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Die Bewegung und Kohäsion in der Schneedecke
Mit 5 Bildern und 4 Skizzen.Von Max Oechslin.
Die Schneedecke ist etwas Lebendiges. Diesen Satz muss man sich als Skifahrer und Hochtourist einprägen, umfasst er doch die erste, grosse Warnung, die sich uns im Worte « Lawine » gegenüberstellt. Der Schneekristall, der aus der Luft zur Erde fällt, der die Schneeflocken bildet und die Schneedecke über Wiesen und Felder legt, auf Sträucher und Bäume und auf die Hügel und Berge, so dass die Landschaft ein völlig anderes Aussehen erhält und bisweilen an Erhabenheit gewinnt und von dieser machtvollen Ruhe des Winters erfasst wird, schon dieser Schneekristall bleibt lebendig und formt sich, kaum gebildet, wieder um. Der sechsseitig-symmetrisch, das heisst hexagonal gebaute Eiskristall erfährt infolge der Einflüsse von Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Gewicht der Schneeschichten und all der mannigfaltigen Einwirkungen der Umgebung eine Umwandlung. Wir dürfen im grossen und ganzen sagen, dass der vielgliedrige Kristall in der Umwandlung bestrebt ist, eine kugelige, körnige Form anzunehmen; die Verästelungen, welche dem ursprünglichen Schneekristall das märchenhafte Aussehen geben, werden gleichfalls « eingezogen », und der Kern wird grösser und dicker. In der Schneeschicht selbst, wo Kristall neben Kristall liegt, die Flocken, die aus Ganzkristallen und Kristalltrümmern bestehen und zusammengepresst werden, wird aber auch mancher Kristallteil von einem andern Kristall übernommen, so dass am Ende im umgewandelten Schnee an Stelle der Kristalle eine geringere Zahl von Schneekörnern zurückbleibt. Diese stete Umwandlung heisst man die Metamorphose, die einer Umkristallisation gleichkommt, sind doch auch in den rundlichen Schneekörnern noch die gleichen Licht-brechungserscheinungen vorhanden wie beim neugewachsenen Schnee-kristallkern. Je tiefer die Temperaturen sind, um so langsamer vollzieht sich diese Umwandlung. Je näher die Temperatur 0° steht, um so rascher ist sie, bei 0° und darüber tritt die Schmelzung des Kristalls ein, der Schneekristall wird zu Wasser. Auch haben die Untersuchungen gezeigt, dass « die Geschwindigkeit des Umwandlungsprozesses mit der Zeit abnimmt », wie wir dies ja bei der raschen Veränderung des gefallenen Neuschnees erkennen, während Altschnee sich nur langsam ändert. Aber die Metamorphose endet nie, sie geht im Firnschnee weiter bis zum Eis der Gletscher und dauert auch in diesem noch an ( Wachsen der Gletscherkörner mit dem Älterwerden des Eises bis zur Zunge, dem Abschmelzgebiet des Gletscherstromes ).
