Sand am Meer EarthCache

Achtung: Der Falckensteiner Strand ist Teil des Biotops „Zwischen Heischer Tal und Schilkseer Steilküste“.
Der Strand steht grundsätzlich jedem zur Naherholung zur Verfügung, jeder darf den Meeresstrand betreten und sich dort aufhalten.
Die Vegetation darf aber nicht geschädigt oder zerstört werden.
Lasst keinen Müll liegen, beachtet das Zelten und Lagerfeuer verboten und von Anfang April bis Ende September auch Pferde und Hunde hier nicht zugelassen sind!
Weitere Informationen zum Schutzgebiet hier: https://www.kiel.de/de/umwelt_verkehr/umwelt_naturschutz/kieler_straende.php

Zum Cache:

Du stehst hier mitten auf dem Falckensteiner Strand, dem größten und, wie ich (und nach den Besuchermengen im Sommer zu urteilen auch viele andere) meine, dem schönstes Sandstrand im Kieler Stadtgebiet.
Und auch wenn es Sand ganz sprichwörtlich eben wie Sand am Meer gibt, ist Sand doch etwas ganz Besonderes das durchaus der genaueren Betrachtung wert ist. Deshalb eine kleine Einführung:

Was ist Sand eigentlich?

Rein wissenschaftlich betrachtet ist Sand nichts anderes als eine Ansammlung mineralischen Materials mit einer Korngröße von 0,063 bis zwei Millimeter Durchmesser. Alles was noch kleiner ist, wird als Schluff oder Ton bezeichnet, was größer ist nennt man Kies.

Sand wird unterteilt in:

• Grobsand: 0,63-2 mm
• Mittelsand: 0,2-0,63 mm
• Feinsand: 0,063-0,2 mm

In der Praxis findet man jedoch noch davon abweichende Einteilungen und Bezeichnungen. Zum Beispiel:

• Feinstsand wird in der Bodenkunde traditionell als 0,125–0,250 mm ausgeschieden.
• Grobschluff und Sand werden auch als Psammite bezeichnet (im Gegensatz zu den feinkörnigeren Peliten).
• Gröberer Sand heißt in Norddeutschland Grand.
• Sande, die hauptsächlich aus Körnern einer Korngröße bestehen, nennt man gut sortiert, in technischem Zusammenhang auch Einkorn-Gesteinskörnung; entsprechend sind schlecht sortierte Sande solche, in denen ein breites Korngrößenspektrum vertreten ist.
• Schlechtsortierte Sande mit hohem Feinanteil sind bindiger als gutsortierte, feine Sande bindiger als grobe: Sie nehmen – unabhängig von jeweiliger Korngröße und der Gesteinsart – mehr Wasser, aber auch mehr Bindemittel auf.
• Geringbindige Sande können bei einem gewissen Wassergehalt „verflüssigt“ werden und sind dann unter dem Begriff Treibsand bekannt.
• Rundsande bestehen primär aus rundlichen Komponenten (wie Geröll oder Kies), kantige Sande aus scharfkantigeren Körnern (Bruch- und Brechsande). Scharfkantige Sande verhalten sich weniger plastisch, sowohl in der Sedimentation als auch in Baumaterialien, weil sich die Körner verkanten. Sie lassen sich schlechter mischen, sind in Dispersionen weniger fließfähig und führen zu erhöhtem Werkzeugverschleiß. Mit Bindemittel versetzt ergeben sie widerstandsfähige, abrieb- und druckfeste Baumaterialien.
• Bruchsand bezeichnet natürliche scharfkantige Sande als Verwitterungsprodukt
• Quetschsand ist künstlich hergestellter Sand mit gebrochenen, scharfkantigen Körnern.
• Flugsand nennt man den infolge seiner Reinheit, seiner geringen Korngröße und seiner guten Sortierung durch den Wind besonders leicht beweglichen Sand. Bei großflächigem Auftreten tritt er oft in Form von Dünen in Erscheinung.
• Flusssand ist ein feinkörniger Sand, der in einem Fluss von der Strömung transportiert und dabei sortiert wurde und dessen Körner durch Reibung gerundet wurden. Er ist ausgewaschen und hat somit einen geringen Anteil an Schwebstoffen und an wasserlöslichen Stoffen. Er wird daher gern als Rohstoff in der Bauwirtschaft bzw. für die Betonherstellung verwendet. In Sandgruben abgebautes Material muss meist noch gewaschen werden, weil sich tonige und organische Bestandteile angereichert haben.

