Feb20

Palygorskit, das auch Bergleder, Bergkork, Bergholz oder Bergfleisch genannt wird, ist ein Tonmineral und kein organisches Material. Seine Zusammensetzung wird mit der Formel (Mg,Al)4[OH|(Si,Al)4O10]2 · (4+4) H2O wiedergegeben, wobei sich die in den runden Klammern angegebenen Elemente gegenseitig vertreten können.

Palygorskit, Fundort: Lone Jack Quarry, Glasgow, Virginia, USA © John Krygier, gemeinfrei

Palygorskit, Fundort: Lone Jack Quarry, Glasgow, Virginia, USA © John Krygier, gemeinfrei

Der zungenbrecherische Name deutet auf seine ausländische Typlokalität hin – der Ort, wo das Mineral zuerst entdeckt und beschrieben wurde. In diesem Fall handelt es sich um die sog. “Zweite Mine” am Popovka-Fluss bei Palygorsk im Gebiet von Perm, das im Gebiet des Uralvorlandes, östlich von Moskau liegt. Es wurde erstmals von Savchenkov im Jahre 1862 beschrieben und wurde unterdessen in vielen anderen Regionen der Welt gefunden.

Palygorskit gehört zur grossen Familie der Tonminerale, die bei Verwitterungsprozessen oder Alteration entstehen.

Die Tonminerale sind den Phyllo- oder Schichtsilikate zuzuordnen mit Bausteinen aus (Si,Al)O4-Tetraeder und [(Mg,Al)(O,OH)6]-Oktaeder. Hierbei unterscheidet man Zweischicht-Tonminerale (1:1-Schichtsilikate), die aus je einer Tetraeder- und Oktaederschicht bestehen und zu denen die Serpentinite- und Kaolinite gehören. In den Dreischichtmineralen (2:1-Schichtsilikate) ist an die Oktaederschicht eine weitere Tetraederschicht angehängt. Diese Gruppe ist sehr vielfältig. Einige bekannte Beispiele sind die Smektite, Montmorillonite und Illite.

Palygorskit und Sepiolith, bekannt unter Meerschaum, sind Tonminerale mit Faserstruktur aus Leisten der Dreischichtminerale. Palygorskit bildet faserige Massen mit weisser, gelblicher oder grauer Tönung.

Bedeutende Vorkommen befinden sich im mittleren Wolgagebiet, in der Ukraine, auf der Krim und in Westsibirien. Daneben wurde diese Mineralart auch in Tschechien (Heinjà) sowie in Arizona (Mammoth-Mine) gefunden.

Fundorte in der Schweiz sind eher rar und beschränken sich auf verschiedene Vorkommen in der Molasse der Zentral- und Westschweiz, sowie auf einige Steinbrüche in den helvetischen Decken der Region Obermatt-Stansstad. Eine Ausnahme bildet das Auftreten in Klüften des penninischen Geisspfad-Serpentinites im Binntal.

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Feb13

Als Mineral des Monats Februar wurde Graphit von der Vereinigung NEROS (Netzwerk Mineralische Rohstoffe Schweiz) gewählt.

Graphit: Old Beneis Farm, Marlborough, Cheshire County, New Hampshire, USA © Rob Lavinsky, iRocks.com – CC-BY-SA-3.0

Graphit: Old Beneis Farm, Marlborough, Cheshire County, New Hampshire, USA © Rob Lavinsky, iRocks.com – CC-BY-SA-3.0

Weil in der kalten Jahreszeit gewisse Rohstoffe direkt oder indirekt mit Energie zusammenhängen, sind sie einer besonderen Erwähnung wert. Graphit ist ein solcher Rohstoff, er ist z.B. ein wichtiger Bestandteil von Li-Ionen Batterien.

Graphit ist die stabile Modifikation von Kohlenstoff bei Normalbedingungen. Er kristallisiert in Schichten, wobei jedes C-Atom mit drei anderen kovalent verknüpft ist. Das vierte Elektron befindet sich in p-Orbitalen senkrecht zu den Schichten. Die Elektronen, die innerhalb der Schichten frei beweglich sind, bedingen den metallischen Glanz, die schwarze Farbe und die Leitfähigkeit.

