Natürliche Ventilation der Schneedecke

Einleitung

Jede Schneedecke ist in ihrem Aufbau porös. Sie ist ein Zweiphasenmedium bestehend aus Schneekristallen als fester Phase und Luft/Wasserdampfgemisch als gasförmiger Phase. Oft kommt dazu noch flüssiges Wasser. Unter der natürlichen Ventilation ist die Bewegung von Luft in den Porenräumen der Schneedecke zu verstehen. In der oberflächennahen Schicht kommt es dabei zu einem Luftaustausch mit der darüber liegenden atmosphärischen Grenzschicht. Damit verbunden ist auch ein turbulenter Energiefluss durch den Transport von sensibler und latenter Wärme. In den tiefer liegenden Schneeschichten bewirkt die Ventilation einen internen Luftaustausch zwischen den Porenräumen.

Es werden zwei wesentliche Mechanismen für die natürliche Ventilation der Schneedecke unterschieden. (i) Eine Durchlüftung der Schneedecke über flachem Grund durch Druckschwankungen in der turbulenten atmosphärischen Grenzschicht. (ii) Durch grössere Hindernisse (Schneedünen und -wechten, Sastrugi, oder die Schneedecke im Gebirge) induzierte statische Druckunterschiede die ebenfalls eine Durchlüftung bewirken.

In einem Forschungsprojekt wurde die durch die turbulente atmosphärische Grenzschicht bewirkte Schneedeckenventilation im SLF Windkanal untersucht und festgestellt, dass die Durchlüftung gerade nur bis zu einer Tiefe spürbar ist, die der Längenskala der Oberflächenrauhigkeit entspricht. Über die Bedeutung von statischen Druckgradienten ist noch wenig bekannt.

Versuche im Windkanal

Ziel der Windkanalversuche war es, die Eindringtiefe der von turbulenten atmosphärischen Grenzschichtströmungen induzierten Ventilation zu bestimmen. Die Versuche wurden an natürlich abgelagerten Schneedecken sowie an künstlichen porösen Medien mit schneedeckenäquivalenten Permeabilitäten durchgeführt. Dazu wurden Schaumstoffmatten eingesetzt deren Textur im Gegensatz zu den natürlichen Schneedecken keinerlei Metamorphoseprozessen unterliegt. Ausgehend von der Hypothese, dass beide Arten Oberflächen die gleichen aerodynamischen Auswirkungen auf die bodennahe Grenzschicht haben, wurden Vertikalprofile der Horizontalgeschwindigkeiten gemessen. Bei der Anpassung der Windprofile an das logarithmische Wandgesetz wurden die zur bestmöglichen Übereinstimmung erforderlichen Versatzhöhen (in die poröse Oberfläche hinein) bestimmt. Da die Versatzhöhe den Schwerpunkt des Kraftangriffs im porösen Medium angibt, ist sie zugleich auch ein Mass für die Eindringtiefe der turbulenten Grenzschichtströmung.

Ergebnisse der Windkanaluntersuchungen

Der Vergleich der Ergebnisse mit den natürlichen Schneedecken hat zunächst die Eignung der eingesetzten künstlichen porösen Medien bestätigt. Die Untersuchungen ergaben Versatzhöhen von der Grössenordnung charakteristischer Schneeporenlängemasse im Bereich weniger Millimeter (< 20 mm). Im Analogschluss kann daraus gefolgert werden, dass die Eindringtiefe der turbulenten atmosphärischen Grenzschicht in die poröse Schneedecke hinein auf wenige Millimeter begrenzt ist. Die Messungen zeigten einen leichten Anstieg der Eindringtiefe mit zunehmender bodennaher Schubspannungsgeschwindigkeit und aerodynamischer Rauhigkeitslänge. In einer Parameterstudie konnte keine Abhängigkeit der Eindringtiefe von der Mächtigkeit der Schneedecke festgestellt werden. Der Grund hierfür liegt in dem relativ kleinen Verhältnis von Eindringtiefe zu Schichtmächtigkeit üblicher Schneedecken. Analoge Aussagen können auch für den turbulenten Energieein- bzw. -austrag sensibler und latenter Wärme formuliert werden. Die Ergebnisse unserer Windkanaluntersuchungen legen nahe, dass die durch die turbulente Grenzschicht induzierte Ventilation der Schneedecke nur von untergeordneter Bedeutung für den turbulenten Energie-, Impuls und Massenaustausch im Atmosphäre-Kryosphäresystem ist.

Kontakt

• Michael Lehning
  

Mitwirkende

Andy Clifton

Costantino Manes

Michele Guala

Versuchseinrichtung Windkanal