Zur etwas genaueren Einordnung eines Sandbodens ohne weitere Hilfsmittel, kann eine Fingerprobe zur Bodenartbestimmung (s.u.) vorgenommen werden.

Der Sand an Stränden enthält oft sehr viel Quarz (SiO₂). Dieses Mineral ist sehr hart und auch chemisch relativ resistent. Wenn andere Bestandteile eines Gesteins längst von Umwelteinflüssen wie Wind oder Wasser zermahlen und zu Pulver zerstäubt sind oder chemisch in Tonminerale umgewandelt oder ganz aufgelöst wurden, bleiben vom Quarz noch sichtbare Körner übrig – der Sand.

Aber auch wenn im weit überwiegenden Anteil der heute auf der Erde vorkommenden Sande Quarz als Bestandteil dominiert: Da für die Bezeichnung Sand nur die Korngröße, nicht aber die Zusammensetzung ausschlaggebend ist, können Sande sehr vielseitig zusammengesetzt sein.
An Stränden von Inseln mit vorgelagertem Korallenriff findet man sehr weißen Sand mit dem Hauptbestandteil Kalziumkarbonat (CaCO₃) aus zerkleinerten und zermahlenen Korallenbruchstücken.
Auf Inseln vulkanischen Ursprungs treten Sande auf, die aus der physikalischen Verwitterung von Vulkangesteinen hervorgingen. Dazu gehören z.B. grünliche Olivinsande und schwarze Basaltsande.
In extrem trockenen Regionen der Erde können auch Sande aus relativ leicht in Wasser löslichen Mineralen entstehen. Ein Beispiel hierfür ist der feine Gipssand, der die weißen Dünen des White Sands National Monument in der Chihuahua-Wüste in New Mexico bildet.
Und auch andere Bestandteile (und damit auch weitere interessante Strandfarben wie rot, orange violett etc.) kommen vor.

Schwarzer Sand des Diamond Beach auf Island (Quelle: eigenes Bild)

Wie entsteht Sand?

Der erste Sand der Erdgeschichte entstand aus magmatischen und metamorphen Gesteinen (z. B. Granit oder Gneisen), die durch physikalische Verwitterung in kleinere Blöcke oder, bedingt durch chemische Verwitterung entsprechend anfälliger Gesteinsbestandteile, direkt in einzelne Mineralkörner zerfielen.

Solche Blöcke und Körner werden anfangs durch Schwerkraft, dann vor allem durch Wasser von ihrem Ursprungsort weg transportiert (Erosion). Durch anhaltenden Wassertransport werden sie mehr oder weniger stark nach Größe und spezifischem Gewicht sortiert. Auch Wind kann Sand transportieren, hat aber aufgrund der geringeren Dichte von Luft generell eine stärkere Sortierwirkung und braucht überdies höhere Geschwindigkeiten. Sobald sich die Strömungsgeschwindigkeit des Transportmediums weit genug verringert, setzen sich die Sandkörner ab – das Ergebnis ist ein sandiges Sediment. Dieses kann bei Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit jedoch wieder in Bewegung geraten, also erodiert werden.

Durch mechanische Beanspruchung beim Transport ändert sich die Form und Größe der Einzelkörner, indem sie entlang der Kristallgrenzflächen gespalten oder indem während des Transports Fragmente herausgebrochen werden. Ecken und Kanten werden umso stärker gerundet und abgeschliffen, je länger der Transportweg ist. Dies ist allerdings kein linearer Prozess: Je runder und kleiner die Körner werden, desto widerstandsfähiger sind sie gegen weitere mechanische Veränderungen. Untersuchungen ergaben, dass häufig ein Transportweg von Tausenden von Kilometern nötig ist, um kantige Sandkörner mittlerer Größe auch nur mäßig zu verrunden.

