Wasser hat je nach Umgebungstemperatur drei Zustände: Es liegt als festes Eis oder Schnee, flüssiges Wasser oder gasförmiger Wasserdampf vor. Doch jeder, der schon einmal in einen Schneesturm geraten ist, weiß, dass Schnee nicht gleich Schnee ist. Manchmal sind die Flocken zartweich, dann wieder eisig hart – vor allem bei vom Wind verwehtem Schnee. Solche Schneeverwehungen kommen in Berglagen und Polarregionen häufig vor. Dabei verlagern sich mitunter riesige Schneemassen. Aber verändert der Wind dabei die Form und den Zustand der Schneekristalle?
Massive Wechselwirkungen zwischen Schnee und Atmosphäre
Dies hat ein Team um Sonja Wahl von der École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) in Sion nun anhand von Experimenten in einem ringförmigen Windkanal untersucht. Dabei analysierten die Klimaforscher per Mikrocomputertomographie die Größe, Form und Zusammensetzung der Schneekristalle. Außerdem analysierten sie die Anteile verschiedener natürlicher Isotope des Wasserstoffs und Sauerstoffs in den Wassermolekülen. Weil festes, flüssiges und gasförmiges Wasser unterschiedliche Anteile der schweren und leichten Wasserstoff- und Sauerstoff-Isotope enthält, lässt sich daraus auf den jeweiligen Zustand der Schneeflocken schließen. Auch Phasenübergänge, etwa von fest zu gasförmig, lassen sich daran erkennen.
Die Versuche ergaben: Wenn der Wind Schneeflocken herumwirbelt, formt er die Eiskristalle zum einen mechanisch um, indem er sie zerkrümelt und zerreibt. Sie werden so kleiner und verformen sich. Darüber hinaus wechselt das Wasser der Schneekristalle im Wind häufig zwischen fester und gasförmiger Phase hin und her. Ein Teil des sublimierten Wasserdampfes gelangt dabei in die Atmosphäre zurück, die Kristalle schrumpfen. Kleinere Flocken können sich dadurch komplett auflösen. Bei besonders starkem Schneetreiben kann es jedoch auch zum umgekehrten Prozess kommen: Dann nehmen Schneekristalle den Wasserdampf aus der Umgebung wieder auf, verfestigen ihn und wachsen dadurch mit der Zeit. Sie bilden dann eine eher rundliche Form.
„Die Ergebnisse der Windkanaluntersuchungen zeigten, dass es einen Temperaturunterschied zwischen Partikeln und Luft gibt, insbesondere bei größeren Partikeln, der die Ablagerung von Dampf und damit das Partikelwachstum begünstigt, während kleinere Partikel vollständig sublimiert werden“, so das Team. Durch diese Wechsel der Wasser-Aggregatzustände im Schnee verändert sich die lokale Energiebalance und auch die Luftfeuchtigkeit und der Wasserhaushalt in der Umgebung. „Es handelt sich um einen bisher unbeobachteten Prozess“, so die Forschenden.
