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Schneeeigenschaften beeinflussen, wie sich Lawinen verhalten

Schneelawinen bedrohen weltweit viele bewohnte Bergregionen. Bereits kleinere Lawinen können Verkehrswege gefährden, Güter beschädigen oder gar Menschenleben fordern. Dabei kommen sie in ganz unterschiedlicher Gestalt daher, sei es in Form von Pulverschneelawinen bis hin zu Nassschneelawinen. Welches dieser Fliessregime sich ausbildet, scheint grossteils von den Eigenschaften des Schnees im Anriss und entlang der Lawinenbahn abhängig zu sein - eine Hypothese, die bisher jedoch noch kaum wissenschaftlich überprüft wurde.

Schneetemperatur beeinflusst Geschwindigkeit

Diese Doktorarbeit im Rahmen des STRADA-Projektes hat zum Ziel, die Schneeeigenschaften mit der inneren, körnigen (granularen) Struktur von Lawinen und damit deren Fliessdynamik zu verknüpfen. In einem ersten Schritt ermittelten wir die Parameter der Schneedecke, welche verantwortlich sind dafür, wie weit und wie schnell sich die Lawine bewegt. Dazu wählten wir fünf Lawinen mit ähnlicher Ausgangsmasse und Topographie, jedoch unterschiedlicher Fliessdynamik aus der Datenbank der Vallée de la Sionne-Versuchsfläche. Für jede dieser Lawinen rekonstruierten wir die Schneeeigenschaften mit dem drei-dimensionalen Oberflächenprozessmodel Alpine3D und dem Schneedeckenmodell SNOWPACK. Die Daten der untersuchten Lawinen zeigten, dass die finale Schneemasse der Lawine hauptsächlich von der aufgenommenen Masse entlang der Bahn abhängt und beeinflusst, wie weit hinunter sich die Lawine bewegt. Sie wirkt sich jedoch nicht auf die Geschwindigkeit an der Lawinenfront aus. Als wichtigster Faktor für die Frontgeschwindigkeit sowie die Ablagerungsstrukturen der Lawine stellte sich die Schneetemperatur heraus. Sie beeinflusst auch, ob sich eine Pulverwolke entwickelt oder nicht. Als kritischer Wert für Änderungen im Fliessverhalten identifizierten wir eine Temperatur des fliessenden Schnees von -2°C.

Verschiedene Ablagerungsstrukturen  
Abb. 1:  bei einer kalten (links) und einer warmen (rechts) Lawine auf der Versuchsfläche im Vallée de la Sionne.  

Weshalb und wie stark erwärmt sich eine Lawine unterwegs?

Um die Temperatur des fliessenden Schnees genauer zu bestimmen und abzuschätzen, woher die thermische Energie in einer Lawine kommt, führten wir in einem weiteren Schritt Feldversuche mit künstlich augelösten Lawinen durch. Mithilfe von Schneetemperaturprofilen entlang der Bahn und in der Ablagerungszone bestimmten wir die Temperatur der unterwegs erodierten Schneeschichten. Mittels Infrarot Thermographie (IRT) konnten wir ausserdem die Oberflächentemperatur des Schnees vor, während und nach dem Lawinenabgang räumlich hoch aufgelöst erfassen. Basierend auf diesem Datensatz liess sich die thermische Bilanz von der Anrisszone bis zur Ablagerung bestimmen. Dabei stellten wir fest, dass sich die untersuchten trockenen Lawinen infolge von Reibung pro 100 Höhenmeter um rund 0.5°C erwärmten. Als zweite wichtige Quelle der Wärmezufuhr entpuppte sich der unterwegs mitgenommene Schnee. Dort variierte die Erwärmung jedoch stark für die einzelnen Lawinen, abhängig von der Temperatur des Schnees entlang der Lawinenbahn und der Erosionstiefe. Die Bandbreite reichte von beinahe keiner Erwärmung bis hin zu 1°C, wobei die höchsten Temperaturen in der Ablagerung des Fliessanteils einer Lawine auftraten.

Video 1: Zwei Lawinen, aufgenommen von einer Wärmebildkamera am Flüelapass oberhalb von Davos.

Dank Betonmischer kritische Temperatur bestimmt

Besonders dann, wenn die Temperatur des fliessenden Schnees nahe beim Schmelzpunkt liegt, unterscheidet sich die granulare Struktur von Lawinenschnee oft deutlich. Um herauszufinden, wie diese tatsächlich mit der Temperatur zusammenhängt, führten wir eine Reihe von Experimenten mit einem normalen Betonmischer bei konstanter Rotationsgeschwindigkeit, aber variierender Schneetemperatur und Wassergehalt durch. Die Experimente zeigten, dass sich Granulare nur bildeten, wenn der Schnee wärmer als -1°C war.

Granulationsexperimente in einem Betonmischer
Abb. 2: Granulationsexperimente in einem Betonmischer für a) kalten/trockenen Schnee, b) feuchten Schnee und c) nassen Schnee.

Video 2: Ein Zeitlupenvideo von Schneekörnern, die sich in einem Betonmischer unter feuchten Schneebedingungen bildeten.

In Zukunft Lawinenvorhersage möglich?

Diese Arbeit verdeutlicht, wie wichtig die Schneetemperatur ab einem kritischen Grenzwert von -1°C für die Fliessdynamik von Lawinen ist. Die Ergebnisse aus den Experimenten und verschiedene

Modellberechnungen erlauben, die granularen Strukturen, die oft in Ablagerungen von Lawinen mit verschiedenen Temperaturregimes beobachtet werden, zu erklären.

Sobald Lawinendynamikmodelle unterschiedliche Schneeeigenschaften beinhalten, könnte es in Zukunft möglich sein, diese mit einem Schneedeckenmodell wie Alpine3D and SNOWPACK zu verknüpfen. Damit liessen sich Auslaufdistanz, Geschwindigkeit und Druck für eine Lawine unter den vorherrschenden Schneeverhältnisse für verschiedene Wetterbedingungen oder gar Klimaregionen berechnen. Verknüpft man diese Modelle zusätzlich mit einem Wettervorhersagemodell wie COSMO, könnte es in ferner Zukunft gar möglich sein, das Verhalten von Lawinen lokal vorherzusagen.