Kristallgitterstruktur der 3 Kohlenstoff-Modifikationen

Kristallgitterstruktur der 3 Kohlenstoff-Modifikationen: Fulleren, Diamant, Graphit © CC0

Aufgrund der freien Elektronen ist Graphit parallel der Schichten gut leitfähig, senkrecht dazu kaum, da sich hier keine Elektronen befinden. Die einzelnen Schichten werden durch van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten. Da diese Kräfte relativ schwach sind, können die Schichten gut gegeneinander verschoben werden.

So sind die Eigenschaften von Graphit vielfältig: Er ist schmierfähig, elektrisch leitfähig, chemisch inert und von schwarzer Färbung. Aufgrund dieser Eigenschaften wird Graphit als Pulver oder Granulat in vielen Bereichen eingesetzt: Schmelztiegelherstellung, Schmier- und Trennmittel, Bremsbeläge, Lacke und Farben, Katalysatoren, Batterien, Folien und Dichtungen und vieles mehr.

In der Autoindustrie z.B. wird Graphit immer wichtiger. Etwa 1,6 kg Graphit pro Kilowattstunde werden in einer Batterie benötigt. Auf ein Hybridfahrzeug gerechnet sind es dann 10 kg, auf ein voll elektrisch betriebenes Auto 50 kg  und bei leistungsstarken Fahrzeugen der Oberklasse (z.B. Tesla) sind es etwa 100 kg Graphit. Für die neue Gigafactory von Tesla in Nevada USA z.B., wo nicht nur Autobatterien sondern auch Komponenten für die Stromspeicherung produziert werden, sind 35 GWh pro Jahr geplant. Eine GWh entspricht der Erzeugung oder dem Verbrauch einer Milliarde Watt pro Stunde. Dies ist fast so viel wie die aktuelle Batterieproduktion der ganzen Welt zusammen oder anders gesagt rechnet man mit sechs neuen Flockengraphit-Minen um den Bedarf zu decken.

Graphit ist nicht gleich Graphit!

Man unterscheidet drei natürlich vorkommende Graphitarten:

Flocken-Graphit

  • Weniger häufig vorkommende Graphitform
  • Kohlenstoffanreicherung zwischen 85-98 %
  • 4x teurer als amorpher Graphit
  • Findet in vielen traditionellen und neuen Technologien (z.B. Li-Ionen-Batterien) Anwendung
  • Kleine, kristalline Flocken aus Graphit treten als isolierte, flache, plattenartige Teilchen mit hexagonalen Rändern auf
Flockengranit © acarbons.com

Flockengranit © acarbons.com

Amorpher Graphit

  • Am häufigsten vorkommende Form von Graphit
  • Vergleichsweise niedriger Kohlenstoffgehalt von 70-80 %
  • Geringste Reinheit
  • Nicht geeignet für die meisten Anwendungen

Hochkristalliner Graphit (Adern und Klumpen)

  • Wird nur in Sri Lanka abgebaut
  • Kohlenstoffgehalt zwischen 90-99 %
  • Knappheit und hohe Kosten schränken den Einsatz ein

Synthetischer Graphit oder Fulleren

Ein Fulleren ist ein durch Hochtemperatur gewandelter amorpher Graphit. Die Struktur sind hohle, geschlossene Moleküle mit häufig hoher Symmetrie. Dies macht ihn bis 10 Mal teurer als natürlicher Graphit und weniger attraktiv für die meisten technischen Anwendungen. Der Name “Graphitfaser” wird manchmal verwendet, um sich auf Kohlenstofffasern oder kohlenstofffaserverstärktes Polymer zu beziehen. Fullerene kommen in der Natur nur in unbedeutenden Konzentrationen vor und wurden mit Hilfe der Massenspektrometrie in einem durch Blitzeinschlag entstandenen glasartigen Fulgurit, in Kratern von Meteoriteneinschlägen und im Kerzenruss nachgewiesen.

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Feb06

Das Projekt Warka Wasser

Warka Wasser heissen die Türme, die Wasser aus der Luft ernten: Sie sammeln Regenwasser, fangen Nebeltropfen ein und ernten Tauwasser. Benannt ist der Turm nach dem äthiopischen Feigenbaum, Warka.

