Warum ist heißes Wasser weniger dicht als kaltes Wasser?

Heißes und kaltes Wasser sind beide flüssige Formen von H2O, haben jedoch aufgrund der Wärmeeinwirkung auf die Wassermoleküle unterschiedliche Dichten. Obwohl der Dichteunterschied gering ist, hat er einen erheblichen Einfluss auf Naturphänomene wie Meeresströmungen, bei denen warme Strömungen dazu neigen, über kalte zu steigen.

Kaltes Wasser ist immer dichter als warmes Wasser; zwischen dem Gefrierpunkt und 30 Grad Celsius (86 Grad Fahrenheit) beträgt die Dichteänderung etwa 4 Zehntel Prozent. Obwohl der Unterschied gering ist, kann warmes Wasser auf kaltem Wasser "schwimmen", ein Phänomen, das jeden Tag in den Weltmeeren auftritt.

Der Grund, warum warmes Wasser weniger dicht ist als kaltes Wasser, ist die Hitze selbst. Wenn Wasser (von einer Quelle wie der Sonne) Wärme zugeführt wird, werden seine Moleküle durch die Energie angeregt. Sie beginnen sich schneller zu bewegen, also prallen sie weiter weg, wenn sie aufeinander stoßen. Der vergrößerte Raum zwischen den sich schnell bewegenden Molekülen verringert die Dichte.

Kaltes Wasser hat eine größere Dichte als heißes, weil seine Wassermoleküle träger sind; Vibrationen und Bewegungen sind langsamer und weniger energisch. Die Moleküle prallen weniger ab und stoßen sich weniger aneinander, sodass mehr auf kleinerem Raum zusammenpassen können. Da sie dichter zusammengepackt sind, ist die Dichte des Wassers größer.

Da warmes Wasser weniger dicht ist, steigt warmes Wasser nach oben, wenn sich warm und kalt treffen; Wissenschaftler nennen dies "Konvektion". Dieser Prozess erzeugt manchmal einen Kreislauf, in dem das Wasser an der Oberfläche eines Sees erhitzt wird tagsüber, kühlt dann ab und sinkt nachts ab, wodurch eine langsame, kontinuierliche Zirkulation von der Tiefe zur Oberfläche und zurück entsteht nochmal.

In den Weltmeeren steigen warme Wassermassen über kaltes Wasser. Bei Strömungen wird warmes, tropisches Wasser in einer Bewegung wie ein Fließband zu den Polen transportiert, darunter kaltes Wasser. Der Temperaturunterschied wird als Thermoklima bezeichnet. Der Golfstrom ist ein Beispiel für dieses Phänomen, und dieser Kreislauf, bei dem warmes tropisches Wasser nach oben befördert wird, beeinflusst auch das Klima in großen geografischen Gebieten. London zum Beispiel ist nicht so kalt wie Calgary, obwohl es auf demselben Breitengrad liegt, weil es vom Golfstrom profitiert. Das Meerwasser bewegt sich jedoch nicht immer so friedlich. Wenn heißes und kaltes Wasser (und Luftmassen) aufeinandertreffen, kommt es manchmal zu einem Sturm oder sogar zu einem Hurrikan.