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Anomalien des Wassers

 

 

 

Wasser ist in gleicher Weise allgegenwärtig wie unscheinbar, so wandlungsfähig wie vielseitig nutzbar. Es ist farblos, ohne Geschmack und Geruch, fällt vom Himmel und fließt aus dem Hahn, entsteht als H2O im Verhältnis 2:1 aus Wasserstoff und Sauerstoff, dem häufigsten und dem dritthäufigsten Element des Universums. Damit ist Wasser auch eines der kleinsten und leichtesten Moleküle.

Für die Wissenschaft bedeutet Wasser dennoch eine Herausforderung. Mit jeder beantworteten Frage entstehen einige neue. So meint der britische Wasserforscher Felix Franks: "Von allen bekannten Flüssigkeiten ist Wasser wahrscheinlich die, die am meisten untersucht und am wenigsten verstanden wird.“ Alfons Geiger, ein deutscher Forscher der Wasser mit der Methode der Molekurladynamik-Simulation untersuchte, konstatiert: "Wasser zeigt eine ungeheure Vielfalt von Effekten, die es bei keiner anderen Flüssigkeit gibt". Und: "Jede Wassereigenschaft, die man neu entdeckt, wird schon längst von biologischen Systemen und allgemein von der Natur ausgenutzt."

Die bekanntesten dieser Effekte, die bereits umfangreich untersucht und in ihrer Ursache geklärt wurden, sind mit dem Begriff "Anomalie des Wassers" belegt. Was irreführend ist, denn tatsächlich handelt es sich um ein ganzes Bündel von Eigenschaften, mit denen sich Wasser grundlegend von anderen Elementen unterscheidet. Richtig ist also, im Plural von den "Anomalien des Wassers" zu sprechen sofern man das Phänomen als Ganzes beschreiben will. Dabei ist der Begriff der Anomalie im Zusammenhang mit Wasser allerdings nicht hinreichend definiert.

Wie weit müssen sich die Eigenschaft von Wasser in einem bestimmten Aspekt von den Theoremen und Vorhersagen der Wissenschaft bzw. von vergleichbaren Flüssigkeiten unterscheiden, damit von einer "Anomalie" zu sprechen ist? Welche seiner Eigenschaften sind vielleicht einfach "unerwartet" oder "bizarr"? Angesichts ständig neuer wissenschaftlicher Ergebnisse einerseits und des schwammigen Begriffes der Anomalie andererseits erstaunt es nicht, dass über deren Zahl Uneinigkeit herrscht. Einige sprechen von rund 40 Anomalien, andere nehmen bis zu 70 und mehr an.

Die Anomalien der Dichte von Wasser, seines Schmelzpunktes und Volumens, seiner Aggregatszustände und spezifischen Wärmekapazität sind allesamt Voraussetzungen, dass Leben in der uns bekannten Form überhaupt möglich wird. Sie sind deshalb in den verschiedensten Wissenschaftsdisziplinen Gemeingut und werden in verständlicher Form in die Öffentlichkeit getragen.

 

Bekannteste Anomalien des Wassers im Kurzüberblick:

 

Die Dichteanomalie:

Die meisten Stoffe verringern bei der Erhöhung der Temperatur ihre Dichte. Wasser hat hingegen bei 4 °C seine größte Dichte und damit sein kleinstes Volumen, darunter dehnt es sich aber wieder aus. Wird es im Herbst kalt, sinkt das an der Oberfläche abgekühlte Wasser nach unten und das auf 0 °C abgekühlte Wasser erstarrt an der Oberfläche zu Eis. Während Wasser von 0 °C eine Dichte von etwa 1 g/cm3 hat, beträgt die Dichte von Eis bei 0 °C etwa 0,92 g/cm3. Deshalb schwimmt Eis auf Wasser. Das Verhältnis der Dichten von Eis und Wasser ist auch der Grund dafür, dass sich bei einem Eisberg etwa 9/10 unter Wasser und nur etwa 1/10 über Wasser befindet.