Warka-Wasser Turm © www.warkawater.org

Warka-Wasser Turm © www.warkawater.org

Das italienische Architekten-Team um Arturo Vittori hat 2012 mit Unterstützung des italienischen Kulturzentrums in Addis Ababa und dem äthiopischen Institut für Architektur und Stadtentwicklung das Projekt ≪Warka Water≫, ein aus natürlichen Materialien handgefertigter Wasser-Turm, entwickelt.

Inspirieren liess sich Arturo Vittori von der Natur. Viele Pflanzen und Tiere haben auf ihren Oberflächen Mikro- oder Nanostrukturen, die es ihnen ermöglichen, Wasser aus der Luft zu ernten. → Wie Naturphänomene in der Technik Anwendung finden

Nach dem Studium von Käferschale, Lotusblume, Blättern, Spinnennetz-Fäden und dem integrierten Nebelsammelsystem in Kakteen entstand Vittoris Turm, der Regenwasser und Wasser von Tau und Nebel einsammelt.

Der Warka Wasser Turm: seine Funktionsweise © Warka Water Architecture and Vision

Der Warka Wasser Turm: seine Funktionsweise © Warka Water Architecture and Vision

Die 60 kg schwere Konstruktion wird aus Bambusrohren zusammengesetzt, ist 10 Meter hoch und enthält ein wassersammelndes Gewebe. Tests haben gezeigt, dass im Hochland von Äthiopien 50 bis 100 l / Tag durch Kondensation aus der Luft gewonnen werden können.

Der Warka Wasser Turm ist mit einfachen Mitteln durch 4 Personen in 3 Stunden aufgebaut und kostet, lokal produziert, etwa 1’000 US$.

Jeder Tropfen zählt: Die Netze im Warka Wasser Turm fangen Regen-, Nebel- und Tautropfen ein © www.warkawater.org

Jeder Tropfen zählt: Die Netze im Warka Wasser Turm fangen Regen-, Nebel- und Tautropfen ein © www.warkawater.org

Im feinmaschigen Bio-Kunststoffnetz setzen sich Nebeltropfen ab und auf einer integrierten Fläche bildet sich in der Nacht Tau.

Jeder Tropfen zählt
Wie der Warka Wasser Turm entstand

Bewässern wie der Nebeltrinker-Käfer

Ein anderes hochinteressantes System für trockene Regionen basiert auf den Prinzipien der hydrophilen Haut des Namib-Nebeltrinker-Käfers. Mit seiner Hautstruktur ist das Insekt in der Lage, Wasser aus der Luftfeuchte zu gewinnen: Es bleiben Tautröpfchen an der Haut haften, die sich auf der Wasser anziehenden Oberfläche sammeln und über den Chitin haltigen Panzer in den Mund abfliessen. Der australische Designer Edward Linacre hat das Prinzip des Käfers auf ein Bewässerungssystem übertragen, das sich Airdrop nennt.

Airdrop © jamesdysonaward.org

Airdrop © jamesdysonaward.org

Über eine Turbine, die bei wenig Wind mit Solarstrom betrieben wird, fliesst Luft unter die Erde. Dort wird sie durch die Umgebungstemperatur abgekühlt. Das daraus enstehende Kondenswasser wird in einen Tank geleitet und über eine Niederdruckpumpe und halbdurchlässige Schläuche an Pflanzen verteilt. Die Schläuche liegen unter der Erde, nahe den Wurzeln, um vorzeitige Verdunstung zu verhindern.

Nach Berechnungen des Entwicklers lassen sich in übertrockenen Regionen aus einem Kubikmeter Luft bis zu 11,5 ml Wasser gewinnen.

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Jan30

Die Eigenschaften des Wassers sind von grundlegender Bedeutung für alles Leben.

Wasser mit der chemischen Formel H2ist das am häufigsten auftretende Oxid, das in allen drei Aggregatzuständen auf der Erde vorkommt. Es ist Lebensraum für viele Organismen, es ist Lösungsmittel für eine Vielzahl von Verbindungen wie Säuren, Basen und Salze und es ist auch Transportmittel. Die Struktur des Wassermoleküls und die Bildung von Wasserclusters beeinflussen die physikalischen, chemischen, elektrischen und optischen Eigenschaften.

