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Wer verstehen möchte, wie sich die Eigenschaften des Schnees auf die Lawinenbildung auswirken, muss sich mit der Mikrostruktur des Schnees befassen. Schon kleine Veränderungen in der Schneemikrostruktur haben einen grossen Einfluss auf das Verhalten der Schneedecke und die Lawinenbildung. Da Schnee meist sehr nahe an seinem Schmelzpunkt ist, wandeln sich die Schneekörner permanent um. Diese Veränderung der Mikrostruktur wird als Schneemetamorphose bezeichnet. Entscheidend sind die Temperaturbedingungen in der Schneedecke, denn sie bestimmen, wie sich Schnee während der Schneemetamorphose verändert. Bei ähnlicher Temperatur entsteht eine eher runde kompakte Schneestruktur. Weitaus häufiger gibt es allerdings vertikale Temperaturunterschiede in der Schneedecke. Unter diesen Bedingungen entstehen grosse, kantige Kristalle, deren Extremform man als Tiefenreif bezeichnet (Abb. 1). Zwischen diesen kantigen Schneekörnern gibt es wenig Verbindungen, daher ist ihre Struktur schwächer. Schichten aus kantigen Schneekörnern bilden oft für die Lawinenbildung verantwortliche Schwachschichten. Bei einer plötzlichen Belastung der Schneedecke, z.B. durch einen Skifahrer, können diese Verbindungen brechen.
Gleichzeitig mit der Schneemetamorphose setzt sich der Schnee – beide Prozesse laufen gleichzeitig ab und beeinflussen sich gegenseitig. Beobachtungen in der Natur zeigten, dass unterschiedlichen Schneearten die Setzung des Schnees beeinflussen: Tiefenreif setzt sich langsamer als runder Schnee. Mareike Wiese, Doktorandin aus der Forschungsgruppe Schneephysik, setzte sich zum Ziel, zu überprüfen, warum sich die unterschiedlichen Schneearten unterschiedlich schnell setzen.
Laborexperimente zeigen Strukturveränderungen im Schnee
Mit einem neuen, am SLF entwickelten Gerät, dem Snowbreeder 5 (Abb. 2), setzte die Forscherin Schneeproben unterschiedlichen Temperaturbedingungen im Labor aus, während ein Gewicht auf der Schneeprobe zur Setzung führte. Ein Laser mass die Setzung des Schnees. Gleichzeitig scannte Wiese die Schneeprobe in regelmässigen Zeitabständen mit Röntgenstrahlung im Computertomograph. Dadurch entstanden 3-D-Bilder der sich verändernden Schneestruktur.
Die Resultate zeigen, dass vertikale Temperaturunterschiede innerhalb der Schneeprobe die Setzung des Schnees im Vergleich zu einer konstanten Temperatur um 50% verlangsamen. In den 3-D Bildern wurde sichtbar, dass sich während der Schneemetamorphose vertikale Strukturen im Schnee bildeten (Abb. 3). Diese Strukturen sind vergleichbar mit Säulen in Bauwerken. Im Schnee verringern sie die Setzung und Verdichtung. Die vertikalen Strukturen können zwar das Eigengewicht des Schnees tragen, aber gleichzeitig können diese Verbindungen auch leicht brechen, wenn sie seitlich durch Scherkräfte belastet werden. Bei konstanter Temperatur bilden sich hingegen keine ausgeprägte vertikalen Strukturen, wodurch sich der Schnee schneller setzt. Da es in dichtem Schnee mehr Verbindungen gibt, sind derartige Strukturen fester.
Details zum Projekt
Projektdauer
2013 - 2017