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Die Schneewissenschaft befasst sich mit der Entstehung von Schnee und Eis, seiner Verteilung und den Prozessen, die die Veränderung von Schneedecken im Laufe der Zeit beeinflussen. Wissenschaftler verbessern die Sturmvorhersage, untersuchen die globale Schneedecke und ihre Auswirkungen auf das Klima, die Gletscher und die Wasserversorgung auf der ganzen Welt. Die Untersuchung umfasst die physikalischen Eigenschaften des sich verändernden Materials, die Volumeneigenschaften von Schneedecken an Ort und Stelle und die Gesamteigenschaften von Regionen mit Schneedecken. Dabei setzen sie sowohl physikalische Messverfahren vor Ort als auch Fernerkundungsverfahren und Simulationen ein, um das Verständnis für schneebezogene Prozesse in großen Gebieten zu entwickeln.[1]
Schnee wurde in China bereits 135 v. Chr. in Han Yings Buch Disconnection beschrieben, in dem die fünfeckige Symmetrie der Blumen der sechseckigen Symmetrie des Schnees gegenübergestellt wird.[2] Albertus Magnus lieferte 1250 die wohl früheste detaillierte europäische Beschreibung des Schnees. Johannes Kepler versuchte in seinem Buch Strena seu De Nive Sexangula (1611) zu erklären, warum Schneekristalle sechseckig sind.[3] Im Jahr 1675 katalogisierte der deutsche Arzt Friederich Martens 24 Arten von Schneekristallen. Im Jahr 1865 veröffentlichte Frances E. Chickering das Buch Cloud Crystals - a Snow-Flake Album.[4][5] 1894 fotografierte A. A. Sigson Schneeflocken unter dem Mikroskop und ging damit Wilson Bentleys Fotoserie von einzelnen Schneeflocken in der Monthly Weather Review voraus.
Ukichiro Nakaya begann 1932 mit einer umfassenden Studie über Schneeflocken. Von 1936 bis 1949 schuf Nakaya die ersten künstlichen Schneekristalle und zeichnete die Beziehung zwischen Temperatur und Wasserdampfsättigung auf, die später als Nakaya-Diagramm bezeichnet wurde, sowie weitere Forschungsarbeiten über Schnee, die 1954 von der Harvard University Press unter dem Titel Snow Crystals: Natural and Artificial veröffentlicht wurden. Teisaku Kobayashi überprüfte und verbesserte das Nakaya-Diagramm mit dem Kobayashi-Diagramm von 1960, das später im Jahr 1962 verfeinert wurde.[6]
Das Interesse an der Entstehung künstlicher Schneeflocken setzte sich 1982 fort, als Toshio Kuroda und Rolf Lacmann von der Technischen Universität Braunschweig „Growth Kinetics of Ice from the Vapour Phase and its Growth Forms“ veröffentlichten.[7] Im August 1983 synthetisierten Astronauten während der Mission STS-8 mit dem Space Shuttle Challenger Schneekristalle in der Umlaufbahn. 1988 bestätigten Norihiko Fukuta et al. das Nakaya-Diagramm mit künstlichen Schneekristallen, die in einem Aufwind erzeugt wurden[8] und Yoshinori Furukawa zeigten das Wachstum von Schneekristallen im Weltraum.[9]
Schneeforscher heben in der Regel eine Schneegrube aus, in der sie grundlegende Messungen und Beobachtungen durchführen. Die Beobachtungen können Merkmale beschreiben, die durch Wind, Versickern von Wasser oder Abladen von Schnee von Bäumen verursacht werden. Das Versickern von Wasser in einer Schneedecke kann zu Fließfingern und Pfützenbildung führen oder entlang von Kapillarbarrieren fließen, die zu horizontalen und vertikalen festen Eisformationen innerhalb der Schneedecke gefrieren können. Zu den Messungen der Eigenschaften von Schneedecken (zusammen mit ihren Codes), die in der Internationalen Klassifikation des saisonalen Schnees am Boden aufgeführt sind, gehören:
Höhe - Die Schneedeckenhöhe wird mit einem Weberbrett (in der Regel ein weiß gestrichenes Stück Sperrholz) gemessen, das während eines Zeitraums von sechs Stunden beobachtet wird. Am Ende des Sechs-Stunden-Zeitraums wird der gesamte Schnee von der Messfläche geräumt. Zur Ermittlung des täglichen Gesamtschneefalls werden vier sechsstündige Schneemessungen addiert. Schneefall kann aufgrund von Schmelzen, Verdichtung, Verwehungen und Verwehungen sehr schwierig zu messen sein.[10]
Flüssigkeitsäquivalent durch Schneemesser - Das Flüssigkeitsäquivalent von Schneefall kann mit einem Schneemesser ermittelt werden[11] oder mit einem Standard-Regenmesser mit einem Durchmesser von 100 mm oder 200 mm.[12] Regenmesser werden auf den Winter eingestellt, indem der Trichter und der innere Zylinder entfernt werden und sich der Schnee bzw. der gefrierende Regen im äußeren Zylinder sammeln kann. Frostschutzmittel kann hinzugefügt werden, um den Schnee oder das Eis zu schmelzen, das in den Regenmesser fällt.[13] Bei beiden Messgeräten wird der Schnee geschmolzen und die Wassermenge aufgezeichnet, sobald sich der Schneefall/Eis angesammelt hat oder wenn die Höhe im Messgerät 300 mm erreicht.
