Schwimmt Wasser auf Wasser?

Würden alle bei der Frage, ob Wasser auf Wasser schwimmt „nein“ sagen? Festes Wasser (= Eis) schwimmt auf flüssigem Wasser. Fertig – und damit ist der Blogbeitrag zu Ende. 😉 Das war jetzt ein Witz. Wir sehen, dass auch flüssiges Wasser auf flüssigem Wasser schwimmen kann.

Das eine Flüssigkeit auf einer anderen „schwimmt“, lässt sich mit Wasser und Öl zeigen.

Öl schwimmt auf Wasser, Foto: R. Schügner

Außer Eis schwimmen auch andere Feststoffe, wie beispielsweise Holz, auf Wasser, aber andere Feststoffe, wie Steine sinken auf den Boden.

Was schwimmt auf Wasser, was geht unter? Foto: R. Schügner

Ein Würfel Eisen verhält sich in Wasser anders als ein Würfel Aluminium – bei gleicher Kantenlänge. Die letzten Beispiele zeigen, dass sich die verschiedenen Materialien unterschiedlich verhalten: schwimmen oder untergehen.

Wenn im Sommer ein Glas Wasser mit Eis gekühlt wird, ist es der gleiche Stoff: flüssiges und festes Wasser. Der Eiswürfel schwimmt auf dem Wasser. Wenn in flüssiges Wachs ein ein Stück festes Wachs gegeben wird, sinkt es auf den Boden. Folglich verhalten sich Flüssigkeiten und Feststoffe aus dem gleichen Material ebenfalls unterschiedlich.

Was ist „Dichte“?

Es handelt sich um die Stoffeigenschaft „Dichte“ und das Symbol ist ρ (ein kleines griechisches rho). Im Internationalen Einheitensystem (SI-Einheiten) wird die Dichte in kg/m³ angegeben, wobei die Angabe g/cm³ auch verwendet wird. Beim Blick auf die Einheiten wird sichtbar, dass die Masse (Kilogramm kg) und das Volumen (Kubikmeter m³) für diese Materialeigenschaft wichtig sind.

Stoffe, die sich in der Dichte unterscheiden, unterscheiden sich bei gleichem Volumen (beispielsweise Würfel mit 1 cm Kantenlänge) in der Masse. Bei gleicher Masse unterscheiden sich Stoffe mit unterschiedlicher Dichte im Volumen.

Mir fällt dabei folgendes Bild ein: Vergleichen wir ein Kilogramm Federn und ein Kilogramm Eisen. Ich denke, dass direkt einen ganzen Berg Federn und ein Stück Eisen in den Gedanken auftaucht. Um die Dichte zu bestimmen, brauchen wir die Masse in [kg] und das Volumen [m³]. Stoffe mit einer geringeren Dichte haben bei gleicher Masse ein größeres Volumen.

Bei der Frage, was schwerer ist, wird es physikalisch gesehen etwas komplizierter. Um diese Frage zu beantworten, muss auch der Auftrieb der Stoffe in der Luft berücksichtigt werden.

Bei einem Vergleich der Daten der Dichte verschiedener Stoffe muss zusätzlich darauf geachtet werden, dass diese Stoffeigenschaft temperaturabhängig ist. Es sollten immer Werte, die bei der gleichen Temperatur (beispielsweise 20°C [ Grad Celsius]) gemessen wurden, verglichen werden.

Wie schwimmt jetzt Wasser auf Wasser?

Auf dem Foto oben ist zu sehen, dass Sonnenblumen-Öl auf Wasser schwimmt, da es eine geringere Dichte als Wasser hat. Wenn Wasser auf Wasser schwimmen soll, muss die obere „Wasserschicht“ folglich eine geringere Dichte als die untere „Wasserschicht“ haben.

Dichteanomalie des Wassers

Eine Möglichkeit zu erreichen, dass das Wasser unten „dichter“ ist, ist die Dichteanomalie zu nutzen. Die meisten Stoffe haben als Feststoff die größte Dichte. Allerdings schwimmt Eis auf Wasser, so dass der Feststoff Eis eine geringere Dichte aufweist. Das besondere an Wasser ist, das es bei (etwa) 4°C die größte Dichte auf weist (Dichteanomalie). Wasser mit einer Temperatur von 4°C sinkt auf den Boden, während Schichten aus wärmerem (oder kälterem) Wasser oben schwimmen. In der Natur werden diese Wasserbewegungen in Seen bei der Frühjahrs- oder Herbstzirkulation beobachtet. Wie das funktioniert, könnt ihr hier beim Bayerischen Landesamt für Umwelt nachlesen.

