Temperaturunterschiede in der
Schneedecke sind in der Natur praktisch immer der Grund dafür, dass trockener
Schnee sich umwandelt. Die sogenannte Schneemetamorphose verändert Neuschnee
innerhalb von wenigen Tagen. Sie kann zur Bildung von schwachen Schichten führen
und ist somit auch für die Entstehung von Lawinen entscheidend. Seit einigen
Jahren untersucht das SLF die Schneestruktur und ihre Metamorphose mit
Mikro-Computertomographie im Kältelabor (in-situ).
Beispiel
Tiefenreif
Bei
der Schneemetamorphose wandelt sich ein Kristall in einen neuen um. Tiefenreif
ist die auffälligste Schneeform, die sich dadurch am Boden bildet. Sie ist
charakterisiert durch ihre ausgeprägten becherförmigen Kristalle. Bis vor kurzem gingen die Schneeforscher
davon aus, dass die grössten Kristalle auf Kosten der kleinen wachsen und dabei
ihren Kern, die umgewandelte Schneeflocke, behalten.
Abb. 1: Ein typischer, aus seinem Verbund gelöster, Tiefenreifkristall
(ca. 2.5 mm hoch). Die kantige Fläche unten ist die Wachstumszone, der obere
rundliche Teil ist zum Teil am sublimieren.
Schneemetamorphose erstmals sichtbar gemacht
Mit vier-dimensionaler
Mikro-Computertomographie konnten nun B. Pinzer, M. Schneebeli und T. Kämpfer
die Bildung von Tienfreif erstmals direkt beobachten (s. Film).
Dabei fanden sie überraschenderweise
einen völlig anderen Mechanismus als bisher vermutet: Alle Kristalle wurden
mehrfach vollständig sublimiert („abgebaut“) und an anderer Stelle wieder „aufgebaut“.
Während des dreiwöchigen Experiments wandelten sich die Kristalle sechs- bis
siebenmal vollständig um. Die Lebensdauer eines Schneekristalls betrug somit
2-3 Tage.
Abb. 2: Die Lebensdauer der Kristalle während eines Experiments nach 9,
18 und 27 Tagen (von oben nach unten). Nur ganz wenig Eis ist älter als 8 Tage,
so der oberste Teil des Tiefenreifkristalls im untersten Bild. 60% des Eises
erneuert sich innerhalb von 2-3 Tagen.
Dampffluss bleibt konstant
Die Wissenschaftler konnten während
der Metamorphose auch den Dampffluss erstmals direkt messen. Obwohl sich die
Form der Kristalle sehr stark änderte, wurde immer gleich viel Wasserdampf
transportiert, d. h. der Dampffluss blieb während des ganzen Experimentes
konstant. Diese Art von Transport wird als „Hand-zu-Hand“ Transport bezeichnet,
Z. Yosida und Kollegen konnten ihn
erstmals in den 1950er Jahren beobachten. Ihre indirekten Messungen des
Dampfflusses waren allerdings zu hoch, was zu der bis heute andauernden
Kontroverse führte, ob die Wasserdampf-Diffusion im Schnee grösser ist als in
der Luft. In diesem neuen Experiment konnten die SLF-Wissenschaftler diese
Frage nun klären: Die Diffusion im Schnee ist eine physikalische Konstante und
damit gleich wie zwischen zwei Eisplatten.
Schneemetamorphose
nahe der Oberfläche
Die Schneeschichten nahe der Oberfläche spielen eine entscheidende Rolle
sowohl bei der späteren Bildung von Schwachschichten als auch für fotochemische
Prozesse innerhalb der Schneedecke. An der Schneeoberfläche kann sich nicht nur
der Temperaturgradient ändern, sondern auch dessen Richtung. Mit anderen Worten:
Manchmal ist es an der Oberfläche wärmer als in der Schneedecke und wenige
Stunden später kann es umgekehrt sein. Mit hochauflösender Computertomographie
analysierten SLF- Wissenschaftler im Labor in weltweit einzigartigen
Experimenten, wie ein Temperaturgradient, der die Richtung wechselt, die
Schneemetamorphose beeinflusst.
60% des Schnees
wandelt sich um
Dabei wurde
Neuschnee einem zyklischen Temperaturgradienten von ± 90 Grad pro Meter
ausgesetzt, so wie er an klaren Wintertagen in ca. 10 cm Tiefe auftritt.
Innerhalb von 12 Stunden wandelte sich 60% des gesamten Schnees um. Diese
Umkristallisation führte zu grösseren und weniger verbundenen Schneestrukturen.
Die Schneekristalle wurden dabei in ärmchenförmige, abgerundete Kristalle
umgeformt, nicht jedoch in kantige Formen (Abb. 3).
Abb. 3: Schneekristall zu Beginn und am Ende des Experimentes nach 14 Tagen im
gleichen Massstab. Während dieser Zeit betrug die Amplitude des sinusförmigen
Temperaturgradienten konstant 90 Grad pro Meter.
Bei einer Umwandlung
in eher längliche Strukturen bleibt der Schnee weich wie Neuschnee, obwohl
seine Struktur nun eine ganz andere ist. So erscheint der Schnee dem Skifahrer
fast wie Neuschnee. Würde der Schnee zu kugeligen Formen abgebaut, würde er
sich viel stärker setzen und dabei härter werden. Die länglichen, im Vergleich
zu Neuschnee weniger verbundenen Strukturen sind aber auch eine brüchige
Unterlage und können später, wenn Schnee darauf fällt, zu einer Schwachschicht
werden, auf der sich Lawinen bilden können.
Pinzer, B. R., Schneebeli, M., and Kaempfer, T. U.
(2012) Vapor flux and recrystallization during dry snow metamorphism under a
steady temperature gradient as observed by time-lapse micro-tomography, The
Cryosphere, 6, 1141-1155, doi:10.5194/tc-6-1141-2012. >>
Pinzer, B. R., and M. Schneebeli (2009), Snow metamorphism under alternating
temperature gradients: Morphology and recrystallization in surface snow, Geophys.
Res. Lett., 36, L23503, doi:10.1029/2009GL039618. >>
