Dichteanomalie des Wassers

Blick von unten gegen die Eisdecke eines zugefrorenen Sees; darunter klares, nach unten dunkler werdendes Wasser.
Illustration, mit Google Gemini erzeugt.

Die Dichteanomalie des Wassers ist die Eigenschaft, dass Süßwasser seine größte Dichte nicht am Gefrierpunkt erreicht, sondern bei etwa vier Grad Celsius. Für Taucher ist das keine Schulphysik: Sie erklärt, warum ein See im Winter von oben zufriert, warum am Grund vier Grad stehen und warum sich im Sommer eine Sprungschicht hält.

Was daran anomal ist

Stoffe werden beim Abkühlen dichter. Wasser tut das auch — aber nur bis vier Grad Celsius. Darunter wird es wieder leichter, und beim Übergang zu Eis springt die Dichte noch einmal deutlich nach unten. Die World Ocean Review begründet das mit der Anordnung der Moleküle: Bei vier Grad lagern sie sich am dichtesten zusammen, im Eiskristall liegen sie weiter auseinander — „Eis ist also leichter und schwimmt oben“.

Wie klein der Effekt in Zahlen ist, zeigt die Dichtetabelle bei König und Lipp: reines Süßwasser 1,00000 kg/l bei 4 °C, 0,99910 kg/l bei 15 °C und 0,99705 kg/l bei 25 °C. Zwischen vier und fünfundzwanzig Grad liegen also weniger als drei Promille Dichteunterschied, während Meerwasser mit etwa 1,03 kg/l rund drei Prozent über Süßwasser liegt. Für die Bleimenge ist der Salzgehalt damit die große, die Temperatur die kleine Größe — siehe Prinzip des Archimedes und Auftrieb.

Was im See daraus folgt

Die große Wirkung hat die Anomalie nicht am Taucher, sondern am Gewässer. Ein Faktenblatt der Technischen Universität Dresden zur Schichtung von Talsperren beschreibt den Jahresgang:

  • Frühjahr: Die Eisdecke bricht auf, das Wasser vermischt sich über die ganze Tiefe, und dabei gelangt Sauerstoff ins Tiefenwasser. Danach erwärmt sich der See von oben.
  • Sommer: Erwärmt die Sonne die Oberfläche und fehlt kräftiger Wind, mischen sich warme und kalte Schichten in einem tiefen See nicht mehr vollständig. Es entstehen eine warme Deckschicht (Epilimnion) und eine kalte Tiefenschicht (Hypolimnion), dazwischen die Sprungschicht mit abruptem Temperaturabfall. Im Sommerverlauf wird sie stärker.
  • Herbst: Mit kühlerem, windigerem Wetter vermischt sich das Oberflächenwasser wieder mit Sprungschicht und Tiefenwasser.
  • Winter: Wasser unter vier Grad kann auf wärmerem Wasser schwimmen. Bei starker Kälte bildet sich eine Eisdecke. Weil das obere Wasser kühler ist als das untere, spricht das Faktenblatt von inverser Schichtung.

Genau das ist der Grund, warum Seen und Talsperren von oben zufrieren und nicht vom Grund her — und warum ein Eistauchgang unter der Decke in Wasser knapp über null Grad beginnt und sich in der Tiefe aufwärmt.

Im Meer gilt die Regel nicht

Salz verschiebt das Dichtemaximum. Die World Ocean Review nennt für Meerwasser mit durchschnittlich 34,7 Promille Salzgehalt eine Verschiebung „von plus 4 Grad beim Süßwasser auf minus 3,8 Grad“ — und einen Gefrierpunkt von minus 1,9 Grad. Das Dichtemaximum liegt damit unter dem Gefrierpunkt: Meerwasser wird beim Abkühlen bis zum Gefrieren immer dichter und sinkt ab. Eine Vier-Grad-Schicht am Grund wie im Baggersee gibt es dort nicht.

Für den Taucher heißt das: Die Faustregel „unten sind vier Grad“ gehört in den Süßwassersee, nicht ins Meer. Welche Temperatur in welcher Tiefe steht, entscheidet im Meer die Herkunft des Wassers und nicht die Anomalie.

