Schneekruste

Schneekristalle, fotografiert vom Schneeforscher Wilson Bentley

Schnee ist die häufigste Form des festen Niederschlags, der aus feinen Eiskristallen besteht.

Kristallbildung

Sternförmiger Eiskristall (Dendrit)

Plättchenförmiger Eiskristall

Mischform aus Plättchen und Dendriten

Nahaufnahme mit Elektronenmikroskop

Schnee entsteht, wenn sich in den Wolken feinste Tröpfchen unterkühlten Wassers an Kristallisationskeimen (zum Beispiel Staubteilchen) anlagern und dort gefrieren. Dieser Prozess setzt jedoch erst bei Temperaturen unter -12 °C ein, wobei Wasser in Abwesenheit von Kristallisationsansätzen bei bis zu -40 °C flüssig bleiben kann.^[1] Die dabei entstehenden Eiskristalle, weniger als 0,1 mm groß, fallen durch zunehmendes Gewicht nach unten und wachsen durch den Unterschied des Dampfdrucks zwischen Eis und unterkühltem Wasser weiter an. Auch resublimiert der in der Luft enthaltene Wasserdampf, geht also direkt in Eis über und trägt damit zum Kristallwachstum bei. Es bilden sich die bekannten sechseckigen Formen aus. Wegen der besonderen Struktur der Wassermoleküle sind dabei nur Winkel von 60° bzw. 120° möglich.

Die unterschiedlichen Stammformen der Schneekristalle hängen von der Temperatur ab – bei tieferen Temperaturen bilden sich Plättchen oder Prismen aus, bei höheren Temperaturen sechsarmige Dendriten (Sterne). Auch die Luftfeuchtigkeit beeinflusst das Kristallwachstum.

Herrscht eine hohe Thermik, so bewegen sich die Kristalle mehrfach vertikal durch die Atmosphäre, wobei sie teilweise aufgeschmolzen werden und wieder neu kristallisieren können. Dadurch wird die Regelmäßigkeit der Kristalle durchbrochen und es bilden sich komplexe Mischformen der Grundformen aus. Sie weisen eine verblüffend hohe Formenvielfalt auf, sodass landläufig behauptet wird, es gäbe keine zwei identischen Schneekristalle. Über 6000 verschiedene Kristallformen wurden 1962 von Bentley und Humphreys gezählt. Wenn sich Schneekristalle bilden, steigt in der Wolke auch die Temperatur, denn beim Gefrieren geben die Kristalle Wärme ab, während sie beim Verdampfen Wärme aufnehmen.

Ebenso verblüffend wie die beobachtete Formenvielfalt ist ihre ausgeprägte Symmetrie, die Schneekristallen eine hohe Selbstähnlichkeit verleiht und sie zu einem Vorzugsbeispiel der fraktalen Geometrie werden ließ (Koch-Kurve). Die verschiedenen Verästelungen wachsen in einem Exemplar stets in derselben Weise und offenbar mit ähnlicher Geschwindigkeit, auch wenn ihre Spitzen, an denen sie weiter wachsen, oft mehrere Millimeter auseinander liegen. Ein möglicher Erklärungsversuch, der ohne Annahme einer Wechselwirkung über diese Entfernung hinweg auskommt, besteht in dem Hinweis, dass die Wachstumsbedingungen an verschiedenen vergleichbaren Keimstellen an den Spitzen zu gleichen Zeitpunkten sicherlich immer recht ähnlich sind.^[2]

Die größte Komplexität der Schneekristalle zeigt sich bei einer hohen Luftfeuchtigkeit, da diese auch noch filigraneren Strukturen das Wachsen ermöglicht. Bei sehr niedrigen Temperaturen sind die Eiskristalle nicht nur kleiner und einfacher gebaut, sondern es schneit auch weniger als bei Temperaturen knapp unter dem Gefrierpunkt, da die Luft dann kaum noch Feuchtigkeit enthält.

