Infrastruktur
Kälte- und Klimakammern
Das SLF verfügt über fünf Kältekammern und eine Klimakammer. Die Kältekammern können unabhängig voneinander bei unterschiedlichen Temperaturen zwischen -35 °C und 0 °C betrieben werden. Sie werden für verschiedene Zwecke verwendet: Herstellung von naturidentischem Schnee, Durchführung von mechanischen, optischen oder thermodynamischen Versuchen, Durchführung von Computertomographien, Bearbeitung der Schneeproben (Sägen, Drehen, Bohren) und Lagerung von Schneeproben. Die Kältekammern sind ganzjährig in Betrieb und erlauben es der Schneeforschung, unabhängig von der Jahreszeit physikalische Versuche mit Schnee unter genau definierten Umgebungsbedingungen durchzuführen. Zudem können im Kältelabor Messinstrumente verwendet werden, die im Feld nicht eingesetzt werden können.
Neben der Grundlagenforschung, die Fragen zu den physikalischen Eigenschaften des Schnees in Zusammenhang mit dessen Materialstruktur beantworten soll, wird auch an spezifischen Fragen aus der Industrie geforscht. Dabei werden unter anderem Themen wie das Verhalten von Autoreifen auf Schnee, die Kristallbildung in Speiseeis, das Gleitverhalten von verschiedenen Skibelägen auf Schnee oder das Übersommern von Schnee untersucht.
Die Kältekammern sind temperaturüberwacht. Das Arbeiten in den Kältekammern erfordert besondere Arbeitsausrüstung. Dazu gehört ein Ganzkörper-Daunenanzug, Handschuhe, Wärmestiefel und Mütze.
Die Klimakammer erlaubt sowohl negative als auch positive Temperaturbereiche, und es kann die relative Luftfeuchtigkeit und Beleuchtung geregelt werden. Die Klimakammer wird unter anderem für das Züchten von Pflanzen in verschiedenen Bodenkulturen verwendet, welche danach im Windkanal des SLF bei Bodenerosionsversuchen benötigt werden.
Abb. 1: Kältekammer mit Temperaturüberwachung (links) und Züchten von Pflanzen in der Klimakammer für Bodenerosionsversuche im Windkanal (rechts).
Schneemaschine (SnowMaker)
Die Schneemaschine dient dazu, naturidentischen Schnee im Kältelabor bei reproduzierbaren Bedingungen herzustellen. Das Funktionsprinzip der Schneemaschine ist eigentlich sehr simpel. Kalte Luft wird mit Wasserdampf gesättigt. Diese Luft wird in eine kältere Kammer weitergeleitet und das weitere Abkühlen der gesättigten Luft führt dazu, dass Feuchte aus der Luft abgegeben werden muss. Bei der Schneemaschine, die bei Temperaturen unter 0°C betrieben wird, gefriert die überschüssige Luftfeuchtigkeit an gespannten Nylonfäden, die als Kondensationskeime dienen.
Die Schneemaschine bietet die Möglichkeit, den Übersättigungsgrad der Luft und die Temperatur der Kristallbildung zu kontrollieren. Dadurch können verschiedene Kristalltypen gezüchtet werden.
Der naturidentische Schnee aus dem SnowMaker unterscheidet sich stark vom Kunstschnee aus einer Schneekanone oder einer Schneilanze. Beim Kunstschnee wird fein zerstäubtes Wasser gefroren. Es bilden sich anstatt von Schneekristallen kleine, runde Eistropfen. Im Gegensatz dazu bilden sich beim SnowMaker Eiskristalle direkt aus der Gasphase des Wassers durch Resublimation, was der Entstehung von natürlichen Schneekristallen in einer Wolke sehr ähnlich kommt. Da sich die Schneekristalle in der Wolke frei bewegen können, bilden sich meist symetrische, 6-eckige Schneekristalle. An den Nylonfäden im SnowMaker hingegen wachsen die Schneekristalle bevorzugt nach unten, weshalb sich eher einzelne Schneeäste bilden. Trotzdem weist der naturidentische Schnee aus dem SnowMaker sehr ähnliche physikalische Eigenschaften auf wie der natürliche Schnee.
Abb. 2: Schneemaschine (links) und naturidentischer, dendritscher Schnee an den Nukleationsfäden (rechts).
Mehr Informationen zur Produktion von naturidentischem Schnee unter Projekte: Die Produktion von naturidentischem Schnee. Die Schneemaschine ist zwischenzeitlich umgebaut worden, das Prinzip hat sich jedoch nicht geändert.
SnowMicroPen (SMP)
Das SnowMicroPen ist das erste Gerät, das den Eindringwiderstand in den Schnee hochaufgelöst messen kann. Über einen piezoelektrischen Drucksensor, welcher mit Hilfe einer angetriebenen Zahnstange in die Schneedecke gefahren wird, misst man die Kraft, die die Schneestruktur dem Eindringen entgegensetzt. Diese wegaufgelöste Härtemessung gibt eine Vorstellung über die Schneedichte und die Schneestruktur und damit über die Schneeschichtung innerhalb der Schneedecke. Dank seiner hohen Auflösung kann das SMP auch sehr dünne Schichten bis zu einer Dicke von 0.5 mm erkennen, was mit freiem Auge oft nicht möglich ist. Ein weiterer grosser Vorteil dieses feldtauglichen Messgerätes ist, dass innerhalb kurzer Zeit die Schneedecke objektiv, das heisst unabhängig von der beobachtenden Person, charakterisiert und somit ein Schneedeckenprofil erstellt werden kann, ohne dabei Unmengen von Schnee zu schaufeln.