Verkettung der Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen (1) zu einem Cluster © CC BY-SA 3.0

Verkettung der Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen (1) zu einem Cluster © CC BY-SA 3.0

Die physikalischen Eigenschaften des Wassers sind stark Temperatur- und Druck abhängig. Reines Wasser besitzt eine molare Masse von 18,0153 g/mol und unter Normaldruck bei 3,98 °C seine höchste Dichte von 0,999975 kg/dm³.

Die Oberflächenspannung, welche z. B. der Wasserläufer nutzt und die Viskosität des Wassers nehmen mit zunehmender Temperatur ab. Ebenso ist die Kompressibilität temperaturabhängig.

Wasserläufer © CC0

Wasserläufer © CC0

Die Eigenschaften des Wassers sind besonders von der dreidimensionalen Verkettung der Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen bestimmt. Ohne diese hätte eine Substanz mit einer so geringen molaren Masse wie Wasser ganz andere Eigenschaften. Dies gilt besonders für den hohen Schmelz- und Siedepunkt und die Dichteanomalie, welche die ungewöhnlichste Eigenschaft von Wasser darstellt. Während die meisten Substanzen mit abnehmender Temperatur dichter werden, ist das bei Wasser nicht der Fall. Es weist sein Dichtemaximum bei 4 °C auf und dehnt sich wieder aus, wenn man es weiter abkühlt. Das ist der Grund, dass Eis auf der Wasseroberfläche schwimmt – ein aus physikalischer Sicht ungewöhnlicher Vorgang.

Phasendiagramm von Wasser © CC 3.0

Phasendiagramm von Wasser © CC 3.0

Jede biochemische Reaktion findet in wässriger Lösung statt. Auch bei der Aufrechterhaltung des Elektrolythaushaltes, beim Stoffwechsel, beim Wachstum oder der Reproduktion ist Wasser im Spiel.

Zur Wasserhülle der Erde gehört das Wasser der Meere, das Wasser auf den Landflächen in Seen, Mooren, Flüssen, Teichen, das Wasser innerhalb der Lufthülle (Atmosphäre) und auch das Wasser innerhalb der Gesteinshülle (Lithosphäre).

Auch hier gibt es verborgene Eigenschaften des Wassers zu entdecken, die erstmals vom Naturforscher Viktor Schauberger (1885 – 1958) in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts beschrieben wurden. Er gilt heute als Pionier der modernen Wasserforschung und der ganzheitlichen Naturbeobachtung.

Für diejenigen, die mehr über die Geheimnisse oder unerforschten Eigenschaften des Wassers erfahren möchten, empfehlen sich folgende Filme:

Wasser, das unbekannte Wesen
Viktor Schauberger – Die Natur kapieren und kopieren
Die geheime Macht des Wassers

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Jan23

Man bezeichnet Wasser als blaues Gold und es ist durch nichts zu ersetzen. Bis jetzt wird es noch nicht im grossen Stil gehandelt, könnte aber eines der wichtigsten Rohstoffe des 21. Jahrhunderts werden.

Wasserfall: Rohstoff Wasser © CC0 Lizenz

Wasserfall: Rohstoff Wasser © CC0 Lizenz

Von den 1’400 Milliarden km³ Wasser sind nur drei Prozent Süsswasser. Zieht man das in den Gletschern und an den Polen gefrorene Wasser ab, bleibt noch etwa 1% Trinkwasser übrig. Als Rohstoff betrachtet wird Wasser nicht knapper, die Nachfrage danach steigt nur rasant und führt zur Verknappung.

Neue Technologien zur Nutzung teurerer Wasserquellen, wie Entsalzung von Salzwasser aus den Ozeanen oder gereinigte Abwässer, werden immer wichtiger, vor allem dort, wo kein direkter Zugang zu genügend Wasser besteht.