Schneeflocken

Liegt die Lufttemperatur nahe am Gefrierpunkt, so werden die einzelnen Eiskristalle durch kleine Wassertropfen miteinander verklebt und es entstehen an einen Wattebausch erinnernde Schneeflocken. In starken Schauern kann es allerdings auch bei Temperaturen um 5 Grad oder noch etwas darüber schneien. Andererseits kommt es vor, dass auch bei unter Null Grad Regen fällt, dann als gefrierender Regen. Für diesen Effekt wird in manchen Medien der Begriff Blitzeis verwendet. Diese Komponenten hängen von Struktur und Schichtungsstabilität der oberen und unteren Luftschichten, von geografischen Einflüssen sowie Wetterelementen wie zum Beispiel Kaltlufttropfen ab. Bei tiefen Temperaturen bilden sich nur sehr kleine Flöckchen, der so genannte Schneegriesel.

Die weiße Farbe des Schnees liegt darin begründet, dass der Schnee aus Eiskristallen besteht. Jeder einzelne Kristall ist − wie Eis als solches − transparent; das Licht aller sichtbaren Wellenlängen wird an den Grenzflächen zwischen den Eiskristallen und der umgebenden Luft reflektiert und gestreut. Eine ausreichend große Ansammlung von Eiskristallen mit zufälliger Lagebeziehung zueinander führt damit insgesamt zu diffuser Reflexion; Schnee erscheint daher weiß. Ein ähnlicher Effekt ist beispielsweise auch bei Salz beim Vergleich von Pulver und größeren Kristallen zu beobachten.

Der mittlere Durchmesser von Schneeflocken beträgt ca. fünf Millimeter, bei einem Gewicht von 0,004 Gramm. Je höher die Temperatur wird, desto größer werden die Flocken, da die Kristalle schmelzen und zu großen Flocken verkleben. Das Guinness-Buch der Rekorde verzeichnet für die größte je gesehene Schneeflocke einen Durchmesser von 38 Zentimetern.^[3]

Fällt eine Schneeflocke auf Wasser, dann erzeugt sie aufgrund der in ihr eingeschlossenen Luftblasen einen schrillen hohen Ton mit einer Frequenz von 50 bis 200 Kilohertz, der für Menschen allerdings unhörbar ist.^[4]

Schneefall

Da Schneeflocken eine große Oberfläche und somit einen hohen Luftwiderstand haben, fallen sie mit Geschwindigkeiten von etwa 4 km/h verhältnismäßig langsam – zum Vergleich: mittelschwerer Regen fällt mit ca. 20 km/h, Hagel kann noch weitaus höhere Geschwindigkeiten erreichen. Diese Geschwindigkeit ist relativ unabhängig von der Größe der Schneeflocken, da ihre Oberfläche fast proportional zu ihrem Gewicht wächst.^[5]

Schneekristalle, wie auch alle anderen irregulär geformten Objekte, tendieren dazu, mit ihrer flachsten Seite nach unten zu fallen. Dies erscheint zunächst unlogisch, weil man ja denken würde, dass Objekte sich so orientieren müssten, dass sie sich mit dem geringsten Widerstand durch die Luft bewegen. Wenn die flache Seite der Schneeflocke exakt parallel zur Fallrichtung wäre (geringster Widerstand), würde sie auch dort bleiben. Allerdings ist es sehr wahrscheinlich, dass sie sich während ihres Falles aufgrund von kleinen Störungen (Turbulenzen) einmal zur Fallrichtung neigt. Somit erfährt die Schneeflocke aufgrund der sie umströmenden Luft ein Kräftepaar; wegen der größeren Strömungsgeschwindigkeiten an den äußeren Enden. Dieses Kräftepaar dreht dann die Schneeflocke so, dass ihre flache Seite nach unten zeigt (Ebene der größten Ausdehnung der Flocke normal zur Fallrichtung). Demselben Mechanismus folgen ein fallendes Blatt von einem Baum, ein fallengelassenes Blatt Papier, Rayleighsche Scheibe zur Messung der Schallgeschwindigkeit, etc.