Aus diesem Umwandlungsprozess der einzelnen Schneekristalle ergibt sich die Bewegung für die ganze Schneedecke, welche in sich zusammensinkt, auf der Ebene sich setzt und auf der geneigten Fläche im langsamen Gleiten, Kriechen, gleichzeitig sich abwärts bewegt. Es kommen dabei starke Kräfte zum Ausdruck, die in verschiedener Weise noch bei erfolgter Ausaperung des Bodens gesehen werden können. Wo im Alpgebiet im Herbst noch Gras stehen blieb und eingeschneit wurde, ist dasselbe im Frühjahr, wenn der Schnee wegschmilzt, nicht nur in der Richtung des grössten Hanggefälles wie mit einem Strähl oder einer Bürste gleichgerichtet, sondern vielfach werden die Gräser, die in die Schneedecke eingefroren waren, ausgerupft, gelangen durch das Zusammensintern des Schnees in die tiefste Schicht und werden beim langsamen Gleiten zu Graswällen aufgerollt ( nicht zu verwechseln mit den innen hohlen Grasrollen, die von den Mäusen unter der Schneedecke gemacht werden und meist aus zerbissenen, zerrupften Grashalmen und Blättern bestehen ). Sträucher und Bäume werden durch die Schneelast und den kriechenden Schnee niedergedrückt, richten sich im Frühjahr wieder auf, behalten aber zum grössten Teil eine mehr oder weniger ausgeprägte Sichelform, wie dies im Kampfzonenwald des Hochgebirges überall beobachtet werden kann. Die Kriechkräfte der Schneedecke können so gross werden, dass Blöcke aus dem Boden herausbrechen, die geschlossene Erdoberfläche grosse Anrisse erhält, die in der Regel « halbmondförmig », nach unten geöffnet sind, im Gegensatz zu den durch den Kriechschnee gebildeten Stein- und Kiesmaden in Geröllgänden, wie sie in den Kalkgeröll-hängen der Windgälle ob Silenen besonders gut erkenntlich sind. ( Solche Geröllmaden können dadurch zu besonderer Gefahr werden, dass hinter ihnen bei Hagelwettern sich Wasseransammlungen bilden, die plötzlich ausbrechen und das Geschiebe mitreissen, sich mit tieferliegenden Ansammlungen vereinigen und zum Anfang einer Rüfi oder Ribi werden. Ribi = reiben, Geröllniedergang mit wenig Wasser; Rüfi, Geröll und Erde und Wasser vermengt; Mure, Niedergang von Erde und Wasser, Erdschlipf.Sogar feste Gegenstände werden durch den Kriechschnee im Verlauf der Die Alpen — 1942 — Les Alpes.2 Jahre völlig zerstört, wie zum Beispiel die eisernen Stützen eines Stachel-drahtverhaues einer Gebirgsbefestigung, wo T- und Winkeleisen hanggleich niedergebogen werden. Nur da, wo sich dem kriechenden Schnee eine scharfe, die Schneeschicht zerschneidende Kante entgegenstellt, gleitet der Schnee mehr oder weniger schadlos vorbei. Im Berndeutschen spricht man im Volksmund vom « Sueggischnee » und « Sueggen » ( Kriechschnee und kriechen ), in Glarus vom « Märtschenschnee », und im Urnerland versteht man unter « schläsmen » nicht nur das Nasswerden und Zusammensinken der Schneeschicht, sondern auch das Hangabwärtswandern der Schneemassen, welches grösser wird, wenn Föhnwetter und Frühjahrswärme die Schneeschicht durchgehend die Nulltemperatur erreichen lässt und die einsetzende Schmelze den Umwandlungsprozess steigert und beschleunigt, so dass auch die Kriechbewegung grösser wird.
Im Gebiet des Schnee- und Lawinenforschungsinstitutes der schweizerischen Schnee- und Lawinenforschungskommission auf Weissfluhjoch wurde im Jahre 1938 die Kriechbewegungsgeschwindigkeit mit Hilfe eines in die Schneeschicht ausgestochenen, röhrengleichen Loches untersucht. Das Loch wurde mit gefärbtem Sägemehl gefüllt, in welches in regelmässigen Abständen einzelne Ping-Pong-Kugeln eingelagert wurden, unter genauer Notierung der Lage derselben. Nach 66 Tagen wurde das Schneeprofil ausgestochen und die Verschiebung der einzelnen Kugel eingemessen, wobei erkannt werden konnte, dass in einem zum Hanggefälle stehenden bestimmten Winkel diese Kugeln abwärtsgekrochen waren bei gleichzeitigem Zusammensinken der Schneedecke. Ist die Oberfläche des Bodens beim Einschneien glatt, z.B. gefroren, oder wird deren Unebenheit im Verlauf des Einschneiens ausgeglichen, so gleitet, kriecht die gesamte Schicht gleichzeitig abwärts, d.h. in der Richtung des grössten Hanggefälles. Die Bewegung ist in den obersten Schneeschichten am grössten, in den untersten am kleinsten, ist also nicht auf der gesamten Hangfläche gleichmässig, sondern ändert sich in Stärke und Richtung nach jeder Bodenunebenheit, so dass in der Schneeschicht die vielfachen Bewegungsänderungen sich ergeben, welche zu Spannungen und Stauungen führen.
