Der blaue Planet

In welchen Formen kommt Wasser auf der Erde vor? 

Das Wasser, das unseren Planeten prägt, ist ständig in Bewegung. Es verteilt sich zwischen der Erdoberfläche und der Atmosphäre, es verdunstet und kondensiert in einem stetigen Kreislauf. Auf der Erde kommt es in allen drei Aggregatzuständen vor: als Eis, als Flüssigkeit und als Dampf. Der geringste Teil, nur etwa ein tausendstel Prozent, verteilt sich als Dampf in der Atmosphäre, dort hat er aber einen enorm großen Einfluss: Wasserdampf sorgt für Niederschläge und wirkt als natürliches Treibhausgas, es hält die Temperaturschwankungen auf der Erde gering und schirmt in Form von Wolken intensive Sonneneinstrahlung ab.

Ein etwas größerer, aber mit rund zwei Prozent insgesamt ebenfalls kleiner Anteil des irdischen Wassers ist gefroren. Diese »Kryosphäre« in den Polregionen der Erde und den Gletschern hatte während der zurückliegenden Eiszeiten ein deutlich größeres Ausmaß als heute: Während der letzten Eiszeit lag der Meeresspiegel deshalb bis zu 100 Meter tiefer als heute. Das gefrorene Wasser enthält rund drei Viertel des gesamten Süßwasserreservoirs der Erde, das meiste davon befindet sich in der Antarktis, wo es einen mehrere Tausend Meter dicken und mehrere Hunderttausend Jahre alten Eisschild bildet.

Chemische Besonderheiten von Wasser

Trotz seiner weiten Verbreitung ist Wasser – chemisch betrachtet – eine absolute Ausnahmeerscheinung. Es verhält sich in vielen Eigenschaften anders als erwartet und anders als vergleichbare Verbindungen. Diese »Anomalie« führt beispielsweise dazu, dass Wasser in gefrorenem Zustand eine geringere Dichte aufweist als im flüssigen. Das lässt sich unter anderem daran erkennen, dass gefrorenes Eis auf flüssigem Wasser schwimmt und nicht untergeht. Diesem Umstand ist es zu verdanken, dass Gewässer bei Temperaturen unter Null zuerst an der Oberfläche zufrieren und nicht am Boden. Das heißt, ohne die Anomalie des Wassers gäbe es weder Eisschollen, noch könnte man auf einem gefrorenen See Schlittschuh laufen. Vor allem aber sähe das Leben im Wasser ganz anders aus, wenn Fische, Lurche oder Pflanzen nicht am Boden eines Gewässers überwintern könnten.

Das Wassermolekül H₂O ist gewinkelt und strukturell vom Tetraeder abgeleitet. Ein Tetraeder besteht aus vier gleichseitigen Dreiecken als Seitenflächen und vier Ecken, wobei sich beim Wassermolekül das Sauerstoffatom in der Mitte befindet und die vier Ecken von je zwei Wasserstoffatomen und je zwei Elektronenpaaren des Sauerstoffs besetzt sind. Diese Ladungsverteilung führt dazu, dass sich sogenannte Wasserstoffbrücken ausbilden – die einzelnen Wassermoleküle ordnen sich mit ihren jeweiligen Nachbarn zu einem Verband an. Die Wasserstoffbrücken halten die Moleküle lose zusammen und verhindern, dass sie sich in wässriger Phase völlig ungeordnet und frei bewegen. Das lässt sich beispielsweise als Oberflächenspannung beobachten: Wasser bildet bis zu einem gewissen Volumen runde Tropfen und fließt nicht einfach auseinander; kleine Insekten können auf einer Wasseroberfläche entlanglaufen und sinken nicht ein. Auch die hohe Schmelz- und Siedetemperatur von Wasser resultiert aus dieser chemischen Besonderheit. Zum Vergleich: Methan, das eine ähnliche Molekülgröße wie Wasser und ebenfalls eine tetraedrische Struktur aufweist, siedet bereits bei minus 162 °C. Der Grund: Es bildet keine Wasserstoffbrücken. 

Vollends geordnet ist Wasser in seiner festen Form, als Eiskristall. Jedes Molekül ist mit jeweils vier benachbarten Molekülen fest verbunden, wodurch ein regelmäßiges Netzwerk mit einem sechseckigen Grundmuster entsteht. Das ist auch der Grund, warum Eiskristalle - Schneeflocken zum Beispiel - so einzigartig sie in ihrer Form auch sind, immer genau sechs Zacken haben.

Und nicht zuletzt sind die Wasserstoffbrücken auch in anderen Molekülen wirksam, etwa in den großen Biomolekülen, aus denen das irdische Leben besteht. So bleiben Eiweiße in definierten Strukturen gefaltet und DNA-Stränge bilden die berühmt gewordene Doppelhelix – Wasserstoffbrücken machen so die molekularen Grundprozesse in lebenden Zellen erst möglich.