Eine andere Auswirkung von Turbulenzen ist, dass Schneeflocken und andere Objekte dazu tendieren, einander einzuholen. Ein Schneekristall, der in die Wirbelzone eines anderen gerät, kann darin schneller fallen, so dass er mit diesem kollidiert und verklumpt. Derselbe Effekt wird von Motorradfahrern genutzt, die im Windschatten fahren, und erlaubt Vögeln in V-Formationen energetisch günstiger zu fliegen als alleine. Ob der genannte Effekt der turbulenten Strömung eintritt oder nicht, hängt vom Objekt und dem Medium ab, in dem es sich bewegt. Beispielsweise erzeugen Staubkörner in Luft und Stahlkugeln in Honig in der Regel keine Verwirbelungen.

Schneeschmelze

Eine Schneedecke verliert an Substanz, wenn Energie zugeführt wird. Dies kann durch Strahlung (kurzwellige Sonnenstrahlung oder langwellige Wärmestrahlung), Wärmeleitung (bei Lufttemperaturen über 0°C) oder durch in den Schnee fallenden Regen geschehen, der wärmer als 0°C ist. Wie schnell der Massenabbau vor sich geht, hängt nicht nur von der eingebrachten Energiemenge, sondern auch von Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit ab. Konkret verläuft der Abbau langsamer, je trockener die Luft ist, da zur Sublimation, also für den direkten Übergang des Wassers von der festen in die gasförmige Phase, eine gewisse Energie aufgebracht werden muss, wodurch der übrige Schnee gekühlt wird.

Anhand von Feuchttemperatur und Taupunkttemperatur unterscheidet man drei Stufen des Abbauprozesses. Die Feuchttemperatur ist hierbei die Temperatur, die von der feuchten Seite eines Psychrometers gemessen wird und stets kleiner (bei 100% Luftfeuchtigkeit gleich) der Lufttemperatur ist. Die Taupunkttemperatur ist diejenige Temperatur, bei der die feuchte Luft wasserdampfgesättigt wäre und ist wiederum kleiner als die Feuchttemperatur. Liegt die Feuchttemperatur unter 0°C, sublimiert der Schnee. Dieser Prozess hat die langsamste Abbaurate, der Schnee bleibt dabei völlig trocken. Er kann bei bis zu 7°C Lufttemperatur stattfinden, dazu muss die relative Feuchte jedoch unter 20% betragen. Liegt die Feuchttemperatur über 0°C, die Taupunkttemperatur jedoch noch darunter, schmilzt der Schnee, das heißt er geht sowohl in die Gasphase als auch in die Flüssigphase über. Bei Taupunkttemperaturen oberhalb des Nullpunkts taut der Schnee, er geht ausschließlich in die Flüssigphase über. Dieser Prozess hat die schnellsten Abbauraten. Bei einer mittleren relativen Luftfeuchte von 50% sublimiert Schnee unterhalb von +3,5°C, er schmilzt bei 3,5°-10°C und taut oberhalb von 10°C.

Wegen des hohen Luftgehaltes auch des am Boden verfestigten Schnees bleiben beim Schmelzen der Schneebedeckung flächenhafte Überschwemmungen aus. Das Wasser, das durch Flüsse abtransportiert wird, kann aber in den Flusstälern zu den bekannten Frühjahrsüberschwemmungen führen, weil der Schnee auf einer sehr großen Fläche taut und sich in den relativ schmalen Flussbetten als Wasser sammelt.

Schneearten

Es gibt verschiedene Kriterien, anhand derer man Schnee klassifizieren kann.

