Kältelabor ¶
Der Winter im Labor – in den Kältekammern lagert Firn aus der Antarktis, Schwachschichten wachsen in Metamorphoseboxen und die Schneemaschine produziert Neuschneekristalle. Hier führen wir Experimente durch und testen Messinstrumente auf ihre Feldtauglichkeit.
Ausgefeilte Messinstrumente und Kältelabore sind aus der Schneeforschung nicht mehr wegzudenken. Jedes wissenschaftliche Problem ist mit der Frage verbunden, ob und wie sich die notwendigen Instrumente technisch realisieren lassen. Temperaturen dauerhaft unterhalb des Gefrierpunktes stellen hohe Anforderungen an Elektronik und Mechanik der Messinfrastruktur, die neue Erkenntnisse über das "Material“ Schnee liefern sollen.
Das SLF verfügt über fünf Kältekammern (Abb. 1), die ganzjährig in Betrieb sind. Sie erlauben uns, zu jeder Jahreszeit unter genau definierten Umgebungstemperaturen mit Schnee zu experimentieren. Die Kältekammern werden unabhängig voneinander bei unterschiedlichen Temperaturen zwischen -35 °C und 0 C betrieben. Wir verwenden sie für verschiedenste Zwecke: Herstellung von naturidentischem Schnee, Durchführung von mechanischen, optischen oder thermodynamischen Versuchen, Durchführung von Computertomographien, Bearbeitung des Schnees (Sägen, Drehen, Bohren) und Lagerung von Schneeproben.
Die Arbeit bei tiefen Temperaturen zwischen -35°C und 0°C erfordert warme Kleidung, wie Ganzkörper-Daunenanzug, Handschuhe, Wärmestiefel und Mütze. Bei derartigen Bedingungen gibt es kaum ein Instrument, das nicht spezifisch für den Dauereinsatz entwickelt werden muss. Weiter unten folgen einige Beispiele für derartige Instrumente.
Neben der Grundlagenforschung, die Fragen zu den physikalischen Eigenschaften des Schnees in Zusammenhang mit dessen Materialstruktur beantworten soll, beschäftigen wir uns hier auch mit spezifischen Fragen aus der Industrie. Dabei untersuchen wir zum Beispiel das Verhalten von Autoreifen auf Schnee oder die Kristallbildung in Speiseeis.
Klimakammer
Neben den Kältekammern gibt es auch eine Klimakammer, in der wir nicht nur negative und positive Temperaturbereiche, sondern auch die relative Luftfeuchtigkeit und die Beleuchtung regeln können. Hier züchten wir zum Beispiel Pflanzen, die später im Windkanal für Bodenerosionsversuche verwendet werden. Oder Vegetation, anhand derer wir den Beitrag von Wurzeln zur Hangstabilität untersuchen.
Die Klimakammer ermöglichte auch Experimente, um Abdeckungen im Snowfarming zu beurteilen. Unter nachgestellten Wetterszenarien mit unterschiedlichen Temperatur-, Luftfeuchtigkeit- und Strahlungsverläufen wurden kleinen Schneehaufen mit verschiedenen Abdeckmaterialien gegen das Abschmelzen geschützt. Im 11-tägigen Experiment konnte die Wirksamkeit der verschiedenen Abdeckung gegen das Schmelzen unter vergleichbaren, kontrollierten Bedingungen getestet werden (Abb. 2).
Schneeproduktion
Dank der Kältelabore können wir auch im Sommer bei Temperaturen unter 0° arbeiten. Lange Zeit war allerdings der Schnee ein limitierender Faktor. Je verästelter die Formen, umso schneller verändert er sich, auch bei den tiefen Temperaturen in den Kältekammern. Mit der Entwicklung des Snowmakers können wir seit einigen Jahren selbst naturidentischen Schnee im Labor herstellen und sind nicht mehr ausschliesslich von natürlichen Schneefällen abhängig. Auch andere Schneearten können wir im Labor „züchten“. Zum Beispiel lässt sich mit der Metamorphosebox die Umwandlung von Schnee steuern, indem man unterschiedliche Temperaturgradienten anlegt. Die Wände der Box sind wärmeisoliert und die Bodentemperatur lässt sich über eine Heizplatte steuern. Mit dieser Technik können wir sogar künstliche Schwachschichten produzieren.
Dünnschnitt-Mikrotom (Polycut)
Mit dem Dünnschnitt-Mikrotom können Schneepräparate bis zu einer minimalen Schichtdicke von ca. 50 µm hergestellt werden, so genannte Dünnschnitte. Diese zweidimensionalen Bilder der Schneestruktur werden je nach Fragestellung auf verschiedene Arten analysiert: Unter dem Mikroskop und mit dem Einsatz von Polarisationsfiltern werden einzelne Schneekörner und deren Korngrenzen sichtbar gemacht, mit einem Fabric Analyser kann die Kristallorientierung bestimmt werden.
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Abb 3: Dünnschnitt-Mikrotom mit Steuerung (links) und Dünnschnitte von Schnee auf einem Glasplattenträger (rechts).
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Abb. 4: Mikroskop für die Korngrenzenanalyse der Dünnschnitte (links) und die Visualisierung der Kristallorientierung dreier Schneeproben (rechts) (Quelle