Beim Transport entlang von Flussläufen können diese Weglängen aber nur selten erreicht werden, und auch die stetigen Bewegungen in der Brandungszone einer Küste reichen in den meisten Fällen nicht aus, um die heutzutage feststellbare gute Rundung vieler Sandkörner zu erklären, besonders dann nicht, wenn der Sand hauptsächlich aus widerstandsfähigem Quarz besteht. Erklärt wird dies damit, dass der weitaus größte Teil des heute auf der Erde vorkommenden Sandes der Verwitterung von Sandsteinen entstammt und somit schon mehrere Erosions- und Sedimentationszyklen hinter sich hat: Sand wird abgelagert (sedimentiert), überdeckt durch andere Sedimente und dadurch verdichtet. Die Sandkörner werden schließlich durch ein Bindemittel miteinander verkittet und ein Sandstein entsteht. Wenn ein Sandstein infolge einer tektonischen Hebung wieder an die Erdoberfläche gelangt und dadurch Verwitterung und Erosion ausgesetzt ist, werden die Einzelkörner freipräpariert und beim folgenden Transport wieder ein wenig weiter abgerundet, letztlich abgelagert und so weiter. Selbst wenn man eine Zyklusdauer von 200 Millionen Jahren annimmt, so kann ein heutiges, gut gerundetes Quarz-Sandkorn durchaus zehn solcher Zyklen und damit fast die halbe Erdgeschichte durchlaufen haben!

Als Sonderfall ist Sand zu sehen, der aus den Kalkskeletten abgestorbener Meerestiere entstanden ist, beispielsweise aus Muschelschalen oder Korallen. In geologischen Zeiträumen betrachtet ist dieser Sand sehr kurzlebig, da die Einzelkörner während der Diagenese normalerweise so stark verändert werden, dass sie nach einer erneuten Heraushebung und Erosion nicht mehr in ihrer ursprünglichen Form herausgelöst werden können. Zudem verwittert Kalkstein nur in extrem trockenem Klima rein physikalisch, ansonsten meist chemisch, d. h., er wird eher aufgelöst statt in kleine Fragmente zerlegt.

Wozu braucht man Sand?

Auch wenn es kaum jemand weiß: Sand ist neben Luft und Wasser die meistgenutzte natürliche Ressource der Erde. Laut dem Bericht "Sand and sustainability: Finding new solutions for environmental governance of global sand resources" des United Nations Environment Programme (UNEP) (pdf, englisch: https://wedocs.unep.org/bitstream/handle/20.500.11822/28163/SandSust.pdf), der im Mai 2019 in Genf vorgestellt wurde, werden jedes Jahr 40 bis 50 Milliarden Tonnen Sand und Kies gefördert. Die hohe Nachfrage wird inzwischen sogar zu einem Problem: Laut dem Bericht der UNEP gefährtet unregulierter Abbau die Umwelt und fördert Kriminalität: "Flüsse, Deltas und Küsten werden ausgewaschen, 'Sand-Mafias' blühen und der Bedarf steigt immer weiter", so der Bericht. Das Problem wird wesentlich verschärft, weil nicht jeder Sand für alles geeignet ist. So z.B. der Sand der großen Sandwüsten für die Beton- und Zementherstellung leider unbrauchbar. 

Außerdem ist Sand, vor allem Quarzsand, aber auch wirklich ein universaler Rohstoff:

Neben seiner Verwendung als Baustoff (z.B. direkt im Straßen-, Tief- und Erdbau, als Beimengung in Beton und Mörtel, als Rohstoff zur Zementherstellung) ist er Grundstoff zur Glasherstellung, Ausgansstoff zur Siliziumgewinnung für die Herstellung elektrotechnischer Bauteile, Filtermedium zur Wasseraufbereitung und Entwässerung.
Er findet Verwendung bei der Herstellung von Steingut, Steinzeug, Sanitär-Porzellan, Boden- und Wandfliesen, zur Herstellung von Formen beim Sandgussverfahren.
Mit ihm wird sandgestrahlt, im Winter werden die Straßen mit ihm gestreut und (vor allem im übrigen Jahr) die Sandkisten auf den Spielkästen befüllt.
Und diese Liste ließe sich noch eine Weile fortsetzen.
Nicht zuletzt ist er natürlich eine hervorragende Unterlage an sommerlichen Strandtagen.