Wir versuchten, diese Kriechbewegung zu messen, indem wir eine Aluminiumplatte ( 30 x 50 cm rechteckig oder 40 cm Seitenlänge dreieckig ) in die Schneeschicht steckten und sie mit der Schicht « wandern » liessen. Die Platte ist mit einem Draht verbunden, der über die Achsentrommel einer Messuhr läuft, die gestattet, bis zu 1/20 mm Bewegung abzulesen ( Kriokine-meter ). Ein Gewicht hält den Draht straff. Wenn nun die Platte mit dem Schnee wandert, so wird der Draht mitgezogen, und die Uhr registriert eine entsprechende Bewegung. Gleichzeitig wurden mit den alle zwei Stunden erfolgenden Ablesungen die meteorologischen Momente notiert, wie Temperatur der Luft, Windstärke, Luftfeuchtigkeit, Schneetemperatur und spezifisches Gewicht des Schnees. Wir konnten bei einer grossen Reihe von Messungen Bewegungen ermitteln, welche 0,2 bis 26,5 mm in 24 Stunden betrugen. Die Besonderheit zeigte sich darin, dass die Kriechbewegung nicht kontinuierlich gleichmässig verläuft, sondern während Stunden ( und Tagen ) DIE BEWEGUNG UND KOHÄSION IN DER SCHNEEDECKE.
zunehmen kann, längere Zeit hindurch sich fast nicht ändert oder wieder kleiner wird. Es treten in der sich abwärts bewegenden Schneeschicht deshalb bei einer Zunahme der Bewegung wohl erhöhte Zugspannungen ein, bei einer Abnahme dagegen aber Stauungen. Es zeigt sich hier deutlich, dass in der Schneeschicht die Schneekristalle nicht lose nebeneinander liegen, sondern ineinandergreifen, sich gegenseitig berühren und in der Bewegung hemmen; es bildet sich die innere Reibung, die sogenannte Kohäsion ( im Gegensatz zur Reibung der gleitenden Schneeschicht gegenüber der Unterlage, auf der sich die Schneemassen bewegen ). So spielen der Zustand der Schneeschicht, sein spezifisches Gewicht und die Temperatur eine bedeutende Rolle. In keinem Fall darf aber angenommen werden, dass in einer Schneeschicht derartige « Ruhestellen » vorhanden sind, die zu einer « Verdichtung von Poren-Messuhr ( Kriokinemeter ), fester Punkt Platte in der Schneeschicht luft unter der luftdichten Harschdecke ( die aus Windschnee — Preßschnee entstanden sein kann ) » führt, wie dies in den « Alpen » beschrieben wurde ( Band XVI, 1940, Seiten 450/451 ). Eine derartige Schneeschichtbeschreibung zeugt von völliger Unkenntnis des wirklichen Zustandes in der Schneeschicht, die in steter Bewegung sich befindet und in der auf jeder Handbreite Luftkanäle vorhanden sind, durch welche eine Luftzirkulation stattfindet, die durch keine Harschschneeschichten unterbrochen wird, denn auch diese sind « durchlöchert »! Dies haben unsere Untersuchungen der Luftströmungen in der Schneeschicht vermittelst gefärbten Karbidgasen, Temperaturmessungen in Schichtprofilen von mehreren Metern Länge und in Messdistanzen von je 20 cm ergeben, sowie die Durchsickerungsuntersuchungen mit fuchsingefärb-tem Sickerwasser. Wenn eine « Fernauslösung » eines Schneebrettes stattfindet, so kann dies nur geschehen, indem in einer Zugzone oder in der Stauzone einer Schneeschicht die inneren Spannungen durchschnitten werden. Wir geben nachfolgend die Skizzen wieder, welche das allen Lesern zum nähern Studium bestens empfohlene Werk « Lawinen, die Gefahr für den Skifahrer » zur Veranschaulichung dieser Kriechbewegung beim Setzen der Schneeschicht enthält ( bearbeitet von der schweizerischen Schnee- und DIE BEWEGUNG UND KOHÄSION IN DER SCHNEEDECKE.
Schneeoberfläche vor der Setzung Höhe der Setzung»Schneeoberfläche nach der Si zu ig Horizontale Fläche. Sämtliche Punkte der Schneedecke bewegen sich beim Sili ungsvorgang senkrecht nach unten Boden Geneigte Bodenobet Hache a = Bewegung in der Hangrichtung b = Bewegung ia der Senkrechten. Setzen c = Kriechweh; Eiwegungsrichtung des Punktes A nach A'( re sp. D nach D ', G nach C ', B nach B '. Je nähe:- ir der Bodenoberfläche kommen, um so kleiner wird die Bewegung b, um so mehr fallen a und c zusammen ) Lawinenforschungskommission, herausgegeben v in der Geotechnischen Kommission der Schweizerischen Naturforscher.den Gesellschaft, 1940, Preis Fr. 3.90 ).
Die Ermittlung der Festigkeiten, welche innerhalb einer Schneedecke vorhanden sind, ist von besonderer Bedeutung. Dr. ing. R. Haefeli hat vermittelst einer sogenannten Rammsonde, welche nun in der Schweiz einheitlich für derartige Untersuchungen Verwendung findet, diese Festigkeits-untersuchungen eingeleitet. Die Rammsond ist ein Anticorodal-Rohr mit normalisierter Kegelspitze, welche mit einen Fallgewicht, dem sogenannten Rammbär, lotrecht in die Schneedecke eingetrieben wird. Je geringer die Einsinktiefe des Rohres in die Schneeschicht is um so grösser ist der Widerstand dieser Schneeschicht gegenüber der eindringenden Kegelspitze. Zur Berechnung des Ramm Widerstandes W ergil: itt sich die Formel
x ( R h ) W4R + Q )
Die BEWEGUNG UND KOHÄSION IN DER SCHNEEDECKE.
wobei bedeuten:
x = Zahl der Schläge, das heisst des Fallenlassens des Rammbären R = Gewicht des Rammbären h = Fallhöhe des Rammbären t = Eindringtiefe der Sonde in die Schneeschicht, an der Röhre in cm abgelesen Q = Gewicht der Rammsonde in kg Nimmt die Schneehöhe nach unten zu, so besteht beim Setzen der Schneeschicht die Tendenz zur Bildung von Zugspannungen Al—A'2 ist länger als Aj—A2 Fir Nimmt die Schneehöhe nach unten ab, so besteht beim Setzen der Schneeschicht die Tendenz zur Bildung von Druckspannungen A[—Ag ist kürzer als A1—A2 Nach: « Lawinen, die Gefahr für den Skifahrer », Seite 25. Herausgegeben von der Geotechn. Korn. der S. N. G.
DIE BEWEGUNG UND KOHASION IN DER SCHNEEDECKE.
Trägt man die auf diese Weise erhaltenen Werte W graphisch auf, so erhält man ein anschauliches Bild über die Festigkeitsverhältnisse in der ganzen Profilhöhe der Schneeschicht, in welcher man sogleich jene schwachen Stellen erkennt, bei denen die Spannungen derart gelöst werden können, dass unter diesen Schichten das Abgleiten der Schneebretter ( Lawinen ) erfolgen kann.
