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Auf dieser Seite stelle ich Dir die vier Experimente etwas ausführlicher und zum zuhause nachmachen vor. Für einen Blick hinter die Kulissen des Fotoshoots mit David Carreno Hansen klick gerne hier.

Süßwasser- und Salzwassereis

Dies ist so ziemlich das einfachste Experiment, das man sich vorstellen kann: Man braucht nur Leitungswasser, ein bisschen normales Speisesalz, ein bisschen flüssige Farbe (zum Beispiel Lebensmittelfarbe oder Tusche, zur Not geht auch Rotwein), ein Eiswürfeltablett (oder sonst irgendetwas, in dem man Eiswürfel einfrieren möchte) und ein Gefrierfach.

In ein Glas mit Leitungswasser mischt Du mindestens 2 TL Wasser (das entspricht dann etwa dem typischen Salzgehalt von Meerwasser). Nimm gerne mehr Salz, dann wird der Effekt später deutlicher sichtbar. Wenn das Salz vollständig aufgelöst ist (das Wasser ggf erwärmen, wenn Du keine Lust hast, zu lange zu rühren), kannst Du das Salzwasser in ein Behältnis (oder einige der Eiswürfel-Formen) füllen und das andere Behältnis oder die restlichen Formen mit Leitungswasser auffüllen. Dann das Ganze ins Gefrierfach stellen und morgen weiter machen!

Wenn das Eis vollständig gefroren ist (je nach Salzgehalt, Größe des Wasservolumens und Temperatur des Gefrierfaches vermutlich am nächsten Tag), kann das Experiment beginnen. Dafür löst Du die Eiswürfel aus den Formen und legst sie, am besten über Kopf, auf eine Unterlage. Dann tropfst Du Farbe auf die Eiswürfel.

Schon ohne Farbe konntest Du erkennen, dass die Strukturen des Eises sehr unterschiedlich aussahen, aber Farbe macht es noch deutlicher: Vom Eiswürfel ohne Salz perlt die Farbe einfach ab. Der Salzwassereiswürfel hingegen sieht schwammig aus und verhält sich auch so: Die Farbe wird in die Poren hineingesogen.

Was ist da los?

Wenn reines Wasser friert, ordnen sich die Moleküle in einer gleichmäßigen Kristallstruktur an — dem Eis. Wenn Wasser ganz besonders langsam und ungestört friert, sieht das Eis beinahe aus wie Glas. Das sehen wir beim Süßwassereiswürfel.

Wenn Wasser aber gelöste Stoffe enthält, in unserem Fall, wie im Meer, Salz, dann verhindert das Salz die Ausbildung von ganz gleichmäßigen Strukturen. An vielen Stellen frieren die Wassermoleküle trotzdem gleichmäßig zusammen, aber das Salz muss ja irgendwo hin. Es wird also von den sich bildenden Kristallstrukturen immer weiter in das noch flüssige Wasser gedrängt, das somit immer salziger wird. Das zunehmend salzige Wasser sammelt sich in den Poren. Wenn die noch Ausgänge nach unten oder zu den Seiten haben, wird das salzige Wasser dort hinausgedrängt. Das sind die Poren, die offen bleiben und in die später unsere Farbe eindringen kann. Wenn die Poren aber an allen Enden zugefroren sind, enthalten sie im Inneren als Störstellen das sehr salzige Wasser. Das ist das, was den Eiswürfel an sich milchig wirken lässt.

So sieht das Experiment dann zum Beispiel aus. Erkennst Du, welcher Eiswürfel welcher ist?

Mehr zu Eisbildung kannst Du übrigens hier in einem Artikel nachlesen, den ich für das Journal “Frontiers for Young Minds” geschrieben habe.

Umwälzzirkulation des Ozeans

Dieses Experiment stellt auf einfachste Weise die globalen Strömungen im Ozean dar: Vom Wasser, das in den hohen Breiten absinkt, sich nahe des Meeresbodens ausbreitet, dann durch Vermischungsprozesse wieder an die Oberfläche gebracht wird und dann zurück in die hohen Breiten strömt, so der Kreislauf von vorne beginnt.