Der Falckensteiner Strand

Küstenlandschaften verändern sich ständig. So auch dieser Küstenabschnitt an der Kieler Förde. Hier finden sich zwei Küstenformen, deren Wechsel für die Schleswig-Holsteinische Ostseeküste landschaftlich prägend ist: Zum einen das, durch eiszeitliche Ablagerungen (Geschiebesand, Geschiebelehm, oft über Geschiebemergel) gebildete, Schilkseer Steilufer und die flache Anlandungsküste des Fackensteiner Strandes an der schmalsten Stelle der Kieler Förde (Friedrichsorter Enge).

Besonders bei anhaltenden Stürmen aus östlichen Richtungen und hohen Wasserständen kommt es am etwa ein Kilometer nördlich gelegenen Schilkseer Steilufer zu größeren Abbrüchen. In den Boden eindringendes Niederschlagswasser, Frost und Tauwetter begünstigen die Erosionsvorgänge. Zwischen 1991 und 2010 sind vom Steilufer im Bereich Jakobsleiter durchschnittlich 76 Zentimeter pro Jahr abgebrochen. Unter anderem küstenparallele Strömungen transportieren dieses Material und lagern Sand am wachsenden Falckensteiner Strand ab.

So kann hier der für die Ostsee typische Zusammenhang zwischen Abtrags- und Anlandungsküste mit aktiven und inaktiven Steilufern, Strandwällen, Haken (Nehrungen - schmale sandige Landstreifen, die einen Teil des Meeres vom offenen Wasser abtrennen) und Höftländern - und damit auch ein Wimpernschlag auf dem oben beschriebenen langsamen Weg zum perfekten Sandkorn - beobachtet werden.

Quellen:
Wikipedia-Artikel Sand: https://de.wikipedia.org/wiki/Sand, 
Faltblatt der Landeshauptstadt Kiel: https://www.kiel.de/de/umwelt_verkehr/umwelt_naturschutz/_dokumente_faltblaetter_kieler_naturschutzgebiete/Faltblatt-HeischerTal.pdf 
Geologische Übersichtskarte von Schleswig Holstein des Landesamtes für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume: https://www.umweltdaten.landsh.de/nuis/upool/gesamt/geologie/guek250_gesamt.pdf

Aufgabenstellung für diesen Earthcache:

Sand ist also eine sehr alte, unglaublich vielfältige, sehr wertvolle und inzwischen aber auch knappe Ressource.
Grund genug sich nicht nur theoretisch, sondern auch ganz praktisch mal etwas genauer mit Sand zu beschäftigen:

1. Streu etwas Sand in deine Handfläche und schaue ihn dir genau an (das geht leichter, wenn der Sand möglichst trocken ist). Versuche ihn möglichst genau zu beschreiben (Wie fühlt er sich an? Eher pulvrig, eher krümelig? Sind einzelne Körner zu erkennen? Wenn ja: Kannst du etwas zu ihrer Größe, Form, Farbe(n) oder zu ihrer Sortierung sagen? Kannst du Aussagen über mögliche besondere Minaralienbestandteile treffen? Fällt dir sonst etwas auf?)

2. Nimm mit der hohlen Hand etwas, möglichst trockenen, Sand auf und in der anderen Hand die etwa gleiche Menge nassen Sand aus der Uferzone. Vergleiche das Gewicht der beiden Proben. Kannst du (grob) den Gewichtsunterschied (und damit die die Wasserspeicherkapazität) des Sandes schätzen?

3. Nimm anhand der unten stehenden Anleitung eine Fingerprobe vor. Wo würdest du den Sand einordnen?

4. Glaubst du, dass sich dieser Sand für ein Sandskulpturenfestival, wie sie inzwischen ja Jahr für Jahr an verschiedenen Stränden stattfinden, eigen würde? Begründe deine Antwort!

5. Denkst du, es gibt Unterschiede zwischen dem Sand an diesem Strand und dem Material des Schilkseer Steilufers? Wenn ja, welche und wie kommen sie zustande?

