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Optische Eigenschaften

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Frisch gefallener Schnee reflektiert mehr sichtbares Licht als jede andere natürliche Oberfläche. Dafür verhält er sich im langwelligen Bereich wie ein schwarzer Köper. Wie können wir diese unterschiedlichen optischen Eigenschaften von Schnee für unsere Forschung nutzen?

 

Es gibt keine natürliche Oberfläche, die mehr sichtbares Licht reflektiert als frisch gefallener Schnee. Seine Albedo (also das Reflexionsvermögen) kann in diesem Wellenlängenbereich bis zu 95 % betragen.  Dabei variiert die Albedo jedoch mit der Art und Zusammensetzung des Schnees und ist deshalb für Neu- und Altschnee, Firn, Gletschereis und verschmutztes Gletschereis unterschiedlich.  Russ oder Staub verringern sie beträchtlich und beschleunigen das Schmelzen des Schnees, weil weniger Energie reflektiert und mehr vom Schnee absorbiert wird. Um die Albedo von Schnee zu verstehen, müssen wir zuerst überlegen, warum Schnee überhaupt weiss erscheint, während Eis und folglich auch Schneekristalle im sichtbaren Licht (ca. 400 nm - 680 nm) durchsichtig sind.

 

Trifft Licht auf einen einzelnen Kristall, so wird es an seiner Oberfläche gebrochen und ändert die Richtung. Eine Schneeflocke und erst recht die Schneedecke bestehen aus sehr vielen Kristallen. Je mehr Oberflächen es gibt, umso öfter ändert sich die Richtung des einfallenden Lichtstrahls. Wenn der Lichtstrahl den Schnee nach einigen Brechungen wieder verlässt, so ist die Richtung mehr oder weniger zufällig, die Reflektion ist diffus, das heisst, das Licht vom Schnee in alle Richtungen abgestrahlt wird. Bei jedem Durchgang durch einen Kristall wird das Licht ein wenig abgeschwächt, es wird ein kleiner Teil des Lichts absorbiert. Da Schnee alle Farben des Sonnenlichts ähnlich stark absorbiert erscheint das reflektierte Licht weiss. Und zwar umso heller, je kleiner die Kristalloberflächen im Schnee sind.

Wenn wir ein durchscheinendes Profil machen, also eine sehr dünne Schneemauer freilegen, sehen wir auch, dass der Schnee umso mehr Licht absorbiert, je dichter er ist. Die verschiedenen Schneeschichten in Abb. XY lassen sich also deswegen so gut unterscheiden, weil ihre Dichte variiert.

 

Nahes Infrarot (NIR)

Im NIR (bei Wellenlängen von ca.  680 nm – 1.200 nm, Abb. 3) nimmt die Absorption des Lichts in Eis sehr stark zu. Das hat zur Folge, dass nach derselben Anzahl an Brechungen in grösseren Kristallen mehr Licht absorbiert wird als in kleinen. Dadurch unterscheiden sich verschiedene Schneearten in ihrer Reflektion. Wir nutzen diese Eigenschaft, indem wir Schnee im NIR fotografieren und damit die optische Grösse (die spezifische Oberfläche) der Schneekristalle messen.

 

Mikrowellen

Messungen im Mikrowellenbereich (ca. 1 mm - 100 mm, Abb. 3) haben den Vorteil, dass man sie unabhängig von der Tageszeit und dem Bewölkungsgrad durchführen kann. Eine Messung kann zwischen 20 Quadratzentimeter bis hin zu 20 Quadratkilometer (Satellitenfernerkundung) abdecken. Mikrowellen werden vor allem eingesetzt, um zu bestimmen, wie viel Wasser im Schnee gespeichert ist (Wasseräquivalent von Schnee). Dabei werden das Spektrum und die Stärke der vom Schnee reflektierten Mikrowellen gemessen.  Bislang ist der Zusammenhang zwischen dem rückgestreuten Mikrowellensignal und dem Schnee noch nicht eindeutig interpretierbar, d.h. eine hohe Rückstreuung könnte einerseits durch viel Schnee, andererseits auch durch große Schneekristalle verursacht werden.

Deswegen müssen neben den Strahlungsmessungen weitere Feldmessungen durchgeführt werden, um die Schneedecke zu charakterisieren. So lernen wir die Wechselwirkung der Schneedecke mit der Mikrowellenstrahlung zu verstehen und das am Satelliten empfangene Signal zu interpretieren. 

Die diversen am SLF entwickelten Schneemessmethoden (z.B. SMP, CT, …) machen es möglich, die relevanten Parameter zeitlich und räumlich hochaufgelöst zu messen. Neben der Dichte ist vor allem die Korngrösse der Schneekristalle wichtig. Mit Hilfe unserer Feldmessungen kann ausserdem die horizontale Variabilität der Schneedecke bestimmt und damit ihr Einfluss auf das Mikrowellensignal erforscht werden.

 

Themen

Versuchsfeld Laret

Auf dem Versuchsfeld im Laret untersuchen wir mit Methoden der Mikrowellenfernerkundung, wie viel Wasser im Schnee enthalten ist und wie sich Schnee...