Im Ozean spielen viele Faktoren eine Rolle: Zum Beispiel Winde, die die Strömungen an der Oberfläche antreiben. Unterschiedliche Salzgehalte die in Regionen entstehen, in denen mehr verdunstet als es nachregnet, oder andersrum, oder in denen Meereis gebildet wird und damit Salzwasser in das relativ unsalzige Eis und viel salzigeres Meerwasser, das absinkt, getrennt wird (siehe Versuch oben). Temperaturunterschiede zwischen den Polargebieten und den Tropen.

Dieser letzte Faktor, der Temperaturunterschied zwischen den Polargebieten und den Tropen, wird in diesem Experiment isoliert dargestellt.

Wir benötigen dafür ein Glas- (oder klares Plastik-) Gefäß, ein gefrorenes Kühlpack für Sportverletzungen (oder einen Beutel Eis), und flüssige Farbe, zum Beispiel Lebensmittelfarbe oder Tusche, in rot und blau.

Das Gefäß füllen wir mit lauwarmem Wasser. An die eine Seite hängen wir unsere Kühlung: Das repräsentiert die “Kühlung”, den Wärmeverlust des Ozeans an die Atmosphäre, in den hohen Breiten. In dem Moment, in dem wir die Kühlung einbringen, fängt unser Experiment an, abzulaufen. Momentan sehen wir aber noch nichts. Deshalb brauchen wir die flüssige Farbe.

Bei Farben ist die Assoziation rot=heiß und blau=kalt ja sehr stark ausgeprägt, also nehmen wir blaue Farbe, um Wasser, das in den hohen Breiten abgekühlt wird, zu markieren. Wir tropfen blaue Farbe auf das Kühlpack direkt oberhalb der Wasseroberfläche, so dass die Farbe am Kühlpack ins Wasser herunter läuft. Im Wasser verhält sie sich genau so, wie das kalte Wasser, nur dass wir es anhand der Farbe besser beobachten können: Sie sinkt ab zum Grund des Gefäßes. Das liegt daran, das Wasser, das sich im Kontakt mit der Kühlung befindet, abgekühlt und damit dichter wird. Wenn das kalte Wasser den Boden erreicht hat, breitet es sich am Boden entlang aus und fließt (notgedrungen, denn in alle anderen Richtungen sind ja Gefäßwände) in Richtung “Äquator”.

An der Äquator-Seite des Gefäßes passieren gleichzeitig auch interessante Dinge, die erst durch Farbe sichtbar werden. Durch das Absinken des Wassers an der Kühlung entsteht dort ein Sog, der an der Wasseroberfläche Wasser von der Äquator-Seite rüber zur Pol-Seite Wasser nachzieht. Das können wir ebenfalls durch Farbe sichtbar machen. Aber Vorsicht! Die Farbe hat eine höhere Dichte als das lauwarme Wasser, wir müssen sie also, je nach Farbe, vermutlich sowohl verdünnen als auch erhitzen, damit wir die Oberflächenströmung sichtbar machen können. Dann tropfen wir die rote Farbe ans Äquator-Ende des Gefäßes. Dadurch wird der oberflächennahe Nachstrom sichtbar.

Hier ist ein Zeitraffer-Video des Experiments zur Einstimmung, und dann viel Spaß beim eigenen Experimentieren! :-)

Mehr zu Ozeanströmungen kannst Du übrigens hier in einem Artikel nachlesen, den ich für das Journal “Frontiers for Young Minds” geschrieben habe.

Salzfinger

Dies ist mein Lieblingsexperiment! Zu Salzfingern hab ich vor 15 Jahren meine Diplomarbeit geschrieben und ich finde sie immer noch unglaublich faszinierend.

Was die Durchführung angeht, ist der Versuch etwas trickreich. Es gibt mehrere Möglichkeiten, die benötigte Schichtung herzustellen: Warmes, salziges Wasser, das stabil auf kälterem, nicht-salzigem Wasser liegt.

