Aus Eiswasser wird Atlantik

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Die interne Mikrostruktur von Meereis besteht aus einer komplexen Mischung von Süßwassereis, flüssiger Salzsole und Gaseinschlüssen, wobei die Zusammensetzung dieser Mischung die physikalischen Eigenschaften von Meereis entscheidend beeinflusst. Die Kenntnis der inneren Mikrostruktur von Meereis ist auch bei vielen Messverfahren Voraussetzung für eine exakte Bestimmung, wie zum Beispiel der Dicke von Meereis. Insbesondere die Art des Gefrierens bestimmt die Mikrostruktur des Meereises. Voraussetzung zur Eisbildung ist natürlich, dass das Meerwasser durch die kalte Luft mindestens bis auf den Gefrierpunkt abgekühlt wird. Durch seinen hohen Salzgehalt liegt dieser typischerweise bei -1,8 Grad Celsius. Die Prozesse des Meereiswachstums hängen dann stark von Wind und Wellen ab. Unabhängig davon, verdrängen beim Erstarren von Meerwasser die Wassermoleküle den Salzanteil aus der entstehenden Kristallstruktur . Die in der Folge aufkonzentrierte Salzsole (verbleibendes flüssiges, stark mit Salzionen angereichertes Meerwasser) bildet Hohlräume und Kavernen, ein komplexes Kanalsystem, das den Eiskörper durchzieht.






Das Element Wasser (H 2 O) weist einige Eigenschaften auf, welche auch die Charakteristiken von Meereis beeinflussen. Wasser ist der einzige Stoff der Erde, der unter den gegebenen Klimaverhältnissen unserer Erde in den drei chemischen Zustandsformen (Phasen) fest, flüssig und gasförmig auftritt. Diese besondere Eigenschaft von Wasser ermöglicht sein Vorkommen in allen Sphären. Wechselt das Wasser seinen Aggregatszustand, wird Energie umgesetzt. Je nach Phasenübergang wird entweder Energie gebunden (schmelzen, verdampfen) oder freigegeben (kondensieren, gefrieren). Aggregatzustände und Phasenübergänge können in einem Zustandsdiagramm dargestellt werden.






__________________________ [1] geändert nach: The Open University, volume ‘Seawater: Its Composition, Properties and Behaviour’, 1995, S. 6






Während des Gefrierprozesses und dem Zustand des Gefroren-Seins verändern sich bestimmte Eigenschaften von Meereis. Von besonderer Bedeutung ist der Salzgehalt des Meerwassers, da dieser die Gefriertemperatur bestimmt: je salziger das Wasser ist, desto weiter liegt der Gefrierpunkt von der Null-Grad-Grenze entfernt. Auch übt der Salzgehalt Einfluss auf die Dichte des Wassers aus.
Salzgehalt von Meerwasser Die Definition des Salzgehaltes ist in den vergangenen 100 Jahren, als Folge verbesserter chemischer Kenntnisse über das Meerwasser sowie durch die Entwicklung neuer Messmethoden, mehrmals verändert worden. Deshalb nutzte man schon sehr früh die gewonnenen Erkenntnisse über die Zusammensetzung des Meerwassers zur Bestimmung beziehungsweise Definition des Salzgehaltes. Die fünf Anionen (Chlorid (Cl - ), Sulfat (SO 4 -2 ), Bicarbonat (HCO 3 - ), Bromid (Br - ) und im Wasser dissoziierte Borsäure (H 2 BO 3 - ) und sechs Kationen (Natrium (Na + ), Magnesium (Mg 2+ ), Calcium (Ca 2+ ), Kalium (K + ) und Strontium (Sr 2+ ) bilden 99,9 Prozent der im Meerwasser gelösten Salze und sind in nahezu konstanten Proportionen (unabhängig vom Gesamtsalzgehalt des Wassers = „konservative“ Bestandteile des Meerwassers) enthalten. Diese nahezu konstanten Proportionen sowie die Dominanz der Chlorid-Ionen im Salzwasser erlaubten es, eine einfache Näherungsformel für den Gesamt-Salzgehalt aufzustellen. Die Intergovernmental Oceanographic Commission (IOC) hat 2010 die Internationale Thermodynamische Meerwassergleichung (International Thermodynamic Equation of Seawater, TEOS-10) als offizielle Beschreibung der Eigenschaften von Meerwasser und Eis in den Meereswissenschaften festgelegt. Eine der wesentlichen Neuerungen ist die Art der Angabe des Salzgehaltes. Während im alten SI-Standard der Salzgehalt als dimensionsloser „Praktischer Salzgehalt“ angegeben wurde, wird nun der „Absolute Salzgehalt“ [g/kg] herangezogen. Angegeben wird der absolute Salzgehalt in Prozent (%) beziehungsweise in Promille (‰). Das heißt, bei einem Salzgehalt von 1‰ beinhaltet ein Wasserkörper 1 Gramm Salz auf 1 Kilogramm (also 1 Liter) Wasser. Die Angabe des Salzgehaltes in psu (practical salinity units) entspricht dem praktischen Salzgehalt und ist ebenfalls sehr gängig. Sie ist einheitenlos. Dabei entspricht 1psu in etwa 1‰ Salze.
Der Salzgehalt der verschiedenen Ozeane schwankt stark und wird auch von der Ozeanströmung mit beeinflusst. Der mittlere Salzgehalt in den Ozeanen beträgt 34,7 Promille, dabei ist die Verteilung um den Mittelwert relativ klein. 50 Prozent aller Ozeane weisen einen Salzgehalt zwischen 34,6 und 34,8 Promille auf. Der Salzgehalt in den Ozeanen schwankt zwischen 32 und 38 Promille. [1] Werden die Schelfmeere mitgerechnet, deren Salzgehalte relativ hoch beziehungsweise niedrig sein können, liegen die Werte die zwischen 28 und 40 Promille. Diese Variationen entstehen, da der Salzgehalt in Abhängigkeit von Verdunstung, Niederschlag und Süßwasserzufluss von den Kontinenten variieren kann:
In den Rand- und Mittelmeeren der gemäßigten Breiten der nördlichen und südlichen Halbkugel ist der Salzgehalt infolge der Süßwasserzufuhr durch Flüsse und Niederschläge geringer.

