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Eberhard Bodenschatz ist Direktor am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS). Nach seiner Promotion in Bayreuth wechselte er an die Cornell University in Ithaca, New York, wo er 13 Jahre lang als Professor für Physik arbeitete. 2005 kehrte er zurück nach Deutschland und begründete die Abteilung „Hydrodynamik, Strukturbildung und Nanobiokomplexität“ des MPIDS.

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Woher kommen die Muster in Permafrostböden?

Auf Permafrostböden, die im Sommer von oben her immer wieder auftauen und gefrieren, ordnen sich Steine wie von Zauberhand in der Ebene als hexagonale Steinhaufen (siehe Bild) oder entlang von Hängen in parallelen Steinhaufen an. Um eine große Anhäufung von Steinen an der Oberfläche zu erhalten, müssen sich diese aus dem umgebenden Erdreich nach oben bewegen und sich dort anhäufen. Wie kann das geschehen?  

Auf Permafrostböden ordnen sich Steinhaufen wie von Zauberhand als Sechsecke an. Bild vergrößern
Auf Permafrostböden ordnen sich Steinhaufen wie von Zauberhand als Sechsecke an.

Wenn die Sonne stark genug scheint und es nicht zu kalt und nicht zu warm ist, schmilzt am Tag das Wasser im Erdreich und gefriert in der Nacht. Große Steine kühlen schneller ab als das nasse, umgebende Erdreich. Also gefriert zuerst die nasse Erde, die an den Stein angrenzt. Da sich Wasser beim Gefrieren ausdehnt, wird der Stein ein klein wenig nach oben gehoben. Wenn das nun immer wieder Tag ein Tag aus geschieht, bewegt sich der Stein ganz langsam nach oben und kommt irgendwann an die Oberfläche. Die Kraft ist dabei so groß, dass Steine, die bereits auf der Oberfläche liegen, von dem Neuankömmling nach oben oder zur Seite gedrückt werden. Wenn es nun der Zufall will, dass mehrere Steine zusammenliegen, gefriert dort die Erde etwas schneller. Als Folge schieben sich dort von unten und von der Seite weitere Steine in den Haufen und lassen diesen anwachsen. Es entstehen also Täler und Höhen.

Nachdem der Vorgang überall gleich abläuft, reihen sich Steinhaufen periodisch aneinander. Es ist damit leicht einzusehen, dass man parallele Steinsteifen beobachten sollte. Warum aber gibt es Hexagone? Am Berg lässt die Hangabtriebskraft Steine, die nach oben wandern, etwas in Talrichtung rollen. Im Tal hingegen rollt ein Stein in alle Richtungen mit derselben Wahrscheinlichkeit. Am Berg entstehen daher Streifen und in der Ebene andere Muster. Mathematische Analysen haben ergeben, dass dies prinzipiell Hexagone oder Quadrate sein können. Die Natur des Prozesses hat daraus die Hexagone ausgewählt, die wir in Spitzbergen beobachten können.  

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