SnowMicroPen®
Das SMP misst den Eindringwiderstand des Schnees. Wir verwenden es zur Untersuchung der Lawinenbildung, bei Expedition in die Polargebiete und um Radarmessungen und Schneeprofile besser zu verstehen. Und noch immer finden sich Details, die wir verbessern können. Ein Portrait eines „Instrument in progress“.
Ein Ziel der ersten SLF-Forschergeneration war es, mechanische Schneeeigenschaften schnell messen zu können. Die damals entwickelte Rammsonde wird auch heute noch verwendet.
Mit ihr können wir die Position von härteren und weniger harten Schichten innerhalb der Schneedecke bestimmen, ohne eigens ein Schneeprofil zu graben. Doch schon zu jener Zeit war offensichtlich, dass die Rammsonde nur die härteren der vielen Schneeschichten zuverlässig erkennt. In den 80er Jahren konstruieren Dowd and Brown (1986) den digitalen „thermo-resistograph“, ein Penetrometer, das kontinuierlich den vertikalen Eindringwiderstand misst. Aber auch die vertikale Auflösung dieses Instruments ist nicht genau genug, um sehr dünne Schneeschichten aufzuzeichnen. Um die komplexe Schichtung der Schneedecke und ihre räumliche Variabilität genauer zu messen, entwickeln Schneebeli und Johnson (1998) ein Instrument mit höherer Auflösung, das „SnowMicroPen“ (SMP). Das SMP ist eine Art hochempfindliche und automatische Sonde, die den Eindringwiderstand des Schnees misst.
Dabei hängt der Eindringwiderstand von der Bruchkraft der Schneestruktur ab. Obwohl das erste SMP (Abb. 1) nur eine vertikale Auflösung von 0,3 mm hat, können damit auch sehr dünne Schneeschichten unter 2 mm gemessen werden. Die aktuellen SMP-Versionen haben eine Messauflösung von 0,004 mm.
Eine überraschende Beobachtung machen Schneebeli und Johnson 1997 bei einem gemeinsamen Experiment in den Kältelaboren des CRREL in Alaska. Sie stellen fest, dass unterschiedliche Schneearten unterscheidbare charakteristische Kraftsignale haben (Abb. 2a und 2b). Folglich lässt sich die Mikrostruktur mit dem SMP objektiv quantifizieren – auch wenn die Interpretation dieses Ergebnisses komplex ist. Heute können wir sowohl Grössen der Mikromechanik als auch der Mikrostruktur anhand der „shot noise“-Theorie interpretieren (Löwe and Van Herwijnen, 2011).
Das SMP in der Lawinenbildung
Mit dem SMP lassen sich zwei wichtige Aspekte der Lawinenbildung untersuchen: wir können Schwachschichten in einem Schneeprofil erkennen und ihre räumliche Variabilität in der Schneedecke bestimmen.
Wie sich ein Bruch in der Schneedecke ausbreitet hängt unter anderem von ihrer räumlichen Homogenität ab. Deshalb beschäftigt sich ein eigenes Projekt Spatial Variability mit der Untersuchung der Schneedeckenvariabilität in lawinengefährdeten Hängen. Für diverse weitere Projekte und Doktorarbeiten spielt das SMP eine zentrale Rolle, z.B. C. Pielmeier (2003), K. Kronholm (2004), S. Bellaire (2010) and E. Lutz (2009). Schliesslich ist das SMP das einzige Instrument, mit dem Daten in einer so dichten räumlichen Auflösung erhoben werden können, dass es möglich ist die Variabilität der Schneedecke überzeugend zu kartieren.
Eine weitere Herausforderung ist es, in der Menge der Signale die Schicht bzw. die Schichtabfolge zu finden, die tatsächlich bricht. Wir haben verschiedene empirische Algorithmen entwickelt, um die schwachen Schichten zu definieren. Diese haben eine ähnliche Erfolgsrate wie direkte mechanische Tests (Pielmeier and Marshall, 2009).
Trotzdem ist unser Wissen über die Stratigraphie von Schwachschichten noch immer lückenhaft. Deshalb untersuchen wir in einem anderen Projekt (Mikrostruktur von Schwachschichten) die Eigenschaften von vergossenen Schwachschichten, die im micro-Computertomographen rekonstruiert werden.