Alter

Neuschnee

• Neuschnee ist frisch gefallener Schnee, der nicht länger als drei Tage liegt. Die Eiskristalle sind noch fein verzweigt mit spitzen Zacken.
• Altschnee liegt bereits mindestens drei Tage. Durch Temperatur und Druck sind die Kristalle weniger stark verästelt und abgerundeter.
• Harsch oder eine Schneekruste ist Altschnee, der durch Schmelzen und Gefrieren an der Oberfläche eine feste, gefrorene Schicht ausgebildet hat, während der Schnee darunter pulverartig bleibt. Je nach Dicke der harten Schicht kann schon durch leichte Zusatzbelastungen die Harschdecke durchbrochen werden. Siehe auch: Harscheisen
• Firnschnee (kurz Firn) ist mindestens ein Jahr alt und hat eine höhere Dichte (über 0,6 g/cm³). Die feinen Eiskristalle sind durch wiederkehrendes Auftauen und Gefrieren zu größeren Eisbrocken verschmolzen. Aus dem Firnschnee können im Laufe der Zeit Gletscher entstehen.

Feuchtigkeit

• Pulverschnee ist trockener Schnee, der auch unter Druck nicht zusammenklebt. Seine Dichte liegt unter 60 kg/m³. In den amerikanischen Rocky-Mountains wird er auch als Champagner Powder bezeichnet.
• Feuchtschnee klebt unter Druck zusammen und eignet sich daher besonders für Schneebälle und Schneemänner, es lässt sich jedoch kein Wasser herauspressen. Er wird auch Pappschnee genannt, weil er zusammenpappt.
• Nassschnee oder Sulz (auch: Sulzschnee - Adj. sulzig) ist sehr schwer und nass, er klebt ebenfalls zusammen und man kann Wasser herauspressen.
• Faulschnee ist ein Gemisch aus Wasser und größeren Schneebrocken, die nicht mehr gut zusammenhalten (Schneematsch).
• An der Temperaturgrenze (Übergang in der Höhe) oder bei Wetterumschwüngen fällt Schneeregen, das heißt, ein Gemisch aus Schnee und Regen.

Farbe

• Blutschnee ist rötlich gefärbter Schnee. Er ist meist hervorgerufen durch eine Massenentwicklung von Grünalgen (z. B. Chlamydomonas nivalis), die rote Carotinoide ansammeln. Seltenere Ursache ist das Niedergehen rötlicher Staubmassen, die von Winden aus Wüstenregionen transportiert werden.
• Eine ebenfalls durch kryophile Schneealgen hervorgerufene grüne Färbung wurde in Gletschern und arktischen Schneeflächen entdeckt.

Dichte

Dichte	Bezeichnung	Beschreibung
30…50 kg·m-3	trockener, lockerer Neuschnee	100 kg sind auf einem m² ca. 2–3 m hoch
50…100 kg·m-3	gebundener Neuschnee	100 kg sind auf einem m² ca. 1–2 m hoch
100…200 kg·m-3	stark gebundener Neuschnee	100 kg sind auf einem m² ca. 0,5–1 m hoch
200…400 kg·m-3	trockener Altschnee	100 kg sind auf einem m² ca. 25–50 cm hoch
300…500 kg·m-3	feuchtnasser Altschnee	100 kg sind auf einem m² ca. 20–35 cm hoch
150…300 kg·m-3	Schwimmschnee	100 kg sind auf einem m² ca. 30–70 cm hoch
500…800 kg·m-3	mehrjähriger Firn	100 kg sind auf einem m² ca. 12–20 cm hoch
800…900 kg·m-3	Eis	100 kg sind auf einem m² ca. 11–12 cm dick

Auftreten und Ursprung

• Flugschnee ist sehr feiner Schnee, der durch die Wirkung des Windes in Häuser eindringt.
• Eine Schneeverwehung ist eine durch Windtransport bedingte Schneeansammlung, deren Höhe sich deutlich über der eigentlichen Niederschlagsmenge befinden kann.
• Kunstschnee ist künstlich erzeugter Schnee.

Bedeutung

Schnee und Pflanzen

Auswirkungen auf das Klima und die Umwelt

In Gebieten mit einer gut ausgebildeten Schneedecke wird durch die hellere Bodenfarbe mehr Sonnenlicht zurück in die Atmosphäre reflektiert, so dass sich der Boden weniger stark aufheizt.^[6] Die langwellige Wärmestrahlung der Atmosphäre wird durch Schnee dagegen besonders gut absorbiert.^[7] Insbesondere dient sie während des Schmelzvorgangs als so genannte Schmelzwärme dazu, die Bindungsenergie der Wassermoleküle zu überwinden, ohne den Schnee bzw. das entstehende Wasser zu erwärmen. Frisch gefallener Schnee besteht bis zu 95% aus eingeschlossener Luft und bildet somit auch einen guten Wärmeisolator, der Pflanzen unter der Schneedecke vor scharfem Frostwind schützt.

Rolle für den Menschen

Schneeballschlacht um 1400 (Meister Venceslao: Januar, Detail)

Wo Schnee normalerweise nur im Winter liegt, hat die damit verbundene Landschaftsveränderung auch eine ästhetische Bedeutung. Als Metapher steht der Schnee für den Winter ganz allgemein. Lebensgewohnheiten, Sinneseindrücke und Freizeitgestaltung unterschieden sich ganz erheblich von Zeiten ohne Schnee. Für den Tourismus spielt Schnee eine wichtige Rolle (siehe auch Wintersport). Bei Kindern beliebt ist das Bauen von Schneemännern und das Austragen von Schneeballschlachten.

Eine große Gefahr geht an exponierten Lagen von Schneelawinen aus, die ganze Dörfer begraben können. Starke Schneefälle (Schneekatastrophen) können ebenfalls zu schweren Schadensereignissen führen (überlastete Gebäude oder Bauten, Baumstürze, abgeschnittene Ortschaften etc.).

Schnee- und Eisglätte auf Verkehrswegen stellt eine erhebliche Gefahr dar und führt nicht selten zu einem vollständigen Zusammenbruch des Verkehrsflusses. Straßen sind nach starken Schneefällen oft nur noch mit Hilfe von Schneeketten passierbar. Speziell ausgerüstete Winterräumdienste können mit der Schneeräumung beauftragt sein.

Tourismusorte, die wirtschaftlich vom Schneesport abhängig sind, benutzen Schneekanonen, um bei keinem oder geringem natürlichem Schneefall künstlichen Schnee zu erzeugen, wobei sich Kunstschnee durch andere Eigenschaften als Naturschnee auszeichnet.

Schnee hat auch akustische Auswirkungen: ist er locker, befindet sich viel eingeschlossenen Luft zwischen den einzelnen Flocken, was schalldämmend wirkt. Die sprichwörtliche Winterstille ist daher neben dem Sinnbild für eine mit wenig Aktivitäten verbundene Zeit des Ruhens und Erholens durchaus real zu verstehen.

Schneeforschung

Geschichte

Die streng hexagonale Struktur von Schneeflocken war im Kaiserreich China schon mindestens seit dem 2. Jahrhundert v. Chr. bekannt. Im Abendland bemerkte diese Eigenschaft erstmals der englische Mathematiker Thomas Harriot im Jahre 1591, der seine Beobachtung jedoch nicht publizierte. Arbeiten über die Formenvielfalt der Schneekristalle sind auch von Johannes Kepler und René Descartes bekannt, doch erste systematische Untersuchungen unternahm erst Ukichiro Nakaya, der 1936 als Erster synthetische Schneeflocken herstellen konnte und diese 1954 in über 200 verschiedene Typen kategorisierte.

Schneemessungen

Messungen der Schneemenge werden mit Hilfe üblicher Regenmesser durchgeführt, bei denen zum Schutz gegen Verwehungen Schneekreuze angebracht sind. Die Mächtigkeit der Schneefläche wird mit Schneepegeln oder Schneesonden bestimmt. Der Zuwachs kann auch mit Ultraschall gemessen werden. Beim Deutschen Wetterdienst werden die Schneedeckenmächtigkeit und die Neuschneehöhe täglich um 7:30 Uhr gesetzlicher Zeit gemessen.

Der Wasseranteil (Wasseräquivalent einer Schneedecke) und die Schneedichte haben Bedeutung für die Klimatologie und Hydrologie. Auch die Schneegrenze ist eine wichtige klimatologische Kenngröße. Die Schneegrenze trennt schneebedeckte und schneefreie Gebiete voneinander.

Rund um den Schnee

• Dass die Inuit hundert Wörter für „Schnee“ haben, ist ein verbreiteter Irrtum.
• Als Industrieschnee bezeichnet man lokalen Schneefall, der durch Kraftwerke und andere Großanlagen verursacht wird.
• Lake effect snow ist ein Wetterphänomen an den Großen Seen in Nordamerika.
• Große Schneehöhen führen im Wald zu Schneebruch, bei Gebäuden werden die Schneelasten in der Statik berücksichtigt.
• Schneeblindheit ist eine Schädigung des Auges, die unter anderem durch Schnee und Sonne verursacht wird.
• Snegurotschka, deutsch Schneemädchen, ist eine russische Märchengestalt.
• Bereits seit dem Spätmittelalter gibt es Schneekugeln, die heute zumeist in Kinderzimmern zu finden sind.
• Ein schneeflockenähnlicher Kristall ist die Meereisblume.
• Als Yeti wird der sagenhafte Schneemensch bezeichnet.
• Mit Yukitsuri (im japan. Gartenbau: dem Hochbinden) können Äste bewahrt werden, unter dem Gewicht von Schnee zu brechen.

Schneekatastrophen

• Großer Schneesturm (1888) in den USA
• Schneekatastrophe in Norddeutschland 1978
• Münsterländer Schneechaos 2005

Siehe auch: Größere Lawinenunglücke

Literatur

• Kenneth G. Libbrecht: Wie Schneekristalle entstehen, Spektrum der Wissenschaft, 2008 (Februar), S. 36ff.

Einzelnachweise

1. ↑ Gerhard Karl Lieb: Schnee und Lawinen. Vorlesung im WS 2001/02, Institut für Geografie und Raumforschung, Graz (PDF, 248 kB)
2. ↑ Kenneth G. Libbrecht: Frequently Asked Questions about Snow Crystals, Webseite eines Physikprofessors am Caltech
3. ↑ Vgl. „Snowflakes as Big as Frisbees?“ – Artikel vom 20.3.2007 in der Online-Ausgabe der New York Times
4. ↑ Lawrence A. Crum, Hugh C. Pumphrey, Ronald A. Roy, and Andrea Prosperetti: The underwater sounds produced by impacting snowflakes. Journal of the Acoustical Society of America 106(4):1765-1770, 1999.
5. ↑ Bart Geerts: Fall speed of hydrometeors, Teil der Resources in Atmospheric Sciences der University of Wyoming
6. ↑ Der Treibhauseffekt bei Quarks & Co
7. ↑ Gösta H. Liljequist und Konrad Cehak: Allgemeine Meteorologie, Seite 12. Nachdruck der 3. Auflage von 1984. Springer, 2006. ISBN 978-3-540-41565-7

Weblinks

• www.slf.ch Eidgenössisches Institut für Schnee- und Lawinenforschung in der Schweiz
• www.snowcrystals.com zur Formenvielfalt der Schneekristalle (Engl.)
• Skriptum: Schnee und Lawinen von Prof. Gerhard Lieb - Institut für Geographie und Raumforschung, Graz
• Schneealgen mindern Treibhauseffekt - Rote Algen auf Schneefeldern nehmen Kohlendioxid durch Photosynthese auf