Der Wasserkreislauf @ gemeinfrei

Der Wasserkreislauf @ gemeinfrei

Der Wasserkreislauf ist mengenmässig der grösste Stoffkreislauf unserer Erde und weil es das zentrale Medium unserer “Klimamaschine” ist, erfüllt es zudem eine wichtige Funktion. In Bewegung gehalten wird der Kreislauf durch die Sonnenenergie und Schwerkraft. Und eine zeitliche Abfolge von Orts- und Zustandsänderungen (Hydrometeore, Niederschlag, Abfluss, Grundwasser) beschreibt im Weiteren die Zirkulation des Wassers in fester, flüssiger und gasförmiger Form in der Erdatmosphäre, auf der Erdoberfläche und im obersten Bereich der Erdrinde. So ist Wasser nicht nur die Voraussetzung für Leben, es schafft auch lokale Lebensräume und formt diese über Prozesse wie Erosion und Sedimentation.

Als Trinkwasser ist Wasser auch für den Menschen das wichtigste aller Lebensmittel. So verbraucht allein die Landwirtschaft etwa 75 % des verfügbaren Süsswassers für die Produktion von Nahrungsmitteln. Hinzu kommt, dass durch veraltete Technik und jahrhundertealte Rohre schätzungsweise bis zu 50 % der transportierten Wassermenge verloren geht. Weltweit, so schätzt die Unesco, wird sich das Wasserproblem verschärfen: 2050 werden sieben Milliarden Menschen mit Wasserknappheit konfrontiert sein.

Ein kleiner Einblick, wie wichtig der Rohstoff Wasser schon heute ist, gibt das Interview mit Urs Schnell zum Film und der Film selbst:
→ «BOTTLED LIFE» Das Interview zum Film
→ «BOTTLED LIFE» Der Film

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Jan16

In der als Atmosphäre bezeichneten Kugelsphäre der Erde entstehen durch das Zusammenwirken meteorologischer und optischer Gesetze faszinierende Erscheinungen von Abendrot über Himmelblau zu Halos, Höfen, Regenbögen, Polarlichter und vieles mehr.

Vertikaler Aufbau der Erdatmosphäre

Vertikaler Aufbau der Erdatmosphäre

Die unterste Lufthülle der Erde, die Troposphäre  besteht zu 76%  aus Stickstoff und 23% Sauerstoff. Die restlichen 1% teilen sich verschiedene Edelgase, Kohlendioxid und Wasserdampf. Dazu kommen Dunst- und Aerosolpartikel, die die Lichtschwächung beeinflussen.

Das Wettergeschehen selbst spielt sich vor allem in der Troposphäre ab. Es ist eine Schicht, die etwa 8 Kilometer an den Polen (wo sie im Winter bis zu 2 Kilometer niedriger ist als im Sommer) und 18 Kilometer am Äquator hoch reicht, wobei in noch höheren Schichten nur noch vereinzelt Wolken vorkommen, z. B. die leuchtenden Nachtwolken oder die faszinierenden Schauspiele der Meteore und Polarlichter.

Diese Erscheinungen lassen sich in Kategorien einordnen: Lichtbrechung an Wassertropfen, Brechung an Luftschichten, Beugung und Interferenzen, Lichtstreuung, selbstleuchtende Erscheinungen, sowie leuchtende Nachtwolken.

Das Phänomen der Polarlichter z. B. gehört zu den selbstleuchtenden Erscheinungen.

Aurora boreali, Island © Paul Morris, freie Nutzung

Aurora boreali, Island © Paul Morris, freie Nutzung

Oder die leuchtenden Nachtwolken sind Ansammlungen von Eiskristallen in der Mesopause, wo das absolute Temperaturminimum der Erdatmosphäre erreicht wird. Die meisten Sichtungen in Mitteleuropa gibt es von Anfang Juni bis Ende Juli, zur Zeit der Sommersonnenwende in der Dämmerung Richtung Norden.

Leuchtende Nachtwolken über dem Nationalpark Soomaa, Estland © Martin Koitmäe, eigenes Werk, GNU Free Documentation License

Leuchtende Nachtwolken über dem Nationalpark Soomaa, Estland © Martin Koitmäe, eigenes Werk, GNU Free Documentation License

Das Abend- und Morgenrot zählt man zu den Lichtstreuungseffekten. Die rote Farbe der Wolken entsteht, weil das Sonnenlicht an Luftmolekülen gestreut wird, wobei das blaue Licht sich stärker streut als das Rote. Für ein intensives Himmelsrot müssen viele Wassertröpfchen in der Atmosphäre vorhanden sein. Neben Wassertröpfchen können auch Staubteilchen z. B. von einem Vulkanausbruch farbige Dämmerungserscheinungen hervorrufen.

