Wenn Schnee kollabiert

  • 22. November 2016

Mikrostruktur zwischen Eiskristallen verleiht Schnee überraschende Stabilität. 

Jeder, der schon einmal im Schnee unterwegs war, kennt das Phänomen: Vorsichtig setzt man einen Fuß vor den anderen, versucht, die Sohle möglichst gleichmäßig aufzusetzen. Der Schnee gibt ein wenig nach, aber er trägt – bis man plötzlich bis zur Hüfte in der weißen Masse steckt. „Die meisten Menschen führen das darauf zurück, dass der Schnee eine Oberflächen­kruste hat, die man bei zu hoher oder falscher Belastung durchbricht“, sagt Michael Zaiser, Werkstoff­wissen­schaftler der Friedrich-Alexander-Univer­sität Erlangen-Nürnberg. „Doch diese Erklärung ist in den über­wiegenden Fällen falsch.“

Abb.: Ab einer kritischen Last verliert Schnee seine Stabilität und die stützende Mikrostruktur geht von oben nach unten verloren. (Bild: M. Zaiser et al. / NPG)

Abb.: Ab einer kritischen Last verliert Schnee seine Stabilität und die stützende Mikrostruktur geht von oben nach unten verloren. (Bild: M. Zaiser et al. / NPG)

Im Experiment haben Zaiser und Kollegen der Universität Edinburgh nachgewiesen, dass das plötzliche Einsinken von Gegen­ständen oder Personen auch bei homogenem Labor­schnee auftritt, der weder eine Ober­flächen­kruste noch sonstige Festig­keits­unter­schiede aufweist. Aufschluss über die Ursache brachte schließlich eine Hoch­geschwindigkeits­kamera, die den Forschern einen Blick in die Mikro­struktur des Schnees ermöglichte. „Auf den hochauflösenden Aufnahmen konnten wir sehen, dass es bei einer kritischen Last zu einem Zusammen­bruch der Mikro­struktur und damit zu einem plötz­lichen Festig­keitsverlust kommt“, erklärt Zaiser. „Dieser Kollaps pflanzt sich nach unten fort, und der von oben drückende Stempel sackt ab.“

Generell bietet Schnee viel Platz für eine Kom­primierung: Gesetzter Schnee, der bereits ein paar Wochen liegt, besteht immerhin noch zu 70 Prozent aus Luft. Dass man hier dennoch nicht sofort einbricht, liegt an den Sinterhälsen, die sich zwischen den Eiskörnern bilden und diese auf Distanz halten. Wird der Schnee verdichtet, brechen einige dieser Brücken, und die übrigen müssen eine größere Last tragen. Ab einem kritischen Punkt geben auch die ver­bliebenen Eis­brücken nach und es kommt zu einem partiellen Struktur­kollaps. Weil die Eis­kristalle dabei verdichtet werden und somit einen größeren Wider­stand bieten, sinkt man meist nicht bis zum Boden der Schnee­schicht ein.

Interessant dabei ist, dass sich der Vorgang in derselben Probe wiederholen lässt: Die bereits kollabierte Schicht kann unter Belastung erneut absacken – sogar mehrfach, wenn genügend freies Volumen verbleibt. Grund dafür ist, dass sich innerhalb weniger Sekunden neue Sinterbrücken bilden, die dann erneut brechen können. „Auch das kennt man von Winter­ausflügen: Man läuft in den Fuß­stapfen seines Vorgängers, in denen der Schnee ja schon zusammen­gedrückt ist, und hofft damit das ständige Einbrechen zu vermeiden. Dennoch bricht man manchmal ein. Dafür muss man nicht einmal viel schwerer sein“, sagt Zaiser.

Nach der systema­tischen Analyse dieses Phänomens, der auch im Natur­schnee bestätigt werden konnten, haben die Material­wissenschaft­ler nun ein Rechner­modell entwickelt, das die Vorgänge sehr genau beschreiben und repro­duzieren kann. Möglicher­weise können die Forscher mit ihren Ergeb­nissen auch einen Beitrag zur Lawinen­forschung leisten: „Derselbe Prozess eines mikro­strukturellen Zusammenbruchs und damit verbundener Desta­bilisierung, den wir im Labor oder unter dem Bergstiefel beobachten, kann auch bei der Auslösung einer Schneebrett­lawine ablaufen“, sagt Zaiser. „Der Scottish Avalanche Information Service beispiels­weise nutzt etwa „Foot Penetration“, also das Fuß­absacken beim Gehen, als einen Indikator zur Bestimmung des Lawinen­risikos. Inwieweit hier Zusammen­hänge zu unseren Erkenn­tnissen bestehen, muss die weitere Forschung zeigen.“

FAU / JOL

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