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Windverfrachtung und Ablagerung von Schnee sind wichtige Prozesse, um Schnee- und Eismassen im Gebirge und in den polaren Regionen abzuschätzen. Die Windkanäle des SLF bieten ideale Voraussetzungen, um diese Dynamik der Schneedecke zu erforschen.
Das Windkanallabor befindet sich in Davos auf 1645 m ü. M. und ist das höchstgelegene seiner Art in ganz Europa. Hier können wir Windexperimente unter kontrollierten Bedingungen mit vor Ort gefallenem Schnee durchzuführen. Zusammen mit bildgebenden Techniken lässt sich dadurch untersuchen, welche Massen und Energieaustauschprozesse zwischen Schnee und Atmosphäre stattfinden und wie diese physikalisch zu erklären sind.
Im Winter, wenn die Temperaturen im Windkanal unter 0° C liegen, nutzen wir den langen Windkanal vorwiegend für Versuche zur Schneeverfrachtung. Im Sommer führen wir auch Experimente mit Sand durch, um neue Messgeräte zu testen oder um zu vergleichen, wie sich Sand- und Schneekörner in einem Luftstrom verhalten. In der Vergangenheit haben wir in diesem Windkanal auch getestet, wie sich eine Pflanzendecke auf die Verfrachtung von Schnee- und Sandkörnern auswirkt.
Im Windkanal kann eine Strömungsgeschwindigkeit von bis zu 20 m/s erzeugt werden. Der Versuchsbereich ist 14 m lang und hat einen Querschnitt von etwa 1 Quadratmeter mit höhenverstellbarer Decke, so dass wir den Druck im Innern des Kanals über die gesamte Länge steuern können.
Um möglichst realitätsnahe Windturbulenzen dicht über der Schneeoberfläche zu generieren, befindet sich am Eingang des Windkanals eine 4 m lange Zone mit Flügelblättern und Rauhigkeitselementen am Boden. Je nach Ziel der Untersuchung lassen sich die Anordnung dieser Elemente und die dadurch entstehende Turbulenz anpassen. Gemessen wird am Ende des Kanals. Die Abmessungen des Windkanals ermöglichen ausserdem, auch die Strömung über komplexen Geländeformen zu untersuchen.
Seit seiner Inbetriebnahme haben wir im Windkanal viele Messtechniken für unterschiedliche Zwecke entwickelt und angewendet. Zurzeit arbeiten wir mit folgenden Techniken:
- Schneepartikelzähler, SPC (1D, 1 Hz)
- Digitale Shadowgraphie (2C 2D, Hz - kHz)
- Strömungsgeschwindigkeit
- Ultraschall-Anemometer (1D - 20 Hz)
- Heissdraht-Anemometer (1D 2C - kHz)
- Flügelradanemometrie (1D - 0,5 Hz)
- Kinect Infrarotsensor (3D - 1 Hz)
- Irwin-Sensoren
- Statische und dynamische Druckmessungen
- Zudem werden kontinuierlich Luftdruck, -feuchtigkeit und -temperatur überwacht.
Bei Bedarf messen wir die Härte und die Schichtung der Schneedecke zusätzlich mit dem SnowMicroPen. Es können auch Schneeproben genommen werden, um die Dichte des Schnees zu bestimmen oder um sie im Kältelabor in dem Computertomographen zu untersuchen.
Die spezielle runde Form dieser Anlage macht es möglich, eine unendlich lange Schneefläche zu simulieren. Dies ist wichtig bei Versuchen, in denen sich die beobachteten Prozesse langsam abwickeln (mehrere Minuten bis zu mehreren Stunden), zum Beispiel wenn sich eine Windkruste bildet.
Der Propeller eines Modellflugzeugs erzeugt den Luftstrom im Windkanal. Er hat einen Durchmesser von 16 cm und dreht sich bis zu 12’000 Mal pro Minute. So können Windgeschwindigkeiten von bis zu 7 m/s erreicht werden. Der Kanal ist 20 cm breit und 50 cm hoch. Seine Aussenmasse betragen 1.5 m Breite und 2.5 m Länge.
Die Anlage ist mit einem automatischen Datenerfassungssystem ausgerüstet, das mit LabVIEW arbeitet. Das System überwacht Parameter wie Windgeschwindigkeit, Luftfeuchtigkeit und -temperatur an verschiedenen Orten und die Temperatur bzw. die Oberflächentemperatur des Schnees. Die Windgeschwindigkeit und in gewissem Masse auch Luftfeuchtigkeit und -temperatur lassen sich bei Bedarf regeln. Um die Schneeoberfläche zu beobachten, ist der Windkanal zudem mit einer Highspeed Kamera und einem Kinect Infrarotsensor ausgestattet. Es lassen sich mühelos auch noch weitere Instrumente installieren, da die Abdeckung des Windkanals entfernt werden kann. So wird auch regelmässig während der Experimente die Härte des oberflächennahen Schnees mit einem SnowMicroPen gemessen.