minerale oder Verunreinungen zahlreich vorhanden. Absolut reines Wasser hingegen bildet diese Keime für das Kristallwachstum spätestens ab einer Temperatur von etwa 225 Kelvin von selbst. Wie eine Computersimulation eines winzigen Tröpfchens aus 32.768 Molekülen gezeigt hat, lagern sich Wassermoleküle bei dieser Temperatur selbstständig zu schwach gebundenen Tetraedern zusammen. Ausgehend von diesen können weitere Eiskristalle wachsen.

Viele tausend Rechenstunden waren für diese umfassende Simulationen der molekularen Dynamik von Wasser nötig. In ihr Modell ließ Molinero zusammen mit ihrer Kollegin Emily Moore die wesentlichen thermodynamischen Eigenschaften von Wasser einfließen: Enthalpie, Wärmekapazität und die freie Energie, die beim Kristallisationsprozess freigesetzt wird. Bei 225 Kelvin setzte in dem Modell mit der Bildung der über Wasserstoffbrücken verbundenen Tetraeder eine abrupte Änderung ein. Die Kristallisationsrate der Moleküle erreichte an diesem Punkt ihr Maximum.

Auf der Basis dieser Simulationen könnte nun auch das vielfältige Gefrierverhalten von Wasser genauer geklärt werden. Denn bei einem schnellen Schockgefrieren bildet reines Wasser bevorzugt glasartiges, amorphes Eis, in dem keine kristalline Fernordnung der Kristalle vorliegt. Läuft der Kühlungsprozess langsamer ab, können sich abhängig von Druck und Temperatur Eiskristalle in derzeit 16 bekannten, verschiedenen Formen bilden.

Doch nicht nur die Grundlagen von Eiskristallen könnten dank solcher Simulationen besser verstanden werden. Auch Klimaforscher finden hier einen wichtigen Aspekt, um ihre Modelle weiter verfeinern zu können. Denn flüssiges und zugleich auf Minusgrade unterkühltes Wasser reflektiert in der Atmosphäre einfallende Strahlung anders als Eiskristalle. So wirkt sich der Aggregatzustand des Wassers direkt auf das Erdklima aus. „Dazu muss man vorhersagen, wie viel Wasser in der Atmosphäre flüssig ist oder sich im festen, kristallinen Zustand befindet“, sagt Molinero. Es ist nicht ausgeschlossen, dass genau diese Abschätzung mit den thermodynamischen Berechnungen nun noch genauer erfolgen könnte.

Jan Oliver Löfken

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