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Material Schnee

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Heiss und kalt, hart und weich, weiss und schwarz – Schnee ist ein widersprüchliches Material. Da er sich ständig wandelt, ändern sich auch seine Eigenschaften sehr schnell. Um diese komplizierten Prozesse zu verstehen, beginnen wir bei der Forschung im Kleinen: bei der Mikrostruktur von Schnee.

 

Schnee entsteht, wenn unterkühlte Wassertröpfchen in Wolken zu Eis erstarren und sich anschliessend Wasserdampf an diesen Kristallisationskernen ablagert und gefriert. Je nach Umgebungsbedingungen variiert die Form der Kristalle von Nädelchen bis zu den bekannten Sternen. Allen Formen gemein ist jedoch ihre sechseckige Struktur. Trotzdem ist jeder Schneekristall einzigartig. Denn bei einem Durchmesser von einem Millimeter enthält ein einziger Eiskristall rund 100 Trillionen Wassermoleküle. Die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Kristalle identisch aufgebaut sind, dass also alle Moleküle am gleichen Platz sitzen, ist folglich sehr gering.

Wenn sich die Kristalle während des Schneefalls auf dem Boden anhäufen, entsteht ein komplexes Material. Am Anfang ist es weich und locker, aber innerhalb kurzer Zeit wachsen die Eiskristalle an ihren Berührungspunkten zusammen: Sie sintern. Dabei bilden sie eine zusammenhängende poröse Struktur, ähnlich einem Schwamm aus Eis. Diese Struktur bleibt nicht lange unverändert. Weil Schnee so nahe an seiner Schmelztemperatur ist (physikalisch betrachtet ein „heisses“ Material), verändert er sich ständig. Die Umwandlung nennt man Metamorphose.

Mit der Struktur ändern sich fortwährend auch die Materialeigenschaften von Schnee, zum Beispiel die Dichte. Während ein Kubikmeter Neuschnee so viel Luft enthält, dass er gerade 50-100 Kilogramm wiegt, können es bei älterem, gesinterten Schnee auch gut 400 Kilogramm sein.

Mikrostruktur – der Schlüssel zum Verständnis

Im für unser Auge sichtbaren Bereich des Lichts ist Schnee nahezu perfekt weiss, da er alle Wellenlängen gleich stark streut. Die Wärmestrahlung wird von Schnee hingegen fast vollständig absorbiert, in diesen Wellenlängenbetrachtet gilt er als schwarzer Körper.

Um die Eigenschaften von Schnee verstehen zu können, müssen wir bei seiner Mikrostruktur beginnen. Seine physikalischen Eigenschaften wie Festigkeit oder Wärmeleitfähigkeit hängen von der Struktur des schwammartigen Netzwerks ab, in dem die Eiskristalle angeordnet sind. Diese dreidimensionale Struktur untersuchen wir im Kältelabor mittels Computertomographie. In der Natur lassen sich die verschiedenen Faktoren, die gleichzeitig auf den Schnee einwirken, nur selten klar trennen. Im Gegensatz dazu können wir im Labor einzelne Aspekte für sich allein untersuchen, um so Schritt für Schritt besser zu verstehen, wie sich Schnee in Abhängigkeit von verschiedenen Einflüssen verändert. In Experimenten bestimmen wir die mechanischen und optischen Eigenschaften unterschiedlicher Schneearten. Den Schnee dafür sammeln wir entweder in der Natur oder wir produzieren im Labor mithilfe der Schneemaschine naturidentischen Neuschnee.

 

Themen

Mechanische Eigenschaften

„Klirr“, „Knirsch“, „Wumm“ – was verraten diese Geräusche beim Brechen der Eiskristalle über die Mikrostruktur von Schnee und die...

Optische Eigenschaften

Warum ist Schnee weiss und Eis durchsichtig? Und warum wird Schnee dunkler je älter er ist?

Schneemetamorphose

Schneemetamorphose verändert Neuschnee innerhalb kürzester Zeit. Seit einigen Jahren können wir diese Veränderungen “live“ im Computertomograph...