Auch in der Natur spielt die Dichteanomalie des Wassers wegen der Frost(sprengungs)verwitterung eine zentrale Rollen. Durch das Auftauen und Wiedergefrieren von Wasser in Hohlräumen des Gesteins wird dessen Zerfall stark beschleunigt. Es kommt zu einer Volumenzunahme von bis zu 9%. In Gebieten mit tageszeitlichem Frostwechsel, beispielsweise in den subpolaren Gebieten der Erde und in den Hochgebirgen, ist diese Verwitterungsform für die Gestaltung des Reliefs besonders bedeutsam und spielt eine ähnlich große Rolle wie fließendes Wasser bei der Erosion.

 

Die Wärmeanomalien:

Wasser hat durch seine Wasserstoffbrückenbindungen ein ungewöhnliches Verhalten seiner Phasenübergänge. Sein Siedepunkt liegt deutlich höher als bei vergleichbaren chemischen Verbindungen wie Schwefelwasserstoff mit einem Siedepunkt von -61°C oder Selenwasserstoff mit -41°C.

Der Schmelzpunkt von Eis liegt andererseits bei ca. 0 °C obwohl in die molaren Masse ihn bei ca. -100°C vermuten ließe. Nur durch diese Anomalien machen die uns bekannten physiologischen Abläufe von Lebensprozessen möglich. Würden Siede- und Schmelzpunkt keine Anomalie aufweisen so gäbe es auf der Erde praktisch kaum Wasser in flüssigem Zustand.

Häufig beobachtet aber wissenschaftlich noch nicht abschließend geklärt ist der sog. "Mpemba Effekt". Danach gefriert warmes Wasser schneller als kaltes.

Nicht zuletzt ist die besonders hohe Verdampfungswärme von Wasser, seine spezifische Wärmekapazität viel größer als bei anderen Stoffen. Das spielt nicht nur bei der Temperaturregulation des Körpers eine Rolle, wenn er sich Schwitzen vor Überhitzung schützt. Viele Abläufe auf unserem Planeten werden durch diese Wärmekapazität gesteuert: Große Meeresströmungen etwa beeinflussen das Klima indem sie warmes Wasser und damit Wärme transportieren - der Golfstrom etwa aus Mittelamerika quer über den Atlantik bis zu den Küsten Irlands, Englands, Schottlands, Norwegens und Russlands.

 

Die Druckanomalie:

Während andere Flüssigkeiten unter hohem Druck in die kristalline Form übergehen, wird Wasser fluider. Unter dem Druck der Schlittschuhkufen schmilzt das Eis, und wir können auf dem entstandenen Flüssigkeitsfilm dahingleiten. Oder man kann ein Gewicht unter hohem Druck durch einen Eisblock bewegen wobei dieser seine Form behält. Nimmt der Druck wieder ab fällt das Wasser in seine festkristalline Form zurück. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Regelation. Anders als einfache Flüssigkeiten weist Wasser damit eine negative Steigung der Schmelzlinie im Phasendiagramm auf

 

Besondere Formen von Eis:

Wasser hat eine außerordentlich vielgestaltige Form von Eis als festem Aggregatszustand. Jeder kennt es, aber trotzdem ist Eis nicht gleich Eis. Eis und Schnee sind die einfachste Form, genanntes Eis I. Weitere Eisphasen bzw. Kristallformen entstehen durch unterschiedliche Druck- und Temperatureinflüsse. Sie haben unterschiedliche Eigenschaften, wie etwa unterschiedliche Schmelzpunkte. Aktuell sind etwa 17 kristalline und 5 amorphe Modifikationen bekannt. Eiswolken im interstellaren Raum haben mit -260°C eine amorphe Struktur.

 

Optische Anomalien:

Wasser hat einen besonderen Brechungsbereich, wodurch ein Teil des einfallenden Lichtes reflektiert und der andere Teil gebrochen wird. Die Brechung wird noch durch die temperaturabhängige Dichteeigenschaft beeinflusst. Die Brechung sorgt dafür, dass Wasser mit einer bläulichen Färbung wahrgenommen wird, da es das langwellige Licht absorbiert und nur einen kleinen Bereich des blauen Lichtspektrums reflektiert. Gelöste Mineralien und kleinste Verunreinigungen können die Brechung des Lichtspektrums ebenfalls beeinflussen. Karstwasser mit viel gelöstem Kalzium und Magnesium kann beispielsweise zu einem türkis- oder petrolfarbenem Schimmer führen.

