Wenn Schnee kollabiert

Edinburgh (Großbritannien)/Fürth - Mit vorsichtig gesetzten Schritten kann man über frischen Schnee wandern ohne tief einzusinken. Steigt die Last jedoch über eine kritische Grenze, sackt man plötzlich im Tiefschnee ein. Dieses Phänomen untersuchten nun deutsche und britische Physiker mit einem eleganten Druck-Experiment genauer. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ berichten, verlor der Schnee ab einer Grenzbelastung seine Mikrostruktur und wurde dabei komprimiert. Ihre Beobachtungen konnten die Forscher auch mit einem theoretischen Modell erklären.

„Bei einer kritischen Last kommt es zu einem Zusammenbruch der Mikrostruktur und damit zu einem plötzlichen Festigkeitsverlust“, sagt Michael Zaiser von der Universität Erlangen-Nürnberg. Zusammen mit seinen Kollegen von der University of Edinburgh füllte er trockenen Schnee in einen Behälter mit einer durchsichtigen Glasfront. Für diese Versuche nutzten die Forscher sowohl sehr homogenen Laborschnee als auch sauberen Naturschnee. Auf die jeweilige etwa 15 Zentimeter hohe Schneeschicht übten sie mit einem Stempel einen genau dosierbaren Druck auf. Das Verhalten des Schnees verfolgten sie mit einer Kamera mit bis zu vier Aufnahmen pro Sekunde.

Sowohl für den Laborschnee als auch den Naturschnee kamen Zaiser und Kollegen zu den gleichen Ergebnissen. Zuerst hielt die Schneesäule dem Druck stand und zeigte keine Veränderung in der inneren Struktur. Doch ab einem kritischen Grenzwert kollabierte die Mikrostruktur der Schneesäule und der Druckstempel sackte plötzlich wenige Zentimeter ab. Dieser Vorgang ließ sich sogar an zuvor komprimierten Schneesäulen mehrfach hintereinander mit jeweils zunehmenden Drücken wiederholen.

Verantwortlich für dieses Verhalten ist der Übergang vom quasi-plastischen und stabilen Zustand des Schnees zu einer Art brüchigen Phase ohne innere Mikrostruktur. Mit einem mathematischen Modell konnten die Physiker dieses Verhalten auch theoretisch rekonstruieren. Diese Ergebnisse entschleiern aber nicht nur das Geheimnis um ein Alltagsphänomen. Zusammen mit der entwickelten Theorie für diese Prozesse mit mikrostrukturellen Zusammenbrüchen könnten auch ein Lawinenrisiko besser abgeschätzt werden.

Um den Kollaps der Mikrostruktur selbst genauer betrachten und verstehen zu können, schlagen Zaiser und Kollegen das Verfahren der Röntgen-Mikrotomographie vor. Allerdings sei die Zeitauflösung dieser Methode bisher noch zu gering. So könnten bisher nur Aufnahmen vor und nach dem Kollaps aufgenommen werden, von denen sich Zaiser aber auch schon weitere Erkenntnisse verspricht.