L Kryosphäre. Schnee. Dienstag, 27. November 2018

Transkript

1 L Kryosphäre Schnee Dienstag, 27. November 2018 Bildung von Schneekristallen Aufbau / Umwandlung der Schneedecke Stabilität der Schneedecke Schnee und Klimaveränderung

2 Schnee als wichtiger Umweltfaktor Schnee beeinflusst die Albedo der Erdoberfläche

3 Pardé-Koeffizient Schnee als wichtiger Umweltfaktor Schnee beeinflusst das Abflussregime von Gebrigsbächen Jan Feb Mar Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Glaciaire Nival Pluvial

4 Schnee als wichtiger Umweltfaktor Schnee beeinflusst das Ökosystem: Schutz für Pflanzen, Länge der Vegetationsperiode

5 Schnee als wichtiger Umweltfaktor Schnee bestimmt das Leben im Gebirge: Lawinen, Stürme

6 Schnee als wichtiger Umweltfaktor Schnee beeinflusst den Wintertourismus

7 Schnee als wichtiger Umweltfaktor Schnee beeinflusst alle anderen Komponenten der Kryosphäre: - Gletschermassenbilanz - Permafrost - Meereis

8 Schnee: Grundeigenschaften Schnee: Geschichtetes Sediment - Hohe Albedo / starke Variabilität - Grosse Dichte-Unterschiede - Guter Isolator - Wasserspeicher

9 Schnee: Erscheinungsformen

10 Historischer Rücklick 135 v. Chr.: Chinesische Gelehrte beschreiben die sechseckige Geometrie von Schneekristallen Eines der ältesten Forschungs-Themen der Wissenschaft 1611: Johannes Kepler 1635: René Descartes 1665: Robert Hooke 1931: Wilson Bentley 1954: Ukichiro Nakaya

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12 Das hexagonale Kristallsystem Schneekristalle kristallisieren immer* im hexagonalen System (eines der sieben in der Kristallographie / Geologie bekannten Systeme) * Ausnahmen bei extremen Druckbedingungen (kommt auf der Erde nicht vor) Symmetrie bei Drehung um 60 auf der c-achse c-achse und a-achsen sind ungleich lang In direktem Zusammenhang mit der Anordnung der Atome

13 Das hexagonale Kristallsystem Symmetrie bei Drehung um 60 auf der c-achse c-achse und a-achsen sind ungleich lang Eine Vielzahl von mögichen Formen Welche Faktoren bestimmen die Wachstumseigenschaften der Schnee-Kristalle?

14 Bildung von Schneekristallen Wichtige physikalische Grundlagen für die Eisbildung: - Latente Energie für Kondensation / Gefrieren - Relative Luftfeuchtigkeit: Kann gesteigert werden durch (1) Erhöhung der Wasserdampfmenge in der Luft, (2) durch Reduktion der Temperatur Aggregatszustände und Phasenübergänge von Wasser

15 Phasendiagramm für Wasser

16 Prozent Eiskristalle Bildung von Schneekristallen Lufttemperatur (deg C)

17 Bildung von Schneekristallen: Sättigungsdampfdruck / unterkühltes Wasser

18 Luftdruck Bildung von Schneekristallen Wenn sich ein Eiskristall in einer Umgebung mit vielen unterkühlten Wassertröpfen befindet, ist die Situation instabil. Der Sättigungsdampdruck über Eis ei < ew (über Wasser) bei gleicher Temperatur. Die Eiskristalle wachsen durch Diffusion von Wasserdampf und die unterkühlten Wassertröpfen verdampfen um dies zu kompensieren. Der Wasserdampftransfer hängt von [ew - ei] ab. Die Eiskristalle wachsen auf Kosten der koexistierenden Wassertröpfchen, die versuchen den Sättigungsdampfdruck (für Wasser) aufrecht zu erhalten: Findeisen-Bergeron Prozess. Dieser Prozess beschreibt die Entstehung grosser Tropfen in Wolken. Voraussetzung ist ein Gemisch von Wassertröpfchen und Eiskristallen in einer Mischwolke. Über Eis herrscht ein geringerer Sättigungsdampfdruck als über Wasser gleicher Temperatur. Während über Eis die Luft schon gesättigt ist, kann über dem Wassertropfen der gleichen Temperatur noch Wasser verdunsten. Kommt es zu einer Übersättigung der Luft bezüglich des Eises, tritt Resublimation an vorhandene Eiskristalle ein, wodurch diese durch die Aufnahme von unterkühlten Wassertröpfchen wachsen. Wenn sie gross genug sind, beginnen sie zu fallen, kommen in wärmere Luftschichten und schmelzen zu Tropfen. Beim Ausfallen durch die Wolke oder darunter liegende Wolken werden weitere Tröpfchen aufgesammelt, die die Grösse und die Fallgeschwindigkeit weiter erhöhen. Eis Sättigungsdampfdruck über Wasser Bereich mit EisÜBERsättigung / WasserUNTERsättigung Sättigungsdampfdruck über Eis Flugzeugstreifen als Ausdruck von diesem Prozess Wasserdampf Temperatur