Für Doppeldiffusion ist wichtig, dass es zwei Dinge gibt, die unterschiedlich schnell diffundieren, also sich auf molekularer Ebene vermischen. Diffusion von Wärme ist sehr schnell: Moleküle bewegen sich je nach Temperatur unterschiedlich stark. Wenn schnellere Moleküle gegen langsamere stoßen, übertragen sie einen Teil ihrer Energie — schon ist Wärme diffundiert. Bei der Diffusion von Salz hingegen müssen Moleküle ihre Positionen tauschen: Aus den Regionen mit mehr Salz muss sich das Salz durch Wassermoleküle hindurch in die Regionen mit weniger Salz bewegen. Dieser Prozess dauert etwa 100 Mal so lang wie die Diffusion von Wärme.

Am einfachsten durchzuführen ist dieser Versuch, wenn man “salzig” etwas freier interpretiert. Letztendlich brauchen wir nur etwas, das in Wasser gelöst ist und die Dichte beeinflusst — und das im besten Fall die salzige Wassermasse auch noch sichtbar macht. Lebensmittelfarbe!

Wir können also einfach ein Gefäß mit kaltem Wasser nehmen, verdünnte Lebensmittelfarbe erhitzen und dann auf das kalte Wasser tropfen (genau so, wie wir es im Umwälz-Experiment oben getan haben). Das warme, gefärbte Wasser breitet sich dann zunächst auf dem kalten, klaren Wasser aus. An der Grenzschicht findet der schnelle Austausch von Wärme statt, die Temperaturen gleichen sich an. Wenn die Temperaturen ober- und unterhalb der Grenzschicht gleich sind, haben wir eine neue Situation: Das Wasser oberhalb der Grenzschicht enthält ja noch Lebensmittelfarbe, die es schwerer macht als das gleichwarme ungefärbte Wasser unten. Die Schichtung ist also instabil geworden.

Was dann passiert, ist die eigentliche doppeldiffusive Vermischung: Das gefärbte Wasser beginnt, in sogenannten Salzfingern nach unten zu sinken. Dabei transportiert es die Farbe (das “Salz”) mit nach unten und trägt so zu einer sehr effektiven Vermischung bei. Denn durch die durch die Salzfinger plötzlich viel größere Grenzfläche zwischen den beiden Wassermassen kann jetzt die molekulare Diffusion des Salzes viel mehr bewirken.

Salzfinger haben wir schon im Film des Experiments oben gesehen, aber hier unten noch mal sehr schön deutlich.

Wirbel

Das “Eddy in a jar”-Experiment ist eines, das vorallem cool aussieht, wenn auch nur für eine sehr kurze Zeit. Aber dafür ist es einfach durchzuführen: In einem zylindrischen Gefäß rühren, dann Farbe von der Mitte radial nach außen tropfen, freuen! So sieht es dann von der Seite aus:

Und hier ist ein Film, der das Experiment sowohl von oben als auch von der Seite zeigt. Viel Spaß!

Und wie geht’s jetzt weiter?

Lust auf noch mehr Experimente? Oder vielleicht sogar Lust, mit mir gemeinsam zu experimentieren im Rahmen eines Projekttages in der Schule, eines Workshops mit Studierenden, als Keynote bei Ihrem Kongress?

Mehr Anleitungen für Experimente finden!

Die hier vorgestellten Experimente kommen alle aus meinem Küchenozeanographie-Adventskalender (zur deutschen Variante unter die Englische runterscrollen!).

Normalerweise blogge ich auf Englisch, unter https://mirjamglessmer.com/blog erscheinen regelmäßig neue Experimente.

Mit Mirjam zusammenarbeiten!

Ich bin ja für fast alle wilden Ideen zu haben, vorallem wenn sie mit Wasser zu tun haben. Wenn Du mit mir zusammen Workshops durchführen möchtest, mich als Rednerin engagieren, mich beauftragen, für Dich Experimente zu entwickeln, oder Du sonst irgendeine spannende Idee hast, schreib mir doch einfach eine Nachricht!