Was davon unter Wasser zu sehen ist

Die Schichtgrenze selbst. PADI beschreibt die Thermokline als eine Art unsichtbaren Vorhang, hinter dem es spürbar kälter wird; im See erscheine sie als schimmernde oder leicht verzerrte Schicht, im Meer häufig als dunstiges Band. Thermoklinen kommen nach derselben Darstellung in Seen vor, die tiefer als etwa zehn Meter sind, und können im Winter ganz verschwinden. Unterhalb sinkt im See oft die Sichtweite, und Auftrieb wie Luftverbrauch ändern sich, weil der Körper in kälterem Wasser mehr arbeitet.

Dass sich Wasser praktisch nicht zusammendrücken lässt, bleibt davon unberührt — dazu siehe Kompressibilität und zum Druckaufbau hydrostatischer Druck.

Aus der Ausbildung

Als Tauchlehrer benutze ich die Anomalie im Kurs für eine einzige, sehr praktische Ansage: Der Kälteschutz richtet sich nach der Tiefenschicht, nicht nach der Oberfläche. Im Juli hat ein Baggersee oben vierundzwanzig Grad und unter der Sprungschicht sechs — wer sich am Steg nach dem Thermometer anzieht, friert in zwanzig Metern. Umgekehrt im Februar: Unter der Eisdecke ist es am kältesten, am Grund am wärmsten. Das ist die einzige Jahreszeit, in der Abtauchen Wärme bringt.

Quellen

Zur Quellenlage: Die physikalischen Werte stammen aus einer wissenschaftlichen Publikationsreihe und einem Hochschullehrbuch, der Jahresgang aus einem Faktenblatt zu Talsperren; dieses Faktenblatt verwendet die limnologischen Begriffe Metalimnion, Sommer- und Winterstagnation nicht, weshalb sie hier nicht benutzt sind. Einen Salzgehalt, ab dem das Dichtemaximum unter den Gefrierpunkt fällt, nennt keine der Quellen — belegt ist nur der Wert für durchschnittliches Meerwasser. Die Prozentangaben zum Vergleich von Temperatur- und Salzwirkung sind aus den genannten Dichtewerten abgelesen; eine Quelle, die diesen Vergleich selbst zieht, liegt nicht vor. Der PADI-Beitrag ist eine Verbandsveröffentlichung ohne Messwerte.

Warum sind am Grund eines Sees im Winter vier Grad und nicht null?
Weil Wasser bei etwa vier Grad am dichtesten ist. Kühlt die Oberfläche weiter ab, wird dieses Wasser leichter und bleibt oben — das Faktenblatt der TU Dresden nennt das inverse Schichtung. Das schwerste Wasser hat sich schon vorher am Grund gesammelt und bleibt dort liegen. Deshalb frieren Seen von oben zu, und deshalb ist der Grund im Winter der wärmste Ort im See.
Gilt die Vier-Grad-Regel auch im Meer?
Nein. Salz verschiebt das Dichtemaximum: Nach der World Ocean Review liegt es bei durchschnittlichem Meerwasser mit 34,7 Promille Salz bei minus 3,8 Grad, der Gefrierpunkt aber bei minus 1,9 Grad. Das Maximum ist also nicht erreichbar — Meerwasser wird beim Abkühlen bis zum Gefrieren immer dichter und sinkt. Eine Vier-Grad-Schicht am Grund ist ein Süßwasserphänomen.
Muss ich wegen der Wassertemperatur anders bleien?
Kaum. Nach den Dichtewerten bei König und Lipp unterscheiden sich Süßwasser von 4 °C und von 25 °C um weniger als drei Promille, während zwischen Süß- und Salzwasser rund drei Prozent liegen. Der Wechsel vom See ans Meer verlangt eine Bleikorrektur, der Wechsel von Sommer auf Winter nicht — wohl aber der dickere Anzug, der dann getragen wird.
Über Tauchbuddy 8 Artikel
Der Tauchbuddy erzählt in der Reihe „Mein erster …“, wie sich die ersten Nacht-, Wrack- und Trockentauchgänge anfühlen, und stellt die Fragen, die man sich als Taucher im ersten Jahr stellt.