Es gehört zum Uffinger Klima, dass die Oberfläche des Erdbodens durch gefrorenes Wasser hart wird und Lasten tragen kann.
Es gibt Normen, wie tief Wasserleitungen und Fundamente im Boden zu legen sind, um „frostsicher“ zu sein. Mildere Winter bedeuten nicht unbedingt eine geringere Eindringtriefe von Frost. Denn auch die wärmedämmende Schneedecke tritt zeitlich verkürzt, in verringerter Höhe und auch mit häufigeren Unterbrechungen auf. Weiter spielen die Art des Bodens und der Wassergehalt eine Rolle. Für die Landwirtschaft und den Gartenbau ist das Auffrieren des Bodens seiner Lockerung wegen wichtig. In Uffinger Gärten findet sich oft lehmiger Boden unter organischem Material, darin über den Winter angereichertes Eis.
Nach oben gedrückte Steine
Wie eifrig auch Steine von Äckern und Gartenbeeten gepflückt werden, über Jahre tauchen immer wieder neue Steine nach dem Winter auf.
Kompakte Steine leiten Wärme und die damit in Verbindung stehende Temperatur gut. Das gilt auch für Eis. Die Wärme, verstanden als Bewegungsenergie der Moleküle, wird im festen Material von Molekül zu Molekül übertragen. Steine, die im Boden von Temperaturen unter dem Gefrierpunkt des Wassers erreicht werden, wirken als Brücken, diese tiefen Temperaturen gut nach unten in die Erde zu leiten.
Wasser unter Steinen, das unter den Gefrierpunkt abgekühlt wird, erweitert bei der Eisbildung sein Volumen um nahezu 10 Prozent. Zudem kann Eis über die Zeit weiteres Wasser an sich ziehen. Dadurch entsteht ein Druck, der Steine in die Höhe schiebt, auch bis an die Bodenoberfläche. Auf jungen Ackerböden in eiszeitlichem Material, wie um den Staffelsee, ist das „Steineklauben“ im Frühjahr normal.
Stifte von Eis aus dem Boden
Wenn nach Regen die Poren des Bodens dicht an seiner Oberfläche gut von Wasser gefüllt sind und nun das Porenwasser gefriert, wachsen kleine Säulen oder Stifte von Eis heraus aus den Poren. Dieses Kammeis kann in einer Nacht mehr als einen Zentimeter wachsen. Jedes Säulchen kann kleine Bodenkörnchen tragen.
Ursache ist nicht die Erweiterung des Volumens des Wassers beim Gefrieren allein, sondern dass Eiskristalle weiteres Wasser an sich ziehen und dieses gefriert, so lange nur der Vorrat an Wasser reicht. Der Dampfdruck über flüssigem Wasser ist höher als über Eis. Wasser in Form von Dampf kann zu den Kristallen wandern und diese wachsen lassen.
Abkühlung des Bodens von der Atmosphäre her bedeutet, dass die Temperatur im Boden nach unten zu steigt. Damit stellen tiefere Schichten des Bodens eine Wärmequelle dar, die Wasserhäute um die Körner herum nach oben steigen lassen, schwereres Wasser nach unten sinken. Dieses bewegte Wasser gefriert an Eis und lagert sich diesem, wie der Dampf, an.
Eine Gefrierfront gibt es im Boden nicht
Wenn sich auf dem Staffelsee Stahleis bildet, wächst das Eis nach unten hin stärker, abhängig davon, wieviel Wärme an die Atmosphäre abgegeben werden kann. Das Wasser im Boden ist jedoch nicht als zusammenhängende Schicht, sondern auf die einzelnen Bodenporen und auch Wasserhäute an Oberflächen von Körnern verteilt.
Zwischen Wasser und Grenzen der Poren treten molekulare Wechselwirkungen auf. Sie äußern sich durch Kräfte. Je enger die Poren, um so grösser sind die Drücke. Je höher diese sind, um so tiefer ist die Temperatur, bei welcher das Wasser gefriert. Es sind die gleichen Kräfte, welche die Erscheinung von Kapillarität verursachen, bei der Wasser in Poren entgegen der Schwerkraft nach oben steigt, am stärksten ausgeprägt bei den engsten Kapillaren (Poren).
Mit steigendem Druck sinkt die Temperatur, bei welcher Wasser gefriert (und lange das Wasser unter Schlittschuhen fälschlich erklärte). Da in engen Poren die Drücke höher sind als in weiten, ist zu erwarten, dass flüssiges Wasser in den weiten Poren bei Abkühlung des Bodens an der Atmosphäre zuerst gefriert. Die engeren Poren folgen erst im weiteren Kühlungsverlauf, wenn überhaupt. Die Vorstellung, dass sich nach unten hin eine einheitliche Kante aus Eis als „glatte“ Grenze gegen ungefrorenes Kapillarwasser bildete, trifft nicht zu.
Eindringende Kälte und am Eis gesammeltes Wasser
Das Fortschreiten des Gefrierens in die Tiefe hängt einerseits davon ab, wie sich die Atmosphäre als Wärmesenke verhält, also vom zeitlichen Verlauf der Witterung. Andererseits kommt es darauf an, wie gut Wärme aus dem Boden an die Bodenoberfläche geleitet werden kann. Wie oben gesagt, ist kompaktes Eis ein besserer Wärmeleiter als der körnige von Poren durchsetzte lose Boden. Auch ist die Fähigkeit, Wärme zu lagern, für Eis geringer als in flüssigem Wasser. Diese sind günstige Bedingungen, um Wärme an die Atmosphäre abzugeben.