Das SMP in den Polargebieten
Ein Instrument zu entwickeln, das trotz extremer Wetter- und Temperaturbedingungen Kräfte zwischen einem Hundertstel Newton und mehr als 70 Newton messen kann, ist eine Herausforderung. Wir arbeiten heute noch daran Details zu verbessern. Nichtsdestotrotz wird das SMP erfolgreich bei vielen Expeditionen eingesetzt und zeigt seine Stärken beim Messen der Schnee- und Firnstratigraphie. Es wurde z.B. bei Expeditionen während der SnowSTAR2002-Traverse (Sturm et al., 2004) verwendet, in Grönland auf Summit (Abb. 3), während der EXPLORE-Traverse und in der Antarktis auf Dome C, sowie auf der Kohnen Station. Auf der Kohnen Station haben wir in Zusammenarbeit mit dem Alfred-Wegener Institut mehrere hundert Messungen durchgeführt. Anhand dieser Messungen können wir die Stratigraphie an diesem Ort mit beispielloser Auflösung kartieren und nachvollziehen.
Das SMP und Mikrowellenmessungen
Radar und Mikrowellenradiometer werden vermehrt zur Untersuchung der Schneedecke eingesetzt. Beide Messmethoden reagieren sehr empfindlich auf die Schichten in der Schneedecke. Ein gemeinsames Problem dieser Methoden ist jedoch, dass ihr Signal über ein grosses Schneevolumen integriert wird und dadurch jegliche Information zur Schichtung verloren geht. Marshall (et al., 2007) arbeitet an diesem Problem, indem er das Radar mit SMP-Messungen ergänzt. Für Anwendungen in grösserem Massstab müssen wir jedoch mehr über die Interaktion zwischen Schnee- und Mikrowellen lernen. Ziel der ESA Satellitenmission CoReH2O z.B. ist es, die globalen Trinkwasserreserven, die im Schnee gespeichert sind, zu messen. Bei der Nordic Snow Radar Experiment (NoSREx) Kampagne geht es darum, die Mikrowellenmessung der CoReH2O im Feld zu validieren. Mit dem SMP werden dabei die Daten zur Schneeschichtung erhoben. Basierend auf den Daten dieser Messkampagnen und auf Labordaten, setzen wir ein neues statistisches Modell ein, um die Korrelationslänge (einen wichtigen Eingangsparameter für Mikrowellenmodelle) aus dem SMP Signal abzuleiten (Snow and Microwaves).
Das SMP und die Schneestruktur
Am besten wäre es, wenn man die Eigenschaften der Schneestruktur berechnen könnte, ohne auf empirische oder semi-empirische Fits zurückzugreifen (also alleine basierend auf mechanischem Verständnis). Mit dieser Umsetzung beschäftigen wir uns seit der Anfangsphase des SMPs (Johnson and Schneebeli 1999, Marshall and Johnson 2009 oder Löwe and van Herwijnen 2012). Um die Wechselwirkungen zwischen der SMP-Spitze und dem gesintertem Schnee (Abb. 4) besser zu verstehen, arbeiten wir auch an der Weiterentwicklung der statistischen Theorie (basieren auf statistischer Physik).
Und wir simulieren den Kontakt zwischen der Kegelspitze und Schnee mit diskreten Elementen. Der Film zeigt das Eindringen der SMP-Spitze in ein stark vereinfachtes gesintertes Material. Nächstes Ziel ist es, die Schneepartikel in dieser Simulation realistischer umzusetzen und eine physikalisch abgestützte Eismechanik zu implementieren.
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Publikationen
Bellaire, S. 2010. Spatial variability of the snow cover and its effect on avalanche formation. Ph.D. thesis, University of Hamburg.
Dowd, T., and R. Brown (1986), A new instrument for determining strength in snow cover, Journal of Glaciology, 32(111), 299–301.
Kronholm, K. 2004. Spatial variability of snow mechanical properties with regard to avalanche formation. Ph.D. thesis, Department of Geography, University of Zurich. 187 pp.
Lutz, E.L. 2009. Spatial and temporal analysis of snowpack strength and stability and environmental determinants on an inclined, forest opening. Ph.D. Dissertation, Department of Earth Sciences, Montana State University. 364 pp.
Pielmeier, C., 2003. Textural and mechanical variability of mountain snowpacks. PhD thesis, University of Berne, 127 pp.
Sturm, M., J. Johnson, and J. Holmgren (2004), Variations in the mechanical properties of arctic and subarctic snow at local (1-m) to regional (100-km) scales, in Proceedings of the International Symposium on Snow Monitoring and Avalanches (ISSMA-2004), Manali, India, pp. 233–238.