Eine weitere Möglichkeit um Wasserschichten mit unterschiedlicher Dichte zu erhalten, ist die Verwendung von Wasser mit unterschiedlicher Salzkonzentration. Salzwasser ist dichter als Süßwasser (oder Trinkwasser), das nur geringe Salzmengen enthält.

Ich habe zwei Versuche zum Vergleich. Wir brauchen blaues (mit Tinte gefärbtes) Eis (Trinkwasser) und geben es einmal in Trinkwasser und einmal in Salzwasser (2 Teelöffel Kochsalz werden zugegeben). Bei beiden Versuchen wird die Temperatur am Boden mit einem Thermometer gemessen.

Versuch 1: Blaues Eis in Trinkwasser

Die blauen Eiswürfel schwimmen oben im Wasser, Foto: R. Schügner

Die Eiswürfel schmelzen. Es bilden sich blaue „Fäden“, das Wasser kühlt am Boden ab. Foto: R. Schügner

Wie auf dem Foto zu sehen ist, verteilt sich die blaue Farbe im Wasser. Ein genauer Blick zeigt, dass sich blaue „Fäden“ bilden. Die Farbe „fällt“ langsam von oben nach unten. Das Thermometer zeigt, dass das Wasser am Boden abkühlt. Das zeigt, das kaltes Wasser eine höhere Dichte hat als warmes Wasser und deshalb absinkt. Ein Effekt, der in der Natur bei der Frühjahrs- und Herbstzirkulation in Seen wichtig ist.

Versuch 2: Blaues Eis in Salzwasser

In das Wasser werden 2 Teelöffel Kochsalz gelöst. Foto: R. Schügner

Die blauen Trinkwasser-Eiswürfel werden ins Glas gegeben. Foto: R. Schügner

Das Eis schmilzt Es bilden sich 2 Schichten. Die Temperatur am Boden sinkt nur wenig. Foto: R. Schügner

Beide Schichten (blau und klar) sind auch nach komplettem Schmelzen des Eises erkennbar. Foto: R. Schügner

Auf den Fotos ist zu sehen, dass der untere Bereich mit dem Salzwasser klar bleibt. Das blaugefärbte Wasser sammelt sich in der oberen Schicht. Das Salzwasser kühlt sich langsamer und nur wenig ab. Die Trennung der Schichten (letztes Foto) bleibt über längere Zeit erhalten. Bei diesem Versuch ist zu sehen, dass keine Zirkulation stattfindet.

Findet sich diese Zirkulation nur im See?

In unseren Seen findet die Zirkulation von Süßwasser aufgrund der Dichteanomalie (Wasser hat bei +4°C die größte Dichte) statt. Es gibt auch die Zirkulation von Salzwasser. Es handelt sich um große Zirkulationsbewegungen in unseren Ozeanen, die auch „globales Förderband“ genannt werden. Dieser (umgangssprachliche) Begriff weist auf die Größe dieser Bewegungen hin, die vier der fünf Ozeane miteinander verbinden. In der fachlichen Bezeichnung „thermohaline Zirkulation“ stecken – aus dem griechischen stammend – die Begriffe „Wärme“ und „Salz“ (thermo-halin). Das ist der Hinweis, dass diese Zirkulationsbewegungen durch Temperatur- und Konzentrationsunterschiede (Salzkonzentration) des Meerwassers hervorgerufen werden.

Falls sich die Dichte des Meerwassers durch Temperaturänderungen oder Änderungen in der Salzkonzentration ändert, können diese Zirkulationsbewegungen gestört werden oder ganz zum Erliegen kommen. Eine Abnahme der Salzkonzentration in Meerwasser könnte durch das Abschmelzen von Gletschern oder von Festlandeis (Süßwasser) erfolgen.

Zusammengefasst:

Der Eis-Salzwasser-Versuch hat gezeigt, dass Wasser mit einer geringeren Dichte „oben“ liegen bleibt. Folglich schwimmt Wasser auf Wasser. 😀

Im ersten Versuch war sichtbar, dass kaltes Wasser (blaue Fäden) durch den Dichteunterschied nach unten sinkt. Im zweiten Versuch wurde der Dichteunterschied durch die Zugabe von Salz erreicht. Das Salzwasser blieb „unten“ und das kalte Trinkwasser oben. Durch die blaue Farbe waren beide Schichten gut erkennbar.