E1 Thermodynamischer Kern

Thema

Das grundlegende thermodynamische Element der gesamten Kryosphäre ist der Phasenübergang zwischen Wasser, Eis und Dampf. Dieser Phasenübergang bestimmt, wie Eis entsteht, wie es nach seiner Entstehung beständig ist und wie es schließlich schmilzt. Eis zeigt innerhalb dieses Phasenübergangs ein anomales Verhalten: Je größer der auf das Eis wirkende Druck ist, desto niedriger ist die Temperatur, bei der es schmilzt. So kann das Eis durch sein Eigengewicht schmelzen, ohne dass sich die Umgebung erwärmen muss. Dieses anomale Verhalten, die sogenannte Regelation, ermöglicht es Eis, unter dem Gewicht des es umgebenden Gletschers zu fließen, und ist grundlegend für das Verständnis, wie ein Gletscher über den darunterliegenden Fels gleitet. Um flüssiges Wasser bei einer Temperatur von null Grad Celsius in Eis umzuwandeln, muss dem flüssigen Wasser für jedes Kilogramm, das gefriert, eine bestimmte Energiemenge entzogen werden – etwa 334 Kilojoule pro Kilogramm. Dieselbe Energiemenge muss dem Eis wieder zugeführt werden, um es wieder zu flüssigem Wasser zu schmelzen. Die Energie, die Eis beim Phasenübergang aufnimmt oder abgibt, dominiert die Energiebilanz an der Schmelzgrenzfläche.

Eis leitet Wärme etwa viermal schneller als flüssiges Wasser und deutlich schneller als Luft. Diese hohe Wärmeleitfähigkeit bestimmt, wie schnell sich Wärme in einer Eis- oder Schneeschicht ausbreitet, unabhängig davon, ob sie von der Oberfläche eindringt oder aus dem Inneren entweicht.

Die Wärmediffusion im Eis, kombiniert mit der Wärme, die das Eis bei jedem Phasenübergang an der Schmelzgrenze aufnimmt oder abgibt, bestimmt die Entwicklung des Temperaturprofils in einem Gletscher oder Permafrost. Sobald sich dieses Temperaturprofil stabilisiert hat und der Gletscher in seiner gesamten Tiefe kalt bleibt, ohne sich von innen zu erwärmen, variiert die Eistemperatur zwischen Oberfläche und Basis des Gletschers direkt und proportional.

Eis ist zudem weniger dicht als das es umgebende flüssige Wasser, mit einer Dichte von etwa neunhundertsiebzehn Kilogramm pro Kubikmeter im Vergleich zu der von Wasser. Diese geringere Dichte des Eises hat entscheidende Konsequenzen: Sie ermöglicht es einem Schelfeis, auf dem Ozean zu schwimmen, anstatt zu sinken, und sie ermöglicht die Bildung von Meereis auf der Meeresoberfläche – jenem Eis, dessen Phasenübergang, latente Wärme, Wärmeleitfähigkeit und Temperaturprofil diese Beschreibung von Anfang an prägten.

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