In den Rand- und Mittelmeeren der subtropischen Breiten überwiegt die Verdunstung gegenüber Flusszufuhr und Niederschlag, und der Salzgehalt ist teilweise höher als im offenen Ozean.
Während die Ostsee einen Salzgehalt von maximal 20 Promille aufweist, kann das Tote Meer bis zu 33 Prozent Salze enthalten. Generell liegen die Salzgehalte der Ozeane jedoch deutlich unter dem des Toten Meeres. So beinhalten das Nordpolarmeer etwa 32 Promille, die Nordsee zwischen 3,4 und 35 Promille, das Mittelmeer bis zu 39 Promille, der Persische Golf bis zu 40 Promille und das Rote Meer bis zu 41 Promille Salze. Der Salzgehalt des Atlantiks schwankt im Bereich von 34,5 und 37 Promille. __________________________ [1] J. Krauß, Grundzüge der Maritime Meteorologie und Ozeanographie, Salzwasserverlag, Paderborn, 2011, S. 172






Durch die im Meerwasser gelösten Salze, ist der Gefrierpunkt gegenüber Süßwasser erniedrigt. Die Temperatur des Gefrierpunkts verschiedener Gewässer variiert zwischen 0 Grad Celsius für Süßwasser und -1.9 Grad Celsius für das salzige Schelfwasser der Antarktis. Für die meisten Ozeane mit einem Salzgehalt von 34,5 Promille, beginnt der Gefrier- und Entstehungsprozess von Meereis bei einer Temperatur von -1,86 Grad Celsius. Polare Ozeane sind oft süßer als „durchschnittliches“ Meerwasser, was teilweise durch geringere Verdunstungsraten bedingt ist. Für Salzgehalte von 25 bis 30 Promille, gefriert Wasser bei Temperaturen von -1,35 Grad Celsius bzw. -1,62 Grad Celsius. [1] Diese Salzgehalte sind für das Meerwasser in niedrigen Breiten charakteristisch. Fällt die Wassertemperatur jedoch unter den entsprechenden Gefrierpunkt, beginnt der Kristallisationsprozess von Wasser. Von großer Bedeutung für die Eisbildung auf dem Meer ist der Zusammenhang zwischen Gefrierpunkt und Dichtemaximum bei jeweils verschiedenem Salzgehalt.






