Wasserzustände

Wasser kommt in drei Aggregatzuständen vor: fest (Eis), flüssig und gasförmig (Dampf). Der Zustand, in dem sich das Wasser befindet, hängt von den intermolekularen Kräften ab, welche die Wassermoleküle zusammenziehen, und gleichzeitig von der kinetischen Energie, die sie auseinander zieht.

Wasser gefriert, wenn die intermolekularen Kräfte größer als die kinetische Energie sind. Im Gegensatz zu den meisten anderen Stoffen ist Wasser im festen Zustand weniger dicht als im flüssigen Zustand. Dies liegt daran, dass jedes Wassermolekül in der Lage ist, sich mit vier Molekülen zu verbinden, um eine räumliche, tetraedrische Struktur zu bilden. Diese Eigenschaft des Wassers lässt das Eis schwimmen. Ohne schwimmendes Eis würden Gewässer von unten nach oben gefrieren und im Wasser lebende Organismen töten.

Wenn kinetische Energie in Form von Wärme auf Eis übertragen wird, schmilzt das Eis zu flüssigem Wasser. In diesem Zustand brechen die Bindungen zwischen den Wassermolekülen immer wieder auf und bilden sich neu. Wenn Eis schmilzt, bleibt die Temperatur des Wassers am Schmelzpunkt, bis das gesamte Volumen flüssig ist. Erst dann steigt die Wassertemperatur über den Schmelzpunkt hinaus an.

Wenn die kinetische Energie die intermolekularen Kräfte überwältigt, wandelt sich flüssiges Wasser (oder sogar Eis) in Dampf um. Der Prozess der Dampferzeugung aus flüssigem Wasser wird als Verdampfung bezeichnet. Erhöhungen der kinetischen Energie können wie beim Sieden innerhalb der Flüssigkeit auftreten oder an der Oberfläche wenn Wasser verdampft. Der Prozess, bei dem ein Gas direkt aus einem Festkörper erzeugt wird, ohne vorher eine flüssige Phase zu durchlaufen, wird als Sublimation bezeichnet. Dieser Übergang ist vom niedrigen Atmosphärendruck abhängig, wodurch die Auswirkungen der kinetischen Energie verstärkt werden.

Wenn die kinetische Energie sinkt, kann der Dampf wieder in eine Flüssigkeit übergehen. Dieser Prozess wird Kondensation genannt. Geht der Dampf direkt in einen Festkörper über, wird der Prozess Ablagerung oder Desublimation genannt. Kondensation ist für Regen verantwortlich, Desublimination hingegen für die Entstehung von Schnee.

Bei der Suche nach anderen biokompatiblen Planeten ist das Vorhandensein von Wasser insbesondere in flüssiger Form ein entscheidendes Merkmal, da das Leben auf der Erde im Wasser begann. Enceladus ist ein eisbedeckter Mond des Saturn, der an seinem Südpol Fontänen aus Wasser oder Geysire besitzt. Dies löste zunächst eine große Debatte darüber aus, ob Enceladus flüssiges Wasser unter dem Eis hat. Es stellte sich nämlich heraus, dass die Fontänen sowohl Dampf als auch Eis mit sich führten. Die Umlaufbahn des Mondes um den Saturn und andere Hinweise deuten jedoch auf das Vorhandensein eines riesigen flüssigen Ozeans auf Enceladus hin und machen ihn daher potenziell lebensfreundlich.