 

Wasser als Lösungsmittel:

Aufgrund seiner Polarität und Fähigkeit, Wasserstoffbrücken zu bilden ist Wasser ein ausgezeichnetes und vielseitiges Lösungsmittel. Es löst sehr viele Arten von Ionen und polaren Molekülen in Feststoffen, Gasen und Flüssigkeiten. Die meisten der chemischen Reaktionen lebenswichtiger Prozesse laufen in der wässrigen Umgebung im Zellinneren ab. Die Fähigkeit von Wasser, eine große Bandbreite an Molekülen zu lösen, ist somit einer der Schlüssel für Leben.

Unpolare Moleküle andererseits wie beispielsweise Öle werden von Wasser hingegen nicht gelöst.

Eine umfangreiche und fundierte Darstellung zu diesen bekanntesten Anomalien des Wassers und ihrem Zusammenhang mit der besondere Dipol-Eigenschaft des Wassers geben die Wasserforscher Ralf Ludwig und Dietmar Paschek.

 

Erforschung der Anomalien des Wassers

Durch die Vielzahl seiner Anomalien ist Wasser ein zwar überaus spannendes, für die Wissenschaft, die gerne mit stimmigen Theorien und Modellen arbeitet zugleich aber auch ein sprödes Thema. Als einer von wenigen hat sich der britische Forscher Martin F. Chaplin die Mühe gemacht, eine große Zahl der Anomalien von Wasser "zusammenzutragen". Er resümiert: "Wasser ist der am besten erforschte Stoff auf der Erde, daher ist die Erkenntnis, dass wir sein Verhalten und sein Funktionieren so schlecht verstehen (oder gar ignorieren) umso ungewöhnlicher. Das gilt nicht nur für die allgemeine Bevölkerung, sondern auch für die Wissenschaftler, die es täglich erforschen… Es wurden zahlreiche Erklärungen für das komplexe Verhalten fließenden Wassers veröffentlicht … Nicht wenige von ihnen sind ziemlich kontrovers."

 

Während Grundlagenforscher der Physikalischen Chemie und anderer Disziplinen über die Ursachen diskutieren, wenn neue Abweichungen im Verhalten von Wasser entdeckt werden sucht die angewandte Forschung nach technischen Anwendungsmöglichkeiten die sich wirtschaftlich verwerten lassen. Im Sommer 2010 etwa berichteten Noah Kastelowitz und Valeria Molinero von der University of Utah über eine neue Daseinsform des Wassers im Kontakt mit einer wasserabweisenden Oberfläche aus Grafit. Dabei liegen Moleküle in flüssiger Form zwischen Lagen von Eiswasser, das nicht entweder flüssig oder fest ist, sondern beides. Diese Variante schmilzt komplett erst bei 37°C wird im "Journal of Chemical Physics" berichtet. Was ist aus diesen und anderen neuen Erkenntnissen geworden?

Die Diskussionen um neu entdeckte Anomalien des Wassers spielen sich in engen wissenschaftlichen Zirkeln ab. Informationen dringen nur spärlich nach außen und bleiben Zufallsfunde. Den Wissenschaftlern fehlen häufig die Fähigkeit und der Wille, ihre Arbeit und Erkenntnisse in verständlichen Worten zu kommunizieren, dem Laien fehlen die Grundlagen um sie ohne Vermittlung des Wissenschaftsjournalismus zu verstehen. Allerdings ist das Interesse der Öffentlichkeit an solchen immer spezielleren Eigenschaften von Wasser wie sie die Wissenschaft aufdeckt eher verhalten.