Die Löslichkeit von Salzen im Meerwasser ist abhängig von dessen Temperatur und der jeweiligen Ionenkonzentration. Sinkt die Temperatur, gefriert ein Teil des Meerwassers und der Salzgehalt steigt an. Diese Abhängigkeit der Meereiszusammensetzung von der Temperatur kann in einem Phasendiagramm dargestellt werden. Um Meereis und seine Eigenschaften besser zu verstehen, ist ein generelles Verständnis für das Phasendiagramm des Meereises hilfreich. Dort werden die Anzahl und die Zusammensetzungen der verschiedenen Phasen (Eis, Sole und feste Salze), die bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken im Ozean vorliegen, dargestellt. Ohne ein solches Phasendiagramm wäre es nicht möglich, bei bekanntem Salzgehalt und bekannter Temperatur, die unterschiedlichen Phasen und ihr relatives Volumen im Meereisproben zu spezifizieren. Betrachten wir zunächst ein einfacheres Phasendiagramm für Salzwasser, in dem nur Kochsalz enthalten ist, in dem also NaCl in H 2 O gelöst ist.






Besitzt die Lösung eine Salzkonzentration von null Prozent, liegt reines Wasser vor und es gefriert bei 0 Grad Celsius. Mischt man in das reine Wasser bei einer Temperatur von 10 Grad Celsius Kochsalz, so löst sich dieses bis ein Salzgehalt von circa 27 Prozent erreicht ist (Punkt 1 der Abbildung). Was geschieht nun, wenn diese 27-prozentige Salzlösung abgekühlt wird? Langsam scheidet sich aus der Lösung festes Salz aus und bei –21 Grad Celsius (Punkt 2 der Abbildung) gefriert die Lösung. Beim Gefrieren trennen sich die beiden festen Stoffe, man findet vermischt sowohl Eis- und Salzkristalle vor. Ähnliches geschieht, wenn z. B. 10-prozentige Salzlösung (Punkt 3 der Abbildung) von 10 Grad Celsius heruntergekühlt wird. Nach Erreichen der Temperatur von –7°C (Punkt 4 der Abbildung) scheiden aus der Lösung Eiskristalle aus, während das in der Lösung verbliebene Salz aufkonzentriert wird. Erst bei –21 Grad Celsius und einer Salzkonzentration von 23,3 % m/m (Punkt 5 der Abbildung) gefriert das ganze System mit voneinander separierten Eis- und Salzkristallen. Im mittleren Bereich des Diagramms liegt nur eine Phase vor (flüssige homogene Salzlösung), in den anderen drei Bereichen sind es dagegen je zwei Phasen: rechts eine flüssige Salzlösung mit Salzkristallen, links eine flüssige Salzlösung mit Eiskristallen und unten ein fester Stoff aus Eis- und Salzkristallen. Wenn also Eis aus Meerwasser zu gefrieren beginnt, wird der Anteil von Wasser in der Lösung immer geringer und der Gefrierpunkt sinkt immer weiter. Dieser Prozess läuft nur solange weiter, bis die Lösung gesättigt ist mit Salz. Die niedrigste Temperatur für eine flüssige Salzlösung ist -21 Grad Celsius. Bei dieser Temperatur beginnt Salz aus der Lösung (als NaCl * 2 H2O) gemeinsam mit dem Eis zu kristallisieren. Die gefrorene Lösung ist dann eine Mischung aus separaten NaCl * 2 H2O Kristallen und Eiskristallen, also keine homogene Mischung aus Salz und Wasser. Diese Form des Phasendiagramms von Salzwasser beschreibt das sogenannte Eutektikum. Das Phasendiagramm zeichnet sich dadurch aus, dass es für den fest-flüssig-Übergang eine flüssige und zwei verschiedene feste Phasen gibt. Für Meereis, das aus sehr verschiedenen Salzen besteht, sieht ein solches Phasendiagramm natürlich komplizierter aus. Bereits bei einer Temperatur von –2,2 Grad Celsius fällt Kalziumcarbonat aus. Dies setzt sich für abnehmende Temperaturen auch für andere Salze fort. Ausfällungstemperaturen von speziellen Salzen der Lösung sind für Natriumsulfat -8,2 Grad Celsius, für Natriumchlorid -22,9 Grad Celsius, für KCl -36 Grad Celsius und für CaCl -54 Grad Celsius. Ein Phasendiagramm an sich enthält keine direkten Informationen über die konkrete räumliche Anordnung von einzelnen Phasen innerhalb des Systems „Meereis“ also zum Beispiel über die Mikrostruktur des Meereises. Im Falle von natürlichem Meereis, hängt diese von zwei prinzipiellen Faktoren ab: der Umgebung, in der das Eis wächst und den Randbedingungen an der Eis-Wasser-Grenzschicht, sowie der in-situ Temperatur und der chemischen Zusammensetzung der betrachteten Eisschicht. Letztere ist von großer Bedeutung für eine Bandbreite von Meereiseigenschaften, wie z.B. für die physikalischen Unterschiede zwischen Eis, Sole, Salzen und Gaseinschlüssen. __________________________ [1] Quelle geändert nach: C. Clarke, The science of ice cream, RSC Publishing, 2nd edition, 2012, S.29-30