Die Internationale Klassifikation des saisonalen Schnees am Boden enthält eine umfassendere Klassifikation des abgelagerten Schnees als die des Schnees aus der Luft. Eine Liste der wichtigsten Kategorien (zusammen mit ihren Codes) umfasst:
Die Klassifizierung von gefrorenen Partikeln erweitert die früheren Klassifizierungen von Nakaya und seinen Nachfolgern und ist in der folgenden Tabelle aufgeführt:
Unterklasse | Form | Physikalischer Prozess |
---|---|---|
Säulen | Prismatischer Kristall, fest und hohl | Wachstum aus Wasserdampf bei −8 °C und unter −30 °C |
Nadeln | Nadeln, zylindrisch | Wachstum aus Wasserdampf bei Übersättigung bei −3 bis −5 °C unter −60 °C |
Platten | Meist hexagonal | Wachstum aus Wasserdampf bei 0 bis −3 °C und −8 bis −70 °C |
Stellare, Dendriten | Sechsfach sternförmig, flächig oder räumlich | Wachstum aus Wasserdampf bei Übersättigung bei 0 bis −3 °C und bei −12 bis −16 °C |
Irregulare Kristalle | Cluster aus sehr kleinen Kristallen | Wachstum von Polykristallen bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen |
Graupel | Stark gerandete Teilchen, kugelförmig, kegelförmig,
hexagonal oder unregelmäßig geformt |
Starke Randbildung der Partikel durch gefrieren von Regentropfen oder Wiederauffrieren von weitgehend geschmolzenen Schneekristallen oder Schneeflocken. |
Hagel | Laminare innere Struktur, durchscheinende
oder milchig glasierte Oberfläche |
Anlagerung von unterkühlten Wassertröpfchen Wachstum durch Akkretion von unterkühltem Wasser, Größe: >5 mm |
Eis-Pellets | Durchsichtig,
meist kleine Sphäroide |
Anhäufung von kleinen, unterkühlten Nebeltröpfchen, die an Ort und Stelle gefrieren.
Graupel oder Schneekugeln, die von einer dünnen Eisschicht umgeben sind (kleiner Hagel). Größe: jeweils 5 mm |
Reif | Unregelmäßige Ablagerungen oder längere Kegel und
Nadeln, die in den Wind zeigen |
Anhäufung von kleinen, unterkühlten Nebeltröpfchen, die an Ort und Stelle gefrieren.
Wenn der Prozess lange genug anhält, bildet sich eine dünne, zerbrechliche Kruste auf der Schneeoberfläche. |
Alle bilden sich in Wolken, mit Ausnahme von Reif, der sich auf Objekten bildet, die unterkühlter Feuchtigkeit ausgesetzt sind, und einigen Platten, Dendriten und Sternchen, die sich bei einer Temperaturinversion unter klarem Himmel bilden können.
Jede dieser Schichten einer Schneedecke unterscheidet sich von den angrenzenden Schichten durch ein oder mehrere Merkmale, die ihre Mikrostruktur oder Dichte beschreiben und die zusammen die Schneeart und andere physikalische Eigenschaften definieren. Daher müssen zu jedem Zeitpunkt die Art und der Zustand des Schnees, der eine Schicht bildet, definiert werden, da seine physikalischen und mechanischen Eigenschaften davon abhängen. Die Internationale Klassifikation des saisonalen Schnees am Boden legt die folgenden Messungen der Schneeeigenschaften (zusammen mit ihren Codes) fest:
Die Fernerkundung von Schneedecken mit Satelliten und anderen Plattformen umfasst in der Regel eine multispektrale Erfassung von Bildern. Eine ausgefeilte Interpretation der gewonnenen Daten ermöglicht Rückschlüsse auf das, was beobachtet wird. Die wissenschaftlichen Erkenntnisse, die diesen Fernbeobachtungen zugrunde liegen, wurden durch Bodenuntersuchungen der tatsächlichen Bedingungen verifiziert.