Anders stellt sich die Sache dar, wenn man bei praktischen Alltagsproblemen rund ums Wasser nach Erklärungen und Lösungen sucht. Dabei stößt man auf erstaunliche Defizite. So etwa scheint eine besondere Art der Steinbildung praktisch unbekannt zu sein, die sich in den letzten Jahren an Trinkwasserleitungen häuft. Sie tritt spontan und typischerweise an einzelnen Steigleitungen größerer Immobilien auf. Von der "normalen" Steinbildung unterscheidet sie sich durch ihre extrem schnell wachsenden, auffallend nadelig-spitzen Kalkkristalle die sich vereinzelt selbst in Kaltwasserleitungen bilden. Warmwasserleitungen kann diese besondere Form der Steinbildung binnen kürzester Zeit völlig verschließen.

 

 

   

Der äußere, etwa 1,5mm starke Kalkbesatz hat sich in Jahrzehnten mit einem "normalen" Kristallbild entwickelt. Dann ändert sich die Kristallform. Die nadeligen Kristalle zur Mitte hin sind unter ganz ähnlichen Betriebsbedingungen innerhalb weniger Monate zu 12 mm Stärke aufgewachsen.

Nach Erklärungen oder gar Lösungen für solche praktischen Problemen sucht man oft vergebens.

 

 

 

Die Eigenschaften von Wasser in der öffentlichen Diskussion

Das Interesse einer zunehmend breiteren Öffentlichkeit begann ab etwa dem Jahr 1980. Hatte man Wasser bisher vor allem wahrgenommen wenn Mangel herrschte, wenn es mit gewaltigen Sturzfluten in Lebensräume einbrach oder wenn es mit seiner Schönheit verzauberte so besannen sich viele Menschen nun wieder darauf, wie eng sie mit Wasser in Zusammenhang stehen, mit seinen vielfältigen und geheimnisvollen Eigenschaften.

Die Ursachen für das steigende Interesse waren und sind vielschichtig. Häufig stehen sie im Zusammenhang mit einer Öffnung der Gesellschaft für traditionelle Kulturen und Heilverfahren. Deren ganzheitliches Verständnis und intuitives Wahrnehmen von Wasser, das für sie nicht nur reinigende und heilende Wirkung, sondern auch eine hohe spirituelle Kraft hat, steht den Methoden der heutigen Wissenschaft konträr gegenüber. Manch einer erfuhr nun, dass mit traditioneller chinesischer und ayurvedischer Medizin, Homöopathie, dem Wasser alter Heilquellen, den Lehren der Hildegard von Binden oder selbst mit der "Energetisierung" von Trinkwasser in der Prävention und selbst bei konkreten Erkrankungen gute Erfolge erzielt werden können.

Wie schön! - sollte man meinen. Allerdings wittert manch ein Wissenschaftler hier anscheinend einen Angriff auf sein persönliches Weltbild. Mit einem Mal ersetzen subjektive Befindlichkeiten und Gefühlslagen von "erkenntnisfähigen Subjekten" die Objektivität. Es wird die alleinige Gültigkeit der reinen Logik in Zweifel gezogen, es fehlte die Validierung und Verifizierung. Für manchen Wissenschaftler ist das ein Zustand der nicht sein kann, weil er nicht sein darf. Und wie zu Zeiten der mittelalterlichen Hexenverbrennungen sind es wieder einmal gerade Frauen, die mit ihren so andersartigen Kompetenzen wie Emotion und Intuition Machtpositionen ins Wanken zu bringen drohen. So ist die öffentliche Diskussion um Wasser nicht selten auch als Auseinandersetzung zwischen männlicher und weiblicher Wertesetzungen wahrnehmbar.

Heute sind die Fronten in der Diskussion um die Eigenschaften und das Wesen von Wasser so verhärtet wie ähnlich nur in dem eng verwandten Streit zwischen Schulmedizin und alternativen Heilmethoden. Besonders hitzig wird die Debatte, wenn es um das sog. "Gedächtnis des Wassers" geht. Und sie wird von Seiten der Wissenschaft ähnlich emotional geführt wie von den Verfechter*innen dieses "parawissenschaftlichen Unfugs", "pseudowissenschaftlichen Humbugs", "hysterischen Gefasels", dieser "absurden Studien" - nur eben mit anderen Mitteln.

