Wasser ist nicht nur die Grundlage für alles Leben: Es ist auch eine Substanz, die selbst Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler staunen lässt. So ist es die einzige natürlich vorkommende Verbindung, die auf der Erde in allen drei Aggregatszuständen – also gasförmig, flüssig und fest – vorkommt.
Doch nicht nur das: Wasser widerspricht auch dem fast universalen physikalischen Gesetz, wonach sich Materie beim Erwärmen ausdehnt und beim Abkühlen zusammenzieht. Würde dies auf Wasser zutreffen, dann wäre vieles anders: Es gäbe keine Eisberge und auch keine zugefrorenen Seen, weil Eis nicht schwimmen würde. Und viele Seen wären tot, weil sie im Winter komplett durchfrieren würden.
Ordnung braucht Raum
Das ungewöhnliche Verhalten von Wasser bezeichnet man als Dichteanomalie. Aufgrund dieser hat Wasser seine maximale Dichte im flüssigen Zustand bei 4° C. Ein Liter Wasser ist bei dieser Temperatur also schwerer als ein Liter Wasser von 0° C. Und: Eis – also Wasser in fester Form – ist sogar leichter als flüssiges Wasser.
Warum ist das so? Der Grund liegt in der Anordnung der Wassermoleküle im festen Zustand (als Eis). Sie ordnen sich beim Gefrieren zu einer dreidimensionalen Gitterstruktur. Diese Struktur benötigt mehr Raum, als wenn die Wassermoleküle lose nebeneinander liegen, wie dies im flüssigen Zustand der Fall ist.
Und auch in flüssiger Form neigen Wassermoleküle dazu, Strukturen zu bilden. Allerdings keine durchgehende, sondern sogenannte Cluster. Das sind kleine Einheiten in einem Chaos freier Wassermoleküle. Bei 4 °C ist der Zustand erreicht, bei dem die einzelnen Cluster das kleinste Volumen einnehmen, damit die grösste Dichte haben, also am «schwersten» sind. Daher ist auch Wasser bei dieser Temperatur am schwersten.
Ausgeglichene Wassertemperaturen
Die Anomalie des Wassers prägt unsere Natur. Unter anderem sind ihr die eingangs erwähnten Eisberge zu verdanken. Aber noch viel wichtiger: Da Wasser bei 4° C am schwersten ist, beträgt die Wassertemperatur in unseren Seen ab einer gewissen Tiefe konstant 4° C – auch im Winter.
Fische und andere Wasserlebewesen können dadurch auch während Kälteperioden problemlos überleben. Zudem schützt die Eisschicht bei extremer Kälte das Wasserleben zusätzlich, da sie isolierend wirkt. Wäre festes Wasser hingegen schwerer als flüssiges, so würde das sich bildende Eis laufend an den Grund sinken und der See langsam zufrieren.