Satellitenbeobachtungen zeigen einen Rückgang der schneebedeckten Flächen seit den 1960er Jahren, als die Satellitenbeobachtung begann. In einigen Regionen, z. B. in China, wurde ein Trend zur Zunahme der Schneedecke beobachtet (von 1978 bis 2006). Diese Veränderungen werden auf den globalen Klimawandel zurückgeführt, der zu einem früheren Abschmelzen und einer geringeren Schneebedeckung führen kann. In einigen Gebieten kann es jedoch zu einer Zunahme der Schneehöhe aufgrund höherer Temperaturen in Breitengraden nördlich von 40° kommen. Für die nördliche Hemisphäre insgesamt ist die mittlere monatliche Schneedeckenausdehnung um 1,3 % pro Jahrzehnt zurückgegangen.[14]
Die Satellitenbeobachtung von Schnee beruht auf der Nützlichkeit der physikalischen und spektralen Eigenschaften von Schnee für die Analyse von Fernerkundungsdaten. Dietz, et al. fassen dies wie folgt zusammen:[14]
Die am häufigsten verwendeten Methoden zur Kartierung und Messung der Schneeausdehnung, der Schneehöhe und des Schneewasseräquivalents verwenden mehrere Inputs aus dem sichtbaren Infrarotspektrum, um auf das Vorhandensein und die Eigenschaften von Schnee zu schließen. Das National Snow and Ice Data Center (NSIDC) verwendet die Reflexion sichtbarer und Infrarotstrahlung, um einen normalisierten Differenzschneeindex zu berechnen, der ein Verhältnis von Strahlungsparametern darstellt, mit dem zwischen Wolken und Schnee unterschieden werden kann. Andere Forscher haben Entscheidungsbäume entwickelt, die die verfügbaren Daten nutzen, um genauere Bewertungen vorzunehmen. Eine Herausforderung bei dieser Bewertung besteht darin, dass die Schneedecke lückenhaft ist, z. B. in Zeiten der Akkumulation oder Ablation und auch in bewaldeten Gebieten. Die Wolkendecke behindert die optische Erfassung der Oberflächenreflexion, was zu anderen Methoden zur Abschätzung der Bodenverhältnisse unter den Wolken geführt hat. Für hydrologische Modelle ist es wichtig, kontinuierliche Informationen über die Schneedecke zu erhalten. Anwendbare Techniken beinhalten Interpolation, d. h. die Verwendung des Bekannten, um auf das Unbekannte zu schließen. Passive Mikrowellensensoren sind besonders wertvoll für die zeitliche und räumliche Kontinuität, da sie die Oberfläche unter Wolken und bei Dunkelheit abbilden können. In Kombination mit Reflexionsmessungen erweitert die passive Mikrowellensensorik die möglichen Rückschlüsse auf die Schneedecke erheblich.[14]
Die Schneewissenschaft führt häufig zu Vorhersagemodellen, die die Schneeablagerung, die Schneeschmelze und die Schneehydrologie - Elemente des Wasserkreislaufs der Erde - einbeziehen und zur Beschreibung des globalen Klimawandels beitragen.
Modelle für den globalen Klimawandel (GCMs) beziehen Schnee als Faktor in ihre Berechnungen ein. Zu den wichtigen Aspekten der Schneedecke gehören ihre Albedo (Lichtreflexionsvermögen) und ihre isolierenden Eigenschaften, die das saisonale Schmelzen des Meereises verlangsamen. Seit 2011 wird angenommen, dass die Schmelzphase von GCM-Schneemodellen in Regionen mit komplexen Faktoren, die die Schneeschmelze regulieren, wie Vegetationsdecke und Gelände, schlecht funktioniert. Diese Modelle berechnen das Schneewasseräquivalent (SWE) auf eine bestimmte Art und Weise, z. B.:
SWE = [ –ln( 1 – fc )] / D
mit:
Angesichts der Bedeutung der Schneeschmelze für die Landwirtschaft befassen sich hydrologische Abflussmodelle, die Schnee in ihre Vorhersagen einbeziehen, mit den Phasen der Akkumulation der Schneedecke, den Schmelzprozessen und der Verteilung des Schmelzwassers durch die Fließgewässernetze und in das Grundwasser. Entscheidend für die Beschreibung der Schmelzprozesse sind der solare Wärmestrom, die Umgebungstemperatur, der Wind und der Niederschlag. Die ersten Schneeschmelzmodelle verwendeten einen Gradtag-Ansatz, bei dem die Temperaturdifferenz zwischen der Luft und der Schneedecke zur Berechnung des Schneewasseräquivalents (SWE) im Vordergrund stand:
SWE = M (Ta – Tm) when Ta ≥ Tm
mit:
Neuere Modelle verwenden einen Energiebilanzansatz, bei dem die folgenden Faktoren berücksichtigt werden, um die für die Schmelze verfügbare Energie (Qm) wie folgt zu berechnen:
Qm = Q* +Qh + Qe + Qg + Qr – QΘ
mit:
Die Berechnung der verschiedenen Wärmestromgrößen (Q ) erfordert die Messung einer viel größeren Anzahl von Schnee- und Umweltfaktoren als nur der Temperaturen.
Die aus der Wissenschaft gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Technik ein. Vier Beispiele sind der Bau und die Instandhaltung von Anlagen auf den Polkappen, die Einrichtung von Schneepisten, die Konstruktion von Schneereifen und Skigleitflächen.
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