6. Mache ein Foto von dir oder alternativ von deinem GPS-Gerät am Strand und lade es mit deinem Log hoch.

Bevor du loggst, schicke mir die Antworten bitte per Email über mein Profil oder über das Message Center. Ich lese alle Antworten und werde versuchen auch auf alle zu antworten. Aber du musst mit dem Loggen nicht auf meine Antwort warten (es kann schonmal ein oder zwei Tage dauern bis ich es schaffe). Logs ohne Antworten an mich werden gelöscht (oder mit grob falschen Antworten, aber keine Sorge, ich erwarte keine fachkundige Abhandlung, sondern nur eine ernsthafte Auseinandersetzung mit dem Thema). 

Anleitung zur Fingerprobe:
(vereinfachte Form auf Grundlage des Entscheidungsbaums zur Bestimmung der Bodenarten aus dem Wikipedia-Artikel "Fingerprobe (Boden)": https://de.wikipedia.org/wiki/Fingerprobe_(Boden))

Nimm eine etwa walnussgroße Bodenprobe (Die Probe sollte gleichmäßig durchfeuchtet, aber nicht klatschnass sein. Es könnte helfen, ein paar Zentimeter zu graben… ). Folge diesen Schritten:

1.
Reibe etwas von der Probe zwischen Daumen und Zeigefinger um den Grad der Körnigkeit festzustellen.

Der Boden ist überwiegend körnig rau → weiter bei 2.

Der Boden ist überwiegend samtig mehlig → weiter bei 4.

2.
Reibe und rolle die Probe zwischen den Handtellern

Der Boden ist nur sehr wenig formbar, ein Ausrollen ist komplett unmöglich → weiter bei 3.

Der Boden ist nur wenig formbar, ein Ausrollen kaum möglich → weiter bei 4.

3.
Reibe den Boden zwischen Daumen und Zeigefinger trocken. Prüfe ihn auf Rauigkeit (je feiner, desto weniger rau) und Feinanteil

In den Fingerrillen haftet mineralische, mehlig-stupfe Feinsubstanz → weiter bei 5.

In den Fingerrillen haftet kaum mineralische Feinsubstanz → Einteilung als „Reiner Sand“

4.
Reibe den Boden zwischen Daumen und Zeigefinger trocken und versuche, ihn etwa bleistiftdick auszurollen.

Der Boden bricht und krümelt beim Versuch, ihn bleistiftdick auszurollen oder schon bei sehr geringer Verformung → weiter bei 6.

Der Boden ist wenig formbar, reißt und bricht leicht, aber gut haftend und samtig-mehlig → weiter bei 7.

Der Boden glitzert im Sonnenlicht, ist überhaupt nicht ausrollbar aber gut haftend → Einteilung als „Sand-Schluff“

Der Boden ist kaum formbar, reißt und bricht sehr leicht, jedoch gut haftend und rau-mehlig → Einteilung als „Lehm-Schluff“

5.
Sandkörner sind gut sicht- und fühlbar, in den Fingerrillen haftet eher wenig Feinsubstanz → Einteilung als „Lehm-Sand“

Sand führt deutlich oder sogar viel Feinsubstanz, in den Fingerrillen haftet schwach oder sogar stark-mehlige Feinsubstanz → Einteilung als „Schluff-Sand“

6.
Sandkörner sind deutlich sicht- und fühlbar, in den Fingerrillen haftet eher wenig Feinsubstanz → Einteilung als „Lehm-Sand“

Sandkörner sind deutlich sicht- und fühlbar, in den Fingerrillen haftet viel Feinsubstanz oder er ist trotz mäßiger Feinsubstanz sehr klebrig (Honigsand) → Einteilung als „Sand-Lehm“

7.
Die Sandkörner sind kaum oder gar nicht sicht- und fühlbar. Die Feinsubstanz bildet zwischen den Fingern eine matte, aufschuppende Reibfläche → Einteilung als „Lehm-Schluff“

Die Sandkörner sind kaum oder gar nicht sicht- und fühlbar. Die Feinsubstanz bildet zwischen den Fingern eine schwach glänzende, aufschuppende Reibfläche → Einteilung als „Ton-Schluffe“