Abendrot © E. Zingg

Abendrot © E. Zingg

Lichtbrechung an Wassertropfen ruft den Regenbogen hervor. Das Sonnenlicht tritt in den Tropfen ein und wird dabei gebrochen. An der Innenwand des Tropfens wird ein Teil des Lichts reflektiert und tritt dann unter nochmaliger Brechung aus dem Tropfen aus. Die Farbverteilung des Regenbogens beruht darauf, dass der Brechungsindex des Wassers von der Wellenlänge des Lichts abhängig ist und so wird weisses Licht in seine einzelnen Farbkomponenten zerlegt.

Regenbogen © gemeinfrei

Regenbogen © gemeinfrei

Durch Lichtbeugung entstehen irisierende Wolken. Irisieren tritt häufig bei Wolken auf, die sich schnell bilden. Dann zeigen besonders die Ränder der Wolken eine purpurrote, blaue und grüne Farbe. Die Wassertröpfchen, die das Irisieren hervorrufen, sind sehr klein. Kleine Tröpfchen erzeugen grosse Kränze mit breiten Abschnitten gleicher Farbe. Die Tröpfchengrösse bestimmt die Grösse der Kränze, so dass die Farbe trotz gleichem Abstand zur Sonne unterschiedlich ist.

Irisierende Wolke © Brocken Inaglory, eigenes Werk, CC BY-SA 3.0

Irisierende Wolke © Brocken Inaglory, eigenes Werk, CC BY-SA 3.0

Wenn du das Tal sehen möchtest, steige auf den Berg.
Willst du die Bergspitze erblicken, schwinge dich zur Wolke empor.
Willst du jedoch die Wolke verstehen, schliesse die Augen und denke nach. Khalil Gibran

Viel Spass beim Beobachten des Himmels!

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Jan09

Von explosiver oder rapider Zyklogenese oder eben Bombogenese spricht man, wenn eine explosionsartige Senkung des Kerndrucks von mindestens 24 Millibar (100Pa) und mehr in 24 Stunden stattfindet. Eine Bombogenese entwickelt sich bei 60° geografischer Breite vorwiegend über dem Meer und dies nur im Winter.

Dieses Bild zeigt einen Sturm über der Bering-See, welcher sich zu einer Bombogeneses entwickelte © Satellitenaufnahme : NOAA / Uni. Wisconsin-Madison

Dieses Bild zeigt einen Sturm über der Bering-See, welcher sich zu einer Bombogenese entwickelte © Satellitenaufnahme : NOAA / Uni. Wisconsin-Madison

Dieses Wetterphänomen ist das Equivalent zu den tropischen Wirbelstürmen →  WIE ENTSTEHT EIN WIRBELSTURM?

Ein mächtiger Nor'easter März 2014 © Public Domain

Ein mächtiger Nor’easter März 2014 © Public Domain

Statistisch betrachtet kommt es im Bereich des Golfstromes und an der Nordostküste Asiens im Nordwestpazifik zu solchen Entwicklungen.

Ursache ist das Zusammentreffen von kontinentaler Kaltluft und feucht-warmer Meeresluft. Daher sind auch viele Nor´easter sogenannte “Bomben”.

Alle Stürme sind Zyklone. Der Begriff Bombogenese drückt aus, dass zwei Voraussetzungen gegeben sein müssen: wie bei einer Bombe kommt es zu einer explosiven Entwicklung und es bahnt sich ein Sturm an.

Ein Zyklon ist im Wesentlichen eine gigantische Luftsäule, die im Gegenuhrzeigersinn über der Nordhemisphäre aufsteigt. Durch den Aufstieg der Luft entsteht ein Vakuum, was zu einem tiefen atmosphärischen Druck im Kern führt.

Der Osten der Vereinigten Staaten durchläuft zur Zeit dieses Wetterphänomen.

Frozen Niagra Falls

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Die Lösung

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