In der Schweiz nehmen Wissenschaftler den Schnee unter die Lupe. Sie wollen herausfinden, wie Lawinen entstehen und wie man sie künftig besser vorhersagen kann.
Den Hang, in dem Ben Reuter und Walter Steinkogler stehen, sollte man normalerweise im Winter nicht betreten. Eine Dreiviertelstunde sind die beiden mit Tourenskiern von der Bergstation eines benachbarten Skigebietes hierher aufgestiegen. Die Sonne scheint über den verschneiten Gipfeln um Davos im Schweizer Kanton Graubünden, aber hier auf fast 2500 Metern ist es eiskalt. Das Thermometer zeigt minus vier Grad Celsius. Der Hang oberhalb der Forscher ist steil. Er endet an einem Grat, über den der Wind glitzernde Kristalle fegt. Eine Wechte hat sich dort gebildet: Vom Wind komprimierter Schnee ragt zwei Meter über die Kante hinaus und hängt bedrohlich über den Wissenschaftlern. Die beiden könnten verschüttet werden, sollte die Wechte abbrechen. Der Hang ist gefährdet durch Lawinenabgänge. Das ist der Grund, warum die Forscher des WSL-Instituts für Schnee- und Lawinenforschung SLF in Davos hier sind.
Das Institut wurde vor 76 Jahren gegründet und ist heute das weltweit renommierteste seiner Art. Zunächst war es in einem Iglu untergebracht, dann in einer Holzhütte, seit 1942 befindet es sich in einem steinernen Gebäude auf dem Weissfluhjoch, 2664 Meter über dem Meeresspiegel. Schwere Lawinenunglücke, die Siedlungen und Straßen verschütteten, waren der Anlass, das SLF zu gründen. Der Lawinenwinter 1950/1951 forderte in der Schweiz 98 Todesopfer. Das SLF half danach Lawinenschutzvorrichtungen zu bauen und verbesserte die Lawinenwarnung. 1999 fiel noch mehr Schnee als 48 Jahre zuvor. Viele Täler waren tagelang von der Außenwelt abgeschnitten. Doch trotz Lawinen gab es in der Schweiz „nur” 17 Tote – ein Verdienst der verbesserten Warnungen und der Lawinenverbauungen.
Heute sind Lawinen vor allem eine Gefahr für Wintersportler, die sich abseits der Pisten bewegen. Im Schnitt sterben in den Alpen etwa 100 Menschen pro Saison. Doch die Zahl ist weitgehend konstant geblieben, obwohl sich die Zahl der Wintersportler, die neben der Piste unterwegs sind, mit dem Boom des „Free Riding” – des Skifahrens im freien Gelände – vervielfacht hat. Auch das ist ein Verdienst des Instituts, das jeden Tag um 17 Uhr eine Prognose zur Lawinengefahr in den Schweizer Alpen für den kommenden Tag herausgibt. Am nächsten Morgen wird die Vorhersage konkretisiert. 180 geschulte Wächter, verteilt über das Gebirge, beobachten dafür die Schneedecke. Skitouren-Gänger geben Erfahrungen und Eindrücke per Handy durch, 170 Stationen funken ihre Messdaten automatisch nach Davos. Weltweit einmalig ist, dass am SLF die Lawinenwarnung und Grundlagenforschung über Schnee und Lawinen unter einem Dach vereint sind. Die Ergebnisse der Wissenschaftler werden laufend für die aktuelle Lawinenwarnung benutzt.
Zwei Greifvögel kreisen etwa 100 Meter entfernt vor blauem Himmel über dem Wannengrat. Es ist ganz still. Walter Steinkogler, 26 Jahre alt, Vollbart, zerzauste Haare, blickt durch eine verspiegelte Brille auf das Bergpanorama. Neben ihm steht Ben Reuter, ebenfalls 26, groß, gebräunt – er könnte auch Skilehrer sein. Auf der Sonnenseite des Hangs stellen die beiden Forscher ihren Proviant ab, steigen dann noch ein Stück weiter auf – und bleiben 30 Meter unterhalb der Wechte stehen: dort, wo den ganzen Tag kein Sonnenstrahl hinfallen wird. In schattigen, nach Norden geneigten Hängen lösen sich oft Lawinen. Deshalb sind sie besonders interessant für die Forscher. Dass die Gefahr an Nordhängen besonders groß ist, hat folgenden Grund: Die Schneeoberfläche bleibt dort kalt, sodass sich Reif darauf bilden kann. Es entstehen Eiskristalle, die größer und zerbrechlicher sind als in der Umgebung und sich weniger gut mit dem Schnee darüber und darunter verbinden. Neuschnee, der auf eine solche Schicht fällt, verbindet sich nur schlecht damit. Daher besteht das Risiko, dass der neue Schnee auf der „Schwachschicht” des ehemaligen Reifs als Schneebrett zu Tal rutscht. Je steiler der Hang, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit dafür.
Härtetest mit dem Finger
Reuter und Steinkogler sind in einem Loch verschwunden. Schnee fliegt heraus. Schaufeln kratzen auf dem felsigen Grund. 1,80 Meter tief haben die Forscher gegraben. Sie wollen ein Profil erstellen, um die Lagen der Schneedecke im Querschnitt zu untersuchen und festzustellen, ob es eine Schwachschicht gibt, auf der ein Schneebrett ins Tal gleiten könnte. Ben Reuter steht in dem Loch, vor sich die glatt aus dem Hang geschnittene weiße Wand. Er steckt seine nackten Finger in den Schnee, leckt sie ab, wiederholt die Prozedur. Mit den Fingerkuppen kommt er kaum einen Millimeter in den Schnee hinein. „Drei bis vier”, diktiert er Steinkogler. Die Zahl beschreibt den Härtegrad der Schicht. Die Skala geht bis fünf, je höher desto fester. Stufe fünf bedeutet, dass man nur mit einem Messer in die Schneedecke vordringen kann.
Einen Zentimeter tiefer stößt Reuters Hand weit in den Schnee vor. „Eins bis zwei”, sagt er. Hier ist ein Übergang zwischen zwei Schichten. Die obere wirkt wie eine Eisplatte, darunter ist der Schnee weich. „Die harte Schicht ist in einer Föhnperiode entstanden”, erklärt Reuter. „Am Tag ist der Schnee angetaut, abends wieder gefroren.” Der Wissenschaftler schneidet mit einer schwarzen Platte eine Scheibe aus der weißen Wand. Vor dem dunklen Hintergrund sind verschiedene Schichten im Schnee gut erkennbar. Die vereiste Schicht ist sehr dicht, die darunter wirkt luftiger – auf ihr könnte die feste Lage abrutschen.
Reuter kratzt ein paar Kristalle aus der weichen Schicht. Wie ein Juwelier Diamanten untersucht, betrachtet er sie mit einer Lupe. Die Kristalle sehen glänzend und klar aus wie die Perlen einer Glaskette. „Kantig, Kanten abgerundet”, beschreibt Reuter die Kristallform für das Protokoll – eine Form, die typisch für Schwachschichten ist. Unter der Lupe zeigt sich: Schneekristalle können sehr verschieden aussehen. Unterhalb der harten Schicht sind die Kristalle stärker abgerundet, oberhalb davon liegt Neuschnee mit viel größeren Strukturen: Sie haben spitze, lange Ausläufer und sind nicht so stark miteinander verbunden. Der lockere Neuschnee wiegt zunächst 30 bis 50 Kilogramm pro Kubikmeter, vier Wochen später bis 150, nach zehn Wochen sogar über 300 Kilogramm. Was passiert mit dem Schnee?
Der Schnee ist „heiss”
Keine zehn Kilometer entfernt vom Wannengrat, im Keller des SLF, hat Henning Löwe eine dicke Tür hinter sich zugezogen. Jetzt steht der Physiker im Kältelabor bei minus 20 Grad Celsius. „ Schnee ist eigentlich ein heißes Material”, sagt er. Schnee ist bei Temperaturen knapp unter null Grad dicht an seiner Schmelztemperatur – wie Stahl bei 1500 Grad Celsius. „In diesem Zustand verändern sich Materialien rasch.” Vor dem Forscher steht eine blaue Kiste: ein Computertomograph (CT), in dem die Alterung von Schnee mit Röntgenstrahlen untersucht wird – gekühlt, damit die Probe nicht schmilzt. Das Schnee-CT ist eine Entwicklung der Davoser Forscher. Erstmals lassen sich damit Veränderungen in einer einzigen Schneeprobe beobachten. Früher musste die Probe zerschnitten, unter dem Mikroskop fotografiert und am Computer zu einem 3D-Bild zusammengefügt werden. Damit war sie zerstört. Wie sich die Schneeprobe weiterentwickelt hätte, ließ sich nicht mehr verfolgen.
Außerhalb der Kältekammer zeigt Henning Löwe dreidimensionale Computerausdrucke von Schnee unterschiedlichen Alters, die auf den CT-Messungen beruhen. Der fein verästelte Neuschnee verwandelt sich innerhalb mehrerer Wochen in eine Struktur, die viel massiver ist, mit rundlicheren und stärker miteinander verbundenen Kristallen. „Das ist vergleichbar mit Wasser, das sich zu Tropfen zusammenzieht, um einen energieärmeren Zustand mit möglichst geringer Oberfläche zu bilden”, erklärt der Physiker. Entscheidend ist dabei die Fähigkeit des Schnees zu sublimieren, also vom festen direkt in den gasförmigen Zustand überzugehen.
„Die feinsten Ästchen sublimieren schnell, und der Dampf setzt sich an massiveren Strukturen ab”, sagt Löwe. So entstehen während der Alterung des Schnees die rundlicheren Strukturen, die eine höhere Dichte haben – das verbessert die Stabilität der Schneedecke. Allerdings kann die Tendenz des Schnees zu sublimieren Lawinen begünstigen. Über dem Erdboden liegt die Schneetemperatur meist knapp unter dem Gefrierpunkt, darüber wird es im Winter oft deutlich kälter. An den bodennahen, wärmeren Stellen sublimieren mehr Kristalle. Der Wasserdampf steigt auf und lagert sich dort an, wo es kälter ist. Besonders in lockeren Zwischenschichten können sich so längliche, becherförmige Kristalle aufbauen, die sich kaum mit der Umgebung verbinden – und auf denen die Schichten darüber leicht abrutschen können. Eine gefürchtete „Schwachschicht” entsteht. Tiefenreif nennen die Wissenschaftler dieses Phänomen.
Diese Situation wird im Computertomographen nachgestellt: Unten liegt die Temperatur nahe dem Gefrierpunkt, oben bei variabel einstellbaren Minusgraden. Um die Bedingungen in der Schneedecke nachzuahmen, belasten Gewichte die Proben. Denn in der Natur werden weiter unten liegende Schichten durch das Gewicht der Schneedecke komprimiert und wiegen dann bis zu 400 Kilogramm pro Kubikmeter.
Bevor eine Lawine entstehen kann, muss sich der Kontakt zwischen den einzelnen Schneekristallen der Schwachschicht lösen. Die Kontaktstellen haben eine Größenordnung von 0,1 Millimeter. Lösen sich viele solcher Bindungen auf einmal, entsteht ein Initialbruch. Wenn er breiter ist als die Dicke der darauf liegenden Schichten, also 20 bis 50 Zentimeter, beginnt er sich rasch auszubreiten. Das haben die Davoser Forscher herausgefunden. Mit einer Geschwindigkeit von 20 Metern pro Sekunde rast der Bruch durch den Schnee, oft Hunderte Meter weit. Der Abriss des Schneebretts ist oft so glatt, als ob man ein Stück Schokolade aus dem Hang gebrochen hätte. Das abgebrochene Stück birst und donnert ins Tal.
Schneeprobe in der Milchtüte
Auf mikroskopischer Ebene ist noch wenig über Schwachschichten bekannt. Sie sind nicht einfach zu untersuchen. Denn wie bekommt man sie heil aus der Natur ins Labor? Margret Matzl benutzt dafür halbierte Tetrapak-Milchtüten. Nicht weit vom SLF in Davos steht die Geographin vor einem Schneeprofil, das genauso entstanden ist wie das von Reuter und Steinkogler am Wannengrat. Wo sie die potenzielle Schwachschicht ausgemacht hat, setzt sie den Karton an und stanzt damit einen Quader aus der Schneedecke. Margret Matzl stellt die Milchtüte samt Inhalt auf die Erde. Aus einem mitgebrachten Kanister schüttet sie eine schwarze Flüssigkeit hinein. Die gefärbte Phthalsäure füllt die Hohlräume aus und wird hart – tiefgekühlt durch Trockeneis. Nach einer halben Stunde kann die Forscherin einen festen Block in den Rucksack packen.
Zurück im Labor stellt sie die Milchtüte in eine Vakuumpumpe. Der Schnee sublimiert darin. Zurück bleibt das Negativ der Schneeprobe, das per CT untersucht und am Rechner als Positivbild dargestellt werden kann. Vor den Kältelabors hängt zwischen dicken Daunenoveralls ein Poster, das Matzl bei einer Konferenz in San Francisco gezeigt hat. Darauf sind die ersten Bilder von Schwachschichten aus dem CT zu sehen: Es fällt auf, dass zwei von drei Schichten weitaus luftiger sind als die anderen. In einem Querschnitt sind in der Schwachschicht so wenige Kristalle zu sehen, dass man sofort erkennt: Hier gibt es keinen starken Zusammenhalt, hier ist ein Bruch wahrscheinlich. „Auf dieser Schicht sind letztes Jahr viele Lawinen heruntergegangen”, sagt Matzl. „Aber nicht jede Schwachschicht ist leicht zu erkennen.” Mit ihren Studien will sie einen Katalog verschiedener Schwachschichten erstellen.
Jürg Schweizer, SLF-Leiter und Leiter der Forschungseinheit Lawinen und Prävention, sitzt in seinem Büro in Davos Dorf. Durch das Fenster sieht er auf den Dorfberg. Bevor dort der Hang mit Stahlgittern gesichert wurde, gingen häufig Schneebretter ab. „ Das Problem ist, dass Lawinen sehr schwer zu prognostizieren sind” , sagt Schweizer. „Wenn wir zum Beispiel die Gefahr an 20 Hängen als extrem hoch einschätzen, lösen sich dann vielleicht nur an zweien Lawinen.” Am wichtigsten für die Prognose sind heute Neuschnee-Menge und Wind.
Am Wannengrat haben die Forscher, bevor der erste Schnee fiel, sechs Geophone angebracht – Instrumente, die Erschütterungen messen. Seit vier Wintern sind sie dort. Mittlerweile ist erwiesen, dass Schneebretter eine einzigartige Frequenz aussenden, an der sie sich erkennen lassen. Es ist also vorstellbar, mit solchen Messungen automatisch Lawinen aufzuspüren, was bei Sturm oder Dunkelheit mit Digitalkameras unmöglich ist.
Das Ohr am Hang
Doch was die Forscher letztlich finden wollen, ist ein Geräusch, das auftritt, bevor die Lawine abgeht – sodass noch Zeit bleibt, um zu reagieren. „Wir hoffen, die akustischen Emissionen der Brüche zwischen den Kristallen auffangen zu können” , sagt Jürg Schweizer. „Bei Experimenten im Labor konnten wir solche Signale einige Sekunden vor einem Bruch in einem Schneestück messen.” Doch im Gelände klappt das noch nicht. Denn Lawinen sind sehr seltene Ereignisse – am Wannengrat löst sich im Schnitt eine pro Winter. Das heißt: Es gibt nur einmal im Jahr Daten, die ausgewertet werden können. Naturwissenschaft heißt hier: warten auf die Natur.
Am Hausberg der SLF-Forscher ist alles vorbereitet für diesen Tag. Der Hang am Wannengrat ist in Bezug auf Schnee und Lawinen einer der am aufwendigsten überwachten der Welt. Auf dem Grat sowie links und rechts davon sieht man sieben graue Masten mit kleinen Windrädern an der Spitze: automatische Wetterstationen, die unter anderem Wind, Schneehöhe und Temperatur messen. Digitalkameras blicken auf den Hang, um Lawinenabgänge und Schneeverfrachtungen zu verfolgen. Eine Radarstation auf dem Jakobshorn gegenüber stellt fest, welche Niederschläge in welchen Mengen fallen. Auf einem Felsen am Fuß des Hangs steht eine Plattform – für einen Laserscanner, mit dem man den Hang vor und nach Schneefällen sowie vor und nach Abgängen von Lawinen abtastet. Damit lässt sich erstmals genau messen, welche Mengen an welcher Stelle eines Hanges liegen, ohne die Schneedecke zu zerstören. Im Sommer und Winter wird der Hang gescannt – die Differenz ergibt die Schneehöhe.
Reuter und Steinkogler haben sich bis zum felsigen Boden vorgearbeitet, 22 Schichten aufgenommen, von 2 Millimeter bis 39 Zentimeter Dicke. Nun packen die Forscher ihre Schaufeln. Sie vergrößern das Loch, in dem sie stehen. Hunderte Schneebälle kugeln gen Tal. Bald haben sie einen weißen Block, 2 Meter breit und 1,50 Meter tief, aus dem Hang geschält. Die hintere Seite haben sie mit einem Draht von der umgebenden Schneedecke abgeschnitten. Nun soll sich zeigen, ob von den im Profil identifizierten Schwachschichten ein Schneebrett ausgehen könnte.
Ein Satz auf den Klotz
Ben Reuter kämpft sich auf Skiern hinauf, steht dann oberhalb des Würfels, Walter Steinkogler steht unterhalb. Reuter springt ab, landet mit beiden Skiern auf der Schneedecke des Kubus. Eine Platte bricht heraus und fällt herab, aber nur ein Drittel der Oberfläche rutscht ab. Steinkogler vergleicht die Bruchstelle mit dem Schneeprofil. Die harte Schicht aus der Föhnperiode ist auf der weicheren Schicht abgerutscht. Dort ist eine Schwachschicht, aber sie lässt sich nur schwer von Untergrund lösen. Zudem könnte aus der dünnen Schneeauflage keine gefährliche Lawine werden. „ Dafür müsste über der Schwachschicht mehr Schnee liegen”, sagt Reuter.
Das Gebiet um den Wannengrat wird mit aufwendiger Technik überwacht. Ziel der Forscher ist, auf dem Versuchsfeld Modelle zu entwickeln, die man mit wenigen, einfach zu erfassenden Daten füttern kann – und die dann eine genauere Lawinenprognose zulassen, als heute möglich ist. „In Zukunft wird die Fernerkundung bei der Lawinenwarnung an Bedeutung gewinnen”, meint SLF-Forscher Yves Bühler: Schneehöhenkarten für ganze Regionen könnten dann per Satellit aus dem All erstellt werden.
Inzwischen haben Reuter und Steinkogler die Schaufeln und Messgeräte eingepackt und sind zurück ins Tal gefahren. Jetzt ist hier oben nur noch der Wind zu hören – und eine Armada von Messgeräten wartet auf eine Lawine. ■
Frederik Jötten hat die Lawinenforscher aus Davos bei ihrer schwierigen Arbeit auf den Berghängen über der Stadt begleitet.
von Frederik Jötten
Gut zu wissen: Lawinen
Seit Menschen Bergregionen besiedeln, haben sie mit Lawinen zu kämpfen: große Schnee- oder Eismassen, die sich an Hängen lösen und mit enormer Gewalt ins Tal donnern. Doch Lawine ist nicht gleich Lawine. Es gibt zwei prinzipiell unterschiedliche Arten: Lockerschneelawinen, die von einer Stelle ausgehen und meist harmlos sind – und Schneebrettlawinen, bei denen eine ganze Tafel Schnee entlang eines horizontalen Risses herausbricht und abrutscht. Gefährlich sind sie vor allem für Skifahrer und Bewohner von Ortschaften in engen Tälern. Trockene Schneebrettlawinen erreichen 50 bis 100 Kilometer pro Stunde. In steilem Gelände kann sich daraus eine rasante Staublawine entwickeln, die bis zu 300 Kilometer pro Stunde schnell ist. Besonders gefährlich ist der hohe Druck, der den Staublawinen vorausgeht, und der Sog hinter den weißen Monstern.
Kompakt
· Besonders groß ist das Lawinenrisiko an schattigen Nordhängen, wo Eiskristalle aus Reif eine tückischen Gleitschicht unter einer Neuschneedecke bilden können.
· Um die Schichtung und Stabilität des Schnees zu analysieren, haben Schweizer Forscher einen weltweit einzigartigen Computertomographen entwickelt.
Mehr zum Thema
Internet
Informationen vom WSL-Institut für Schnee- und Lawinenforschung in Davos: www.slf.ch
