8.3 Physikalische Eigenschaften der Schneedecke

8.3.1 Thermische Eigenschaften

Die Wärmekapazität von Schnee entspricht etwa derjenigen von Eis (bei 0°C 2.106 J/(kg∙ K) (relativ hohe Kapazität, daher Isolationseffekt einer Schneedecke/Faktor für landwirtschaftliche Nutzung). Sie verringert sich mit sinkender Temperatur. Die latente Schmelzwärme von Schnee bei 0°C und Normaldruck beträgt 335 kJ/kg. Bei der Wärmeleitfähigkeit von Schnee handelt es sich um eine struktur- und texturabhängige effektive Wärmeleitfähigkeit. Sie nimmt mit wachsender Schneedichte zu und liegt zwischen derjenigen von Luft (0,0247 W/(m∙ K)) bei 0°C und Eis (2,2 W/(m∙ K)).

In Abb. 8.1 sind charakteristische Temperaturprofile mit den Varianten Ausstrahlungswetter (bzw. nachts, a) und Einstrahlungswetter (bzw. tagsüber, b) zusammengestellt:

  1. kalter Schnee mit oberflächennahem Temperaturgradient von bis zu 10 °C/10 cm, gegenüber 1 °C/10 cm nahe der Schneedeckenbasis. Gegenüber der Lufttemperatur 5 - 10 °C tiefere Temperaturen an der Schneedeckenoberfläche (in Mitteleuropa: Hochwinter-, Hoch- u. Freilagenschneedecken);
  2. Übergangsstadium von kaltem zu temperiertem Schnee. Die Temperaturgradienten betragen unterhalb der tageszeitlich beEinflussten Schicht im dm-Bereich etwa 0,5 °C/10 cm
  3. temperierter Schnee
Abb 8.1: Temperaturverteilung in Schneedecken (aus Herrmann 1978) (1) Hochwinter-, Hoch- und Freilagenschneedecken, (2)/(3) Frühjahrs-/Frühsommer-, Tieflagen- und Waldschneedecken (Mitteleuropa).

8.3.2 Hydraulische Eigenschaften

Perkolation in einer Schneedecke

Literatur: Schneedeckenphänomene am "Punkt":

Wankiewicz, A. (1979): A review movement in snow.- In: Modeling of Snow Cover Runoff (ed. by S.C. Colbeck & M. Ray), Proc. Meeting, Hanover, New Hampshire, Sept. 1978, US Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, New Hampshire: Überblick zur Wasserbewegung (Perkolation) in der Schneedecke (Punkt, Hang, Gebiet).

Forschungsprojekt: Untersuchung des Wassertransportes und Tracerverfrachtung durch Schnee. Universität Innsbruck / Naturwissenschaftliche Fakultät, Institut für Experimentalphysik: Publikation: Wilhelm Th., J. Rechenmacher, A. Denoth: Water and tracer movement through snow. ISSW 92, in press.

Stichworte: Schmelzwassertransport; Filtergeschwindigkeit; Retentionsvermögen: Schnee; Metamorphose; Fremdstofftransport: Schnee; hydraulische Leitfähigkeit

Messung der Filter- und Partikelgeschwindigkeit. Erfassung des Einflusses der Schneemetamorphose. Untersuchung der Bedingungen, die zur Ausbildung von Schockfronten im Sickerfluss führen. Messung des Wasserspeichervermögens der Schneedecke (irreduzible Sättigung). Untersuchung des Transportes von Fremdstoffen mit der Farbtracermethode.

Die Perkolation einer homogenen Schneedecke für Wasser wächst mit der 3,3-ten Potenz ihrer effektiven Wassersättigung (Colbeck 1972), die als Quotient des Flüssigwasservolumens zum Porenvolumen definiert ist. Eine Änderung der Perkolation kann mit der Korngröße, der Schneedichte und der Porosität eintreten. Die Kenntnis des Metamorphosezustandes einer Schneedeckenspeichers ist also Voraussetzung für die Beurteilung seiner hydraulischen Eigenschaften (Colbeck & Anderson 1982). Hohe Durchlässigkeiten sind bei einer Lagerungsdichte um 400 - 450 kg/m3 zu beobachten (Bertel 1966).

Nach Quervain (1972) kann die Wasserbewegung in Schneedecken mit den folgenden Modellen beschrieben werden (vgl. Baumgartner & Liebscher 1996):

Wasserfilmfließen (engl. film flow):

bei Überschreiten der strukturellen Retentionskapazität der Schneedecke. Auf den Eiskörnern bildet sich zusätzlich zum immobilen Wasserfilm ein mobiler Wasserfilm (bei laminar-viskosem Fließansatz: 1,0 · 10-4 cm/s, Vertikalfluss);

Wasserfilmfließen
U = ρ · g · δ 2 3 η
U: Filmfließgeschwindigkeit
ρ: Dichte von Wasser
g: Erdbeschleunigung
δ: Dicke des Wasserfilms
η: Viskosität des Wassers

Röhrenfließen:

Ansammlung von Filmflusswasser in Kapillaren, Durchfluss in unregelmäßig geformten Röhren mit Geschwindigkeiten von 1 cm/s (bei 0,5 - 1 mm Korndurchmesser) bis 2,5 cm/s (2 - 4 mm);

Darcy-Fließen (darcian flow, Colbeck 1971):

entsprechend diesem Fließgesetzes kann der vertikale Volumenfluss VW wie folgt beschrieben werden:

Darcy-Fließen
V W = - k μ p z + ρ · g
VW = -(k/μ) ∙ (dp/dz) + ρg
k: Durchlässigkeit
μ: dynamische Viskosität von Wasser
dp/dz: Gradient
ρ: Dichte von Wasser
g: Erdbeschleunigung

Durchlässigkeiten für Schneedichten von 350 - 385 kg/m3 mit mittlerer Korndurchmessern: 0,56 cm/s.

8.3.3 Metamorphoseprozesse in einer Schneedecke

Unter Schneemetamorphose versteht man in Anlehnung an de Quervain (1963) die Umwandlung und Neubildung von Schneekristallen durch Druck, Regelation (Schmelzen und Wiedergefrieren), Molekulardiffusion und Konvektion im Porenraum in der Schneedecke. Man unterscheidet zwischen

  • abbauender (isotherme) Metamorphose [equi-temperature methamorphism = ET metamorphism]. Durch Molekularbewegungen überwiegend in der Dampfphase wird eine Minimierung der freien Oberflächenenergie angestrebt: Kornbildung und -wachstum.
  • aufbauender Metamorphose bei Temperaturgefälle [temerature-gradient metamorphism = TG].
  • Schmelz-Gefrier-Metamorphose [melt-freeze metamorphism = MF]
Abb. 8.2: Metamorphoseprozesse (aus Nakawo & Hayakawa 1998)

Schneemetamorphose: Umwandlung bzw. Neubildung von Schneekristallen durch Druck, Regelation (Schmelzen und Wiedergefrieren), Molekulardiffusion und thermodynamische Instabilitäten in der Schneedecke (in Anlehnung an de Quervain 1963). Bedingungen:

  • Temperatur um den Tripelpunkt,
  • Kristallinität und Anisotropie,
  • geringe Viskosität, Porosität (durchgängig für Wasser und Luft, permeabel)