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Abbildung: Abhängigkeit der Aggregatzustände von Wasser (Zustandsdiagramm nicht maßstabsgerecht) und deren Umwandlungsprozesse
Tabelle: Abhängigkeit der Aggregatzustände von Wasser (Zustandsdiagramm nicht maßstabsgerecht) und deren Umwandlungsprozesse [1]
Abbildung: Abhängigkeit des Gefrierpunktes und der Temperatur höchster Dichte. Grün = Temperatur maximaler Dichte, blau = Gefrierpunktserniedrigung
Auf Grund der Wechselwirkungen zwischen den Salzen und den polaren Wassermolekülen wird der Kristallisationsprozess von Wasser auch bei Temperaturen unter null Grad Celsius verhindert. Je salziger das Wasser ist, desto tiefer sinkt der Gefrierpunkt und desto höher ist seine Dichte. Die Gefrierpunktserniedrigung verläuft linear und ist abhängig vom Salzgehalt des Meerwassers (blaue Gerade). Ähnlich dem Gefrierpunkt verändert sich auch die Temperatur maximaler Dichte in Abhängigkeit vom Salzgehalt des Wassers in linearer Weise (grüne Gerade). Doch mit steigendem Salzgehalt sinkt die Temperatur maximaler Dichte viel stärker als die des Gefrierpunkts. Dies führt dazu, dass sich beide Geraden bei einer Temperatur von ca. -1,3 Grad Celsius und einem Salzgehalt von 25 ‰ treffen. Da während des Gefrierprozesses von Meerwasser keine Salze in die Eiskristalle eingebaut werden und der größte Teil der im Meerwasser enthaltenen Salze ausfällt, schwimmt das Meereis aufgrund seiner geringeren Dichte an der Meeresoberfläche. Bei starken Gefrierprozessen wachsen die Eiskristalle schneller nach unten als die Salze absinken können. Daher werden die Salze in Form von Solekanälen und Soletaschen im Meereis eingeschlossen.[2] Dem Meerwasser geht außerdem aufgrund des Salzgehaltes die Besonderheit der Dichteanomalie verloren. Während sich fast alle Flüssigkeiten beim Gefrieren zusammenziehen und sich dadurch ihre Dichte erhöht, dehnt sich Wasser beim Erstarren aus. Bei reinem Wasser liegt das Dichtemaximum bei 4 Grad Celsius, also oberhalb der Gefrierpunktstemperatur, sodass kaltes Wasser mit Temperaturen unter 4 Grad Celsius und geringeren Dichten an der Oberfläche verbleibt. Das schwerere 4 Grad Celsius kalte Wasser sinkt immer zu Boden, wärmeres oder kälteres Wasser (je nach Jahreszeit) schichtet sich darüber. Dies ist der Grund dafür, dass stehende Süßgewässer immer von oben her zufrieren und das Tiefenwasser nie friert. Die fehlende Dichteanomalie in den Ozeanen führt zu einer etwas andersartigen Schichtung der Wassermassen. Das kälteste Wasser ordnet sich in der Wassersäule am unteren Ende ein. Solange der Gefrierpunkt noch nicht erreicht ist, nimmt die Dichte von Meerwasser während des Abkühlungsprozesses kontinuierlich zu und wird damit schwerer. Dies hat eine instabile Schichtung des Meerwassers und damit eine konvektive Durchmischung des Oberflächenwassers zur Folge. Das an der Oberfläche abgekühlte Wasser sinkt in tiefere Regionen ab, während das noch warme Oberflächenwasser aufsteigt – um von der kalten Luft abgekühlt zu werden und schließlich ebenfalls zu sinken. __________________________ [1] S. Marshall, The Cryosphere, Princeton University Press, 2012, S. 105 [2] P. Tardent, Meeresbiologie, 3. unveränderte Auflage, Thieme-Verlag, S. 176- 177
Abbildung: Phasendiagramm der Mischung von Salz (NACL) und Wasser (Ausschnitt) [1]


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