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Abb. 3: Feldtaugliches Instrument zur Messung des Eindringwiderstandes von Schnee (SnowMicroPen). Bei der Messung muss das Gerät vom Benutzer in Position gehalten werden. Die Steuerung des SMPs erfolgt über die umgehängte Kontrolleinheit.
Dünnschnitt-Mikrotom (Polycut)
Mit dem Dünnschnitt-Mikrotom können Schneepräparate bis zu einer minimalen Schichtdicke von ca. 50 µm hergestellt werden, so genannte Dünnschnitte. Mit diesen erhält man zweidimensionale Bilder der Schneestruktur, die, je nach Fragestellung, auf verschiedene Arten anaylsiert werden: Unter dem Mikroskop und mit dem Einsatz von Polarisationsfiltern werden einzelne Schneekörner und deren Korngrenzen sichtbar gemacht, mit einem Kristallorientierungsanalysator kann die Kristallorientierung bestimmt werden.
Zur Herstellung der Dünnschnitte im Kältelabor müssen spezielle Verfahrensweisen angewendet werden. Da die Schneeprobe nicht mechanisch eingespannt werden kann, muss sie mit einem nicht-wasserlöslichen Stoff auf einen Glasträger angefroren werden. Dabei ist es wichtig, dass der erwähnte Stoff einen Gefrierpunkt zwischen dem Schmelzpunkt von Eis (0°C) und der Labortemperatur (-15°C) aufweist, damit er sich zwischen dem Glasplattenträger und der Schneeprobe verteilen kann bevor er festfriert. Um die Dünnschnittprobe analysieren zu können, muss dieser Hilfsstoff allerdings wieder bei Temperaturen unter 0°C herausgelöst werden, ohne dabei die Eisstruktur zu beeinflussen.
Abb. 4: Dünnschnitt-Mikrotom mit Steuerung (links) und Dünnschnitte von Schnee auf einem Glasplattenträger, welcher mittels Vakuum auf dem Schlitten des Mikrotoms fixiert ist (rechts).
Abb. 5: Mikroskop für die Korngrenzenanalyse der Dünnschnitte (links) und die Visualisierung der Kristallorientierung einer Schneeprobe (rechts).
Computertomograph (CT)
Das SLF verfügt über zwei Röntgen betriebene Computertomographen der Firma SCANCO MEDICAL (http://www.scanco.ch/). Die Schneestruktur kann somit in einem zerstörungsfreien, bildgebenden Verfahren mit einer Auflösung von bis zu 10 µm dreidimensional analysiert werden. Nebst der Untersuchung von stationären Schneestrukturen können auch zeitabhängige Prozesse innerhalb der Schneestruktur (Schneemetamorphose) untersucht werden. Die Schneemikrostruktur spielt eine zentrale Rolle für das Verständnis der physikalischen Eigenschaften des Schnees (z.B. optisches, thermisches, mechanisches Verhalten) und bildet oft die Grundlage für theoretische Schneemodelle.
Schneeproben bis zu einem Durchmesser von 75 mm und einer Höhe von 100 mm können gescannt werden. Die Computertomographen selbst stehen im Kältelabor und werden standardmässig bei -20°C betrieben.
Abb. 6: Röntgen betriebener Computertomograph von SCANCO MEDICAL zur Untersuchung der Schneemikrostruktur.
Fotografie im nahen Infrarot (NIP)
Für die Fotografie im Nahen Infrarot (NIR) werden umgebaute Digitalkameras verwendet, in denen ein spezieller Filter alle Wellenlängen ausserhalb des NIR blockiert. Unterschiedliche Intensitäten im NIR-Bild bedeuten unterschiedliche Korngrössen des Schnees (bzw. unterschiedliche spezifische Oberflächen). Während ein Schneeprofilfoto im sichtbaren Licht kaum Kontraste aufweist, lassen sich mit NIR-Bildern die verschiedenen Schichten in der Schneedecke klar unterscheiden. Diese Methode kann bei der Feldarbeit sowohl für die schnelle Dokumentation von Schneeprofilen verwendet werden als auch, mit etwas mehr Aufwand, für die quantitative Analyse der Schneestruktur.
Abb. 7: Vorbereitungen für eine NIR-Fotographie eines Schneeprofils (links). Bild eines Schneeprofils, das im Nahen Infrarot aufgenommen wurde (rechts). Aus dem Bild können die einzelnen Schichten, auch sehr dünne Schichten, gut erkannt werden.
Metamorphose Apparatur
Die Apparatur, welche aus einer wärmeisolierten Box, einer Heizplatte und deren Steuerung besteht, wurde entwickelt, um für grössere Mengen von Schnee die Metamorphose steuern zu können. Dadurch ist es möglich, bei reproduzierbaren Bedingungen im Kältelabor Schnee auf- oder abbauend umzuwandeln und diesen anschliessend für Experimente zu verwenden. Zwei wesentliche Faktoren zur Steuerung der Schneemetamorphose sind die Raumtemperatur und der Temperaturgradient innerhalb der Schneeprobe, d.h. der Temperaturunterschied zwischen Schneeoberfläche und -unterseite. Dieser Temperaturgradient wird über die Heizplatte am Boden der Apparatur herbeigeführt.
SnowBreeder
Der SnowBreeder ist ein Instrument, um Schnee einem benutzerdefinierten und zeitabhängigen Temperaturgradienten auf einem bestimmten Temperaturniveau auszusetzen und somit die Schneemetamorphose zu steuern. Die spezielle Konstruktion des SnowBreeders ist nur für kleine Schneemengen ausgelegt, erlaubt aber dafür den Betrieb im Computertomographen. Dadurch eröffnet sich die einzigartige Möglichkeit, die Schneemetamorphose im Verlauf der Zeit und auf einer Mikrometerskala beobachten zu können ohne die Schneeprobe zu stören.
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