Aber gefriert Wasser in einem Ausmaß, dass nur diejenige Wärme abgegeben werden kann, welche auftritt, wenn flüssiges Wasser zu Eis erstarrt und die Bewegungsenergie der Moleküle abnimmt, so sinkt die Bodentemperatur nicht weiter. Die Eisbildung auch in engeren Poren tritt nicht ein. Nur Wasser, das sich zu schon vorhandenem Eis bewegt, gefriert. Dabei trocknet der Boden, aus dem dieses Wasser stammt, aus. Die Wasserzufuhr erschöpft sich, damit auch das Auftreten von Gefrierwärme. Mit jetzt sinkender Temperatur gefriert Wasser auch in den engeren Poren.
Austrocknung verändert die Bodenstruktur
Die Bereiche des Bodens, die durch die Umverteilung von Wasser zu Gunsten des wachsenden Eises austrocknen, schrumpfen. Damit brechen Aggregate (Klumpen) von Bodenkörnern auf, ändern sich auch die Porengrößen. Dieser Prozess ist als Frostgare den Landwirten bekannt. Er ist erwünscht, weil dadurch der Boden aufgelockert wird, der Austausch von Gasen und Wasser für die Vegetation erleichtert wird.
Die Bedingung für Frostgare ist aber, dass der Boden durch das Kristallwachstum in der Umgebung des Eises getrocknet wird. Kommt es gar nicht zur Eisbildung oder wegen viel Wasser im Boden auch zu ungenügender Trocknung, entfiele die Frostgare. Dies könnte die Folge einer Änderung des Klimas zu milderen Wintern und mehr Regen sein.
Die Lockerung des Bodens durch die Frostgare würde wieder zunichte gemacht, wenn im Auftauen das Schmelzwasser nicht durch die neuen erweiterten Poren in tiefere Bodenbereiche abflösse, sich Stauwasser ansammelte (intensiver Starkregen) oder in warme, relativ trockene Luft (Föhnwind) verdunstete.
Lehmiger Boden begünstigt Eislinsen
Der Boden in Uffing ist oft derart, dass eine Schicht mit groben Poren über feinporigem Material liegt. Nadeln aus Eis können in der grobporigen Oberschicht sich zu Eisgebilden ansammeln. In Gärten besteht die Oberschicht gerne aus einem großen Anteil organischer Körner. Haben sich hier Eiskristalle gebildet, kann Wasserdampf aus wärmerer Tiefe sich daran niederschlagen und ebenfalls Eisgebilde aufbauen. In allen diesen Fällen ist die Hebung des Bodens nicht allein auf die Vergrößerung des Volumens beim Gefrieren zurückzuführen, sondern zusätzlich durch den Transport von Wasser und sein Gefrieren aus dem Boden darunter.
Unter verdichteter Bodendeckschicht (Sport- und Parkplätze) kann diese, weil verdichtet, tiefe Temperaturen seitens der Atmosphäre relativ gut in den Boden darunter leiten, andererseits auch Gefrierwärme an die Atmosphäre nach oben abgeben. Bilden sich unter der Deckschicht Eiskristalle, wachsen auch diese zu erheblichen Eiskörpern an, vorausgesetzt nur, genügend Wasser in der Umgebung der Kristalle ist zum Wachstum verfügbar. Das könnte durch zeitlichen Zufluss in geneigtem Gelände und kapillarem Aufstieg von Wasser unter der Deckschicht der Fall sein.
Mechanik des gefrorenen Bodens
Eiskristalle, freie und innerhalb der Poren, verfestigen die Matrix des Bodens. Wenn die erwähnten Hebungen auch Lasten tragen können, sind Feuchtwiesen oder sumpfiges Gelände befahrbar ohne Spuren zu hinterlassen. Schlitten haben den Vorteil, die Auflast auf die größeren Flächen der Kufen zu verteilen.
Belastbare gefrorene Böden im Uffinger Winterklima setzen voraus, dass ein gefrierender Anteil von Wasser in weiten Poren gegeben ist. Auch darf die Fließgeschwindigkeit von Grundwasser nicht zu groß sein (weniger als 1 m/s), weil dadurch Wärme herangetragen wird.
Bei der Belastung einer gefrorenen Bodenfläche treten in den drei Dimensionen des Raumes Spannungen auf. Man stelle sich den gefrorenen Boden als Platte vor, bei der der Zusammenhalt der „Platte“ und ein elastisches Einsinken sowie ein Auftrieb im nicht gefrorenen Untergrund eine Rolle spielen.
Reinhard Mook
Foto "Kammeis: In oberer Bodenschicht viel flüssiges Wasser, Frost an der Grenze zur Atmosphäre. Unterschied in Wasserdampfdruck lässt Eisnadeln aus der Erde wachsen. Durchmesser
1 mm, Höhe 10 bis über 100 mm." © Masteraah(Wikipedia)
(veröffentlicht in Hoagart 06 | Januar 2023, siehe unten, Seite 60)
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Januar 2023
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