Die Dichte von unterkühltem Wasser weist ein Minimum auf

Wissenschaftliche Erklärung

Wasser kann unter bestimmten Bedingungen flüssig bleiben, obwohl seine Temperatur unter den Gefrierpunkt gesunken ist — man spricht von unterkühltem Wasser. In diesem unterkühlten Zustand setzt sich ein bemerkenswerter Trend fort: Die Dichte, die bereits ab 4 Grad Celsius beim Abkühlen abnimmt, sinkt weiter und erreicht ein Minimum bei etwa minus 30 bis minus 35 Grad Celsius.

Unterhalb dieses Minimums steigt die Dichte wieder an. Dieses Verhalten deutet auf einen grundlegenden Wandel in der Struktur des flüssigen Wassers hin. Im unterkühlten Bereich bilden sich zunehmend grössere Bereiche mit eisähnlicher, teträdrischer Ordnung. Bei den tiefsten erreichbaren Temperaturen (bevor spontane Kristallisation einsetzt) nimmt der Anteil dieser geordneten Strukturen so stark zu, dass die Dichte ein Minimum durchläuft.

Dieses Dichteminimum wird als Hinweis auf einen möglichen zweiten kritischen Punkt im Phasendiagramm von Wasser diskutiert, an dem sich zwei unterschiedliche flüssige Phasen — eine hochdichte und eine niedrigdichte Form — unterscheiden liessen. Dieser hypothetische kritische Punkt liegt tief im unterkühlten Bereich und ist experimentell nur schwer zugänglich.

Alltagsrelevanz

Unterkühltes Wasser begegnet uns häufiger als gedacht. In Wolken existieren winzige Tröpfchen, die bis unter minus 30 Grad Celsius flüssig bleiben können. Dieses unterkühlte Wasser spielt eine zentrale Rolle bei der Bildung von Regen und Hagel. Auch gefrierender Regen entsteht, wenn unterkühlte Tröpfchen beim Aufprall auf kalte Oberflächen schlagartig erstarren.

Das Dichteminimum in diesem Temperaturbereich beeinflusst die Strömungsdynamik in der Atmosphäre und liefert Hinweise auf die fundamentale Natur von Wasser als Flüssigkeit — ein Thema, das bis heute aktiv erforscht wird.