Die solchermaßen Diffamierten entwickeln unterschiedlichste Nachweismethoden, um den Ansprüchen der Wissenschaft zu entsprechen. Sie arbeiten mit Dunkelfeldmikrospokie, mit Quantenfraktalbildern, Wasserkristall-Fotografie und anderem und generieren dabei teilweise wunderschöne Bilder zu den verschiedenen Zustandsformen von Wasser. Erfolgreich im Sinne der Naturwissenschaft sind sie aus einem einfachen Grund damit aber nicht: Wasser reagiert außerordentlich sensibel auf unzählige Einflussfaktoren, von denen viele sicherlich noch gar nicht bekannt sind. Die geforderten reproduzierbaren Ergebnisse lassen sich deshalb nur in Versuchsanordnungen erzielen, die sehr eng umrissene Aspekte von Wasser untersuchen und dabei die äußeren Einflussfaktoren auf ein absolutes Minimum reduzieren. Und selbst dann lassen sie sich unter Umständen zunächst nur rechnerisch ermitteln.

Der renommierte Wasserforscher Anders Nilsson von der Universität Stockholm beobachtet, dass die Emotionen rund um das Wasser in den letzten Jahren selbst im akademischen Streit hochgekocht sind, die Frage bringe »sehr starke, fast religiöse Ansichten zum Vorschein«. Andere Forscher wie der Brite Martin F. Chaplin geben sich angesichts der sicher sehr zahlreichen Rätsel, die das Wasser für die Wissenschaft noch bereithält und angesichts immer neuer Untersuchungsmethoden wohltuend bescheiden: Er hält die Idee eines „Gedächtnisses von Wasser“ das mit dem Mechanismus der Homöopathie verbunden ist, immerhin für möglich, spricht von starken Beweisen für viele Wege, auf denen der Mechanismus eines solchen „Gedächtnisses“ zustande kommen kann und von möglichen Auswirkungen, die solche Lösungen auf biologische Systeme haben können, die sich wesentlich von reinem Wasser unterscheiden.

Profiteure der aufgeheizten und über weite Strecken unsachlichen Diskussion sind Geschäftemacher die punktgenau den Nerv eines manchen Esoterikers und gutgläubigen Zeitgenossen treffen. Selbst wenn man in zahlreichen praktischen Anwendungen die Erfahrung gemacht hat, dass mit Wasservitalisierung, Energetisierung usw. interessante Behandlungserfolge bei Korrosion, Kontaminationen und Kalksteinbildung zu erzielen sind muss man doch einschränken, dass die Erfolgsaussichten im Vorfeld ungewiss sind und dass sich die Wirksamkeit im Behandlungsverlauf ändern kann. So wäre es angebracht, wenn sich auch die Anbieter entsprechender Behandlungsgeräte in Bescheidenheit üben und keine überschwänglichen Heilsversprechen in die Welt setzen würden.

 

 

Quellen und Links:

 

www.tugraz.at/fileadmin/user_upload/Institute/IEP/Thermophysics_Group/Files/Teachers/DIPLOMABEIT_Literaturrecherche_und_Demonstratonsexperimente_zur_Anomalie_Wasser_Christoph_BAUER.pdf

www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/biologie-abitur/artikel/anomalie-des-wassers

www.nature.com/articles/ncomms9998

www.welt.de/wissenschaft/article8211071/Immer-mehr-bizarre-Eigenarten-beim-Wasser-entdeckt.html

www.deutschlandfunkkultur.de/wasser-eine-raetselhafte-fluessigkeit.976.de.html?dram:article_id=468073

www.welt.de/wissenschaft/article8211071/Immer-mehr-bizarre-Eigenarten-beim-Wasser-entdeckt.html

www.spektrum.de/news/150-jahre-alte-regel-hat-doch-ausnahmen/1785005

www.geo.de/wissen/15467-rtkl-unglaublicher-effekt-wie-ein-loeffel-olivenoel-einen-ganzen-see-veraendert

de.wikipedia.org/wiki/Eigenschaften_des_Wassers

de.wikipedia.org/wiki/Wassercluster

de.wikipedia.org/wiki/Dichteanomalie

http://www.wissenschaft-technik-ethik.de/wasser_dichte.html#kap02