Zur Bestimmung der Kohäsion konstruierten wir ein Instrument, das uns mit Hilfe einer zweiteiligen, rechteckigen Rohre gestattet, eine Schneesäule von 50 oder 100 cm2 Fläche und 20 cm Höhe aus der Schneeschicht auszustechen. Die beiden Röhrenteile sind durch zwei Handgriffschrauben Rammprofil locker, pulverig j Neuschnee mittelhart bis hart JflIz'9 hart Harsch hart mittelhart hart Altschnee feinkörnig Harsch körnig, salzig weich Harsch hart Altschnee grobkörnig Boden zusammengehalten. Ist die Schneesäule ausgestochen, so wird diese mit der Röhre in einen Klemmtisch eingesetzt, und zwar derart, dass der untere Röhrenteil festgeklemmt, der obere dagegen mit einem Hebel mit einer Federwaage verbunden werden kann. Ist die Röhre festgeklemmt, so werden die beiden Handgriffe so gelöst, dass die Schneesäule keine Störung erfährt und der obere Röhrenteil nur noch durch die Schneesäule gehalten wird. Mit einer Kurbel wird nun die Federwaage angezogen und die Zugkraft auf die obere Röhrenhälfte übertragen, bis der Aforiss der Schneesäule erfolgt. Die Federwaage besitzt eine Skala bis zu 27,000 Gramm, mit 50 Gramm Ab-lesemöglichkeit und einem Stellzeiger, der im Moment des Abreissens das Schergewicht markiert, d.h. diejenige Zugkraft, die notwendig ist, um die Schneesäule zu zerreissen. Ist der Abriss erfolgt, so wird mit einem Mikroskop von 10facher Vergrösserung und eingebautem Millimeter-Quadratnetz die Scherfläche untersucht und die Kristallkorngrösse bestimmt. Gleichzeitig werden die Temperaturen des Schnees und der Luft und das spezifische Gewicht des Schnees bestimmt, damit die verschiedenen Daten einander gegenübergestellt und die Zusammenhänge gefunden werden können. Die bisherigen Untersuchungen haben gezeigt, dass die Schneestruktur auf die Schneekohäsion von grösstem Einfluss ist. Neuschnee besitzt die geringste Kohäsion, Pulverschnee, bei welchem zwischen den einzelnen Schneekristallen fast jeglicher Zusammenhang fehlt, oder der nassfilzige Schnee, wo ebenfalls die gegenseitige Reibung der Schneeteilchen eine äusserst kleine ist. Sobald die Verkörnung des Schnees eingesetzt hat, das Sichsetzen der Schneeschicht, und solange die Tieftemperaturen vorhanden sind, d.h. die Schneetemperatur unter null Grad steht und das durch Druck oder bei vorübergehender Schmelze sich bildende Wasser gefrieren und gleichfalls als Kittmasse sich auswirken lässt, nimmt die Kohäsion zu und nimmt erst wieder ab, wenn sich die grobkörnigen, weichen Schneeschichten bilden ( Salzschnee ) oder die becherförmigen Kristalle des Schwimmschnees oder durch Schmelze die Durchnässung der Schneeschicht eintritt ( Schmierschnee ).
Die nachfolgende Tabelle zeigt ein Beispiel für die Änderung der Kohäsion einer Schneeschicht im Verlauf eines Winters, d.h. vom 12. November 1937 bis 28. Februar 1938. Die Scherkräfte geben jeweils das Mittel von fünf Messungen und zeigen, wie mit dem Älterwerden des Schnees die Kohäsion steigt, besonders deutlich bei der Schneeschicht 5, bei der die Scherkraft von 895 Gramm für den Neuschnee vom 7. Januar auf 16,080 Gramm am 28. Februar 1938 angestiegen war, bei der Umwandlung von Pulverschnee ( filzig ) zu feinkörnigem Altschnee. Dagegen zeigen die Schichten 2 und 4 einen Rückgang der Scherkräfte, da der Schnee sich zu grobkörnigem Altschnee änderte.
Verfolgen wir den Verlauf des Schneefalles vom 7. Januar 1938, so können wir folgendes notieren: Am Morgen dieses Tages fiel eine Schicht von 14 cm Neuschnee, pulverig, bei einer Lufttemperatur von —5° C. Am Nachmittag folgte zuerst ein grossflockiger Schneefall bei steigender Temperatur, bis —1° C, am Spätnachmittag bei wieder fallender Temperatur und leichtem Nordwest ein Schneefall feinflockiger Art, zusammen 34 cm. Die Kohäsionsmessungen am 2. Januar und den spätem Untersuchungstagen ergaben nun folgende Daten:
Nach 2152952 Tagen Scherkräfte:
Schicht des Morgens.. 2865 9160 91805520 » Spezifisches Gewicht:
obere Schicht des N.. .0,1201o„runtere Schicht des N. .O.lOoJ30521310 Schicht des Morgens. .0,2250,3900,240 0,420 Mit der Zunahme des spezifischen Gewichtes stieg auch die Scherkraft, solange nicht die Metamorphose des Schnees zu grobkörnigen Kristallen führte.
DIE BEWEGUNG UND H:OHÂSION IN DER SCHNEEDECKE.
Schneeprofile 1937/1938. Auf Grossberg, 1640 in ti.M., Gemeinde Bürglen Schneefall vom 13. II. 1938 — 9,2 0,120 620 Schneefall vom 31. I. 1938 — 4,0 0,030 807,7 0,200 4480* Schneefall vom 19. und 20. I. 1938 — 2,0 0,120 \ 0,125 430 0,260 10,680 525 — 3,6 — 1,8 Schneefall vom 7. I. 1938 __31 0,120 4601.7 0,20 :; 4000 "
0,195 2640 — 1,4 0,228 3950?
— 2,2 0,100 — 0.5 1 > 7 895 0,305 6970 0,210 14500 — 1,8 0 310 Schneefall vom 8.10. XII. 1937 — 7,01,2 n i 16080 0,135 0,225 1,0 490 2865 916 i 0,240 9180 0,420 5520 0,190 2950?
.'Schneefall vom 12. XI. 1937 — 2,1 0,220 3200 — 0,2 0,160 9000,2 0,130 850 — 0,2 0,140 900 Untersucht am 11. XII. 1937 9. I. 1938 22. I. 1938 5. II. 1938 13.11.1938 und 28.11.1938 11 10 1. Zahl = Schneetemperatur 2. » = Spez. Gewicht des Schnees 3. Zahl = Scherkraft für 100 cm2 * Windgepresst Wenn wir diese Ergebnisse des Schneekriechens und der Schneekohäsion vor Augen haben, dann können wir verstehen, lass ganze Schneeschichten langsam über eine Dachkante hinausgleiten können, ohne abzubrechen, und dass ein ganzer Schneehang ins langsam«: G leiten kommen kann, ohne eine Lawine zu bilden, dafür aber die Schneeschicht geradezu aufzurollen vermag, wie dies aus den Bildern ersichtlich ist So trafen wir am 26. November 1939 unterhalb Obfluh, Gemeinde Spiri ngen, auf einem süd-südwest exponierten Wiesenhang eine Schneeschicht von durchschnittlich 32 cm Mächtigkeit auf einer Breite von 170 m und etwa 100 m Hanghöhe in Kriechbewegung. Auf Grossberg registrierten wir für das Nachbargebiet 43 cm Neuschneefall vom 20. November, der auf Altschnee von ca. 10 cm mittlerer Höhe ruht, dessen Oberfläche durch Wind und Sonne leicht verharscht war.
Direkt über dem Boden lag eine Schwimmschneeschicht von ca. 2 cm Mächtigkeit. Die am Obfluhhang in Bewegung befindliche Schneemasse zeigte am 26. November Temperaturen von —0,7° C. in Bodennähe,-3,0° C. in 15 cm Höhe über dem Boden und 5 cm unter der Schneeoberfläche, d.h.c.a. 27 cm über dem Boden,2,8° C. Die Kohäsionsmessungen ergaben im Mittel eine Scherkraft von 6200 Gramm pro 100 cm8 für den am 20. November gefallenen Schnee, während am 21. November die Scherkraft für den Neuschnee auf Grossberg 1920 Gramm per 100 cm2 betrug. Die Kohäsion hatte demnach innert fünf Tagen sehr stark zugenommen, so dass beim Eintritt geringerer Tieftemperatur die ganze Schneeschicht auf dem Schwimmschnee abrutschen konnte, ohne zu zerreissen oder ohne ins rasche Gleiten zu kommen, besass doch auch die unterste Altschneeschicht von ca. 10 cm Mächtigkeit noch eine Scherkraft von 1780 Gramm pro 100 cm2. Dadurch ergaben sich in der gleitenden Schneeschicht sehr grosse Zugspannungen und Stauungen, welche zur Bildung von ganz ausserordentlichen Schneewellen und Schneerollen von bis über einem Meter Höhe führten.
Mögen diese Hinweise den Leser zur eigenen Beobachtung anregen, wobei ihm nochmals empfohlen sei, das Handbuch « Lawinen, die Gefahr des Skifahrers » zu erwerben und als ein wertvolles Lehrbuch zu lesen!