19 Bildung von Schneekristallen Kristallwachstum in Abhängigkeit der Lufttemperatur: Differenz zwischen Wasser- und Eis- Sättigungskurve!

20 Bildung von Schneekristallen Maximale Sättigungsdifferenz zwischen - 10 und -22 deg C Wachstum typischer Schneekristalle! Kristallwachstum in Abhängigkeit der Lufttemperatur: Differenz zwischen Wasser- und Eis- Sättigungskurve!

21 Bildung von Schneekristallen Nakaya-Diagramm

22 Bildung von Schneekristallen Zwei grundsätzliche Mechanismen des Wachstums: 1. Temperaturabhängigkeit des Habitusüberganges (x-achse) 2. Morphologische Instabilität in Abh. der Übersättigung der Dampfphase (y-achse)

23 Bildung von Schneekristallen: Zusammenfassung der grundlegenden Prozesse

24 Schneemetamorphose Starke Veränderungen der Schneeeigenschaften nach der Ablagerung! Unterscheidung von vier Arten der Schnee- Metamorphose: - (Mechanisch) - Abbauend - Aufbauend - Schmelzumwandlung

25 Mechanische Umwandlung Keine «Metamorphose» im engeren Sinn Während des Schneefalls (v.a. bei Wind): Zusammenstossen von Schneekristallen führt zu abgerundeten/fragmentierten Einzelkristallen In der Schneedecke: Durch Druck der überlagernden Schichten Besonders wichtig bei Triebschnee (Lawinengefahr!)

26 Schneemetamorphose Bei der Schneemetamorphose handelt es sich um die Umwandlung und den Abbau der primären Strukturen von zusammenhängenden Eiskristallen im Schnee. Verantwortlich dafür sind kontinuierliche Druck-, Reibe- sowie Schmelz- und Wiedergefrier- Prozesse (Regelation). Sie werden durch Grössen wie Schneetemperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck und Windgeschwindigkeit beeinflusst. Schneedecken mit Neuschneekristallen besitzen einen hohen Luftanteil (bis zu 95%). Neuschnee beginnt daher sich sofort zu verfestigen und umzuwandeln, wobei die ursprüngliche Form der Schneekristalle zunächst bewahrt bleibt. Durch Wind und beständiges Reiben der Kristalle gegeneinander brechen die Kristalle. Verdichtet sich der Schnee unter seinem eigenen Gewicht weiter, schmilzt und gefriert er, sodass die Kristalle nach ein paar Tagen nur noch wenig Ähnlichkeit mit ihrer ursprünglichen Form aufweisen. Eine Schneedecke besteht dabei aus Kristallen mit Radien zwischen 0.1 bis 0.5mm. Typische Eigenschaften einer Schneedecke: Die Höhe der Schneedecke variiert räumlich stark Die Dichte des Schnees variiert mit der Tiefe stark: Neuschnee 70 kg m 3 (7%Wasser, 93%Luft); Nassschnee 500 kg m 3 (50% Wasser, 50% Luft) Die Grösse und die Form der Schneekörner ist sehr variabel Die Luft zwischen den Schneekörnern ist gesättigt (100% relative Feuchtigkeit) Die Schneetemperatur ist generell wärmer in Bodennähe (Schnee ist guter Isolator) Innerhalb der Schneedecke ist ein nicht linearer Temperaturgradient mit der Tiefe vorhanden

27 Schneemetamorphose Die Schnee-Metamorphose hängt von den folgenden Faktoren ab: Temperatur in der Schneedecke (Trocken-Metamorphose mit T < 0 deg C oder Nassschnee-Metamorphose mit T = 0 deg) Schmelze Temperaturgradient in der Schneedecke Wasserdampfgradient in der Schneedecke Geometrie des Schneekorns (Krümmung) Wind

28 Schneemetamorphose Die Trockenschnee-Metamorphose ist im Wesentlichen vom Temperaturgradienten in einer Schneedecke abhängig. Man unterscheidet zwischen dekonstruktiver (abbauender) und konstruktiver (aufbauender) Metamorphose. Destruktive oder abbauende Metamorphose findet bei einem nur geringem Temperaturgradienten (< 15 deg C/m) in der Schneedecke statt. Nach Ablagerung von Neuschnee erfolgt unmittelbar der Abbau der Schneekristalle. Durch Abbrechen von überstehenden Strukturen der Kristalle wie Äste oder Spitzen verringert sich die Oberfläche und Größe der Schneekörner. Mit der Zeit werden die Körner runder und formen sich zu einer Kugelgestalt mit Durchmessern von bis zu 0.5 mm. Der Porenraum zwischen den Schneekörnern verkleinert sich und das Volumen nimmt ab. In der Folge verdichtet und setzt sich die Schneedecke. Die abbauende Metamorphose dauert bei ca. -5 deg C in der Regel 1 bis 2 Wochen. Sie erreicht bei höheren Temperaturen und steigendem Druck jedoch grössere Wachstumsraten. Konstruktive bzw. aufbauende Metamorphose entsteht bei einem mittleren bis grossen Temperaturgradienten (> 15 deg C/m) im Schneepaket. Dabei wachsen grosse Schneekristalle auf Kosten von kleineren an und lassen neue Kristallformen entstehen. Schnellere Wachstumsraten bewirken dabei eine höhere Formenvielfalt der Eiskristalle, die sich zu prismatischen, quaderartigen, pyramiden- oder säulenförmigen Schneekörnern herausbilden können. Ist trockener Schnee einem großen Temperaturgradienten ausgesetzt, so bilden sich kristalline Hohlformen, so genannte Becherkristalle oder es kommt zur Entstehung von Schwimmschnee. Becherkristalle können eine Grösse von bis zu 1 cm erreichen. Dabei kontrolliert das Kristallwachstum die Bewegung und Umverteilung von Masse, chemischen Substanzen und Isotopen in der Schneedecke. Derartige Kristallformen haben eine geringe Festigkeit von Schnee zur Folge. Mit der Entstehung von grösseren Körnern wird auch der Porenraum aufgrund von weniger Kontaktpunkten untereinander weiträumiger und Schneedecken sind dann weniger belastbar. Im Vergleich zur destruktiven läuft die konstruktive Metamorphose wesentlich langsamer ab. Sie kann bis zur Bildung der Becherkristalle 4 Wochen dauern.

29 Wichtigster Prozess der Schneeumwandlung über den grössten Teil des Winters: Verdichtung der Schneedecke Bildung interner Schichten Einfluss auf Lawinengefahr

30 Schneemetamorphose Temperaturgradient entscheidet darüber ob abbauende oder aufbauende Metamorphose stattfindet Hoher T-Gradient mit (1) sehr kalter Lufttemperatur, (2) geringer Schneehöhe Temperatur an der Basis der Schneedecke: 0 Grad C (Erdwärmefluss) Ausnahme: Permafrost-Boden

31 Abbauende Metamorphose Kleine Temperaturgradienten: < 15 deg C / m Geringster Partialdruck

32 Abbauende Metamorphose Kleine Temperaturgradienten: < 15 deg C / m

33 Aufbauende Metamorphose Grosse Temperaturgradienten: > 15 deg C / m

34 Aufbauende Metamorphose Endprodukt der aufbauenden Umwandlung: Becherkristalle («Schwimmschnee») Wachstum begünstigt durch: 1. hohen T-Gradient: kleine Schneehöhen (Frühwinter), Schattenlagen 2. Lockeren Schnee: Gute Luftzirkulation Anzahl Bindungen nimmt ab Reduktion der Festigkeit

35 Schmelz-Metamorphose Schneeschmelze: T = 0 deg C

36 Schmelzwasser in der Schneedecke Schmelzwasserperkolation: «Aufwärmen» der Schneedecke Relativ wenig Energie nötig um Schnee auf 0 Grad C zu erwärmen Viel Energie nötig um Schnee zu schmelzen

37 Schneemetamorphose: Zusammenfassung

38 Jahresschichten der Akkumulation Bildung von Firn

39 0.83 g/cm g/cm3 Tiefe g/cm3 Dichte Verschiebung der Körner gegeneinander dichteste Kugelpackung Sintern: Zusammenwachsen der Eiskörner. Geschwindigkeit abh. von Temperatur und Wasserangebot Schnee Firn Eis Firn Eis Druck Temperatur Zeit Gletschereis Poren (mit Luft oder Wasser gefüllt, je nach Temperatur) sind nicht mehr verbunden Firnkompaktionsgeschwindigkeit abh. von: - Temperatur - Akkumulationsrate

40 Schneedecken- Stabilität Lawinen!

41 Massgebliche Faktoren für Lawinen sind: - Hangneigung - Triebschnee - eingeschneiter Oberflächenreif - Schwimmschnee Schneedecken-Stabilität Lawinen möglich ab 30 Hangneigung

42 Schneeumverteilung durch Wind

43 Schneeumverteilung Schneeumverteilung bestimmt tatsächliche Schneehöhe im Gelände massgeblich! Zwei Typen: 1. Umverteilung während Niederschlagsereignis Umverteilung durch Wind 2. Erosion nach der Ablagerung des Schnees Luv Lee

44 Typische Situationen für Schneeablagerung Schneeumverteilung Umlagerung angetrieben durch unterschiedliche Windgeschwingkeit

45 Oberflächenreif Bildung feiner Kristalle an der Schneeoberfläche durch Re- Sublimation von Luftfeuchtigkeit

46 Oberflächenreif Bewölkte Nacht kein Oberflächenreif Klare Nacht Oberflächenreif Weitere Bedingungen: Genügend hohe Luftfeuchtigkeit Schwacher Wind

47 Oberflächenreif Eingeschneiter Oberflächenreif Falls eingeschneit, heikle Schwachschicht in der Schneedecke, die durch Zusatzbelastung brechen kann.

48 Schwimmschnee Dieser Prozess wird insbesondere durch einen inhomogenen Schichtaufbau gefördert, da harte Schneeschichten mit ihrer grösseren Anzahl Eiskristalle wärmeleitfähiger sind, so dass es beispielsweise unter Harschschichten zu besonders starken Temperatursprüngen kommt. In diesem Bereich wird der darunter liegende Schnee zu Schwimmschnee aufgebaut. Schwimmschnee hat aufgrund seiner Kristallstruktur nur einen sehr schlechten oder gar keinen Verbund. Schwimmschnee eignet sich damit hervorragend als Gleitschicht für ein Schneebrett. Die darüber liegenden Schichten gleiten dann auf der instabilen Schwimmschneeschicht ab. Die besondere Gefahr von Schwimmschnee gegenüber anderen potentiellen Gleitschichten wie eingeschneitem Oberflächenreif besteht darin, dass er nachträglich entsteht. Dadurch kann ein bereits sicherer Hang später erneut lawinengefährdet sein. Auch ist das Vorliegen von Bedingungen, unter denen Schwimmschnee entsteht, viel weniger offensichtlich, als beispielsweise die Entstehung von Reif oder Triebschnee.

49 Schneedecke - Klima Dank seiner hohen Albedo spielt die Schneedecke eine massgebende Rolle in der globalen Energiebilanz Anteil der schneebedeckten Fläche bestimmt globale Mitteltemperatur Von der Erde absorbierte Sonnenenergie: Von der Erde emittierte Leistung: Totale, von der Erde emittierte Energie:

50 Schneedecke - Klima Strahlungsbilanz der Erde (dividiert durch Oberfläche): Aufgelöst nach der Luft-Temperatur: Absorbierte / emitierte Energie: 237 W / m2 Mittlere Temperatur: -22 Grad C Tatsächliche Mitteltemperatur der Erde: 13 Grad C Treibhauseffekt Eine Änderung der Albedo um 1% bewirkt eine Temperatur- Änderung von 1 Grad C!

51 Schneedecke - Klima Extreme Rückkoppelungs-Effekte sind möglich: Snowball Earth vor ca. 700 Millionen Jahre

52 Schneedecke - Klima Globale Veränderung der Schnee-Bedeckung (IPCC, 2014)

53 Schneedecke - Klima (Marty, 2008) Regime-Shift in den Tagen mit Schnee in der Schweiz um ca In allen Höhenlagen Snowdays stark mit Temperatur korreliert Jahres-Schwankungen durch North Atlantic Oscillation (NAO)

54 Schneedecke - Klima Anzahl Schneetage in Mürren (1600 m.ü.m.) während des 21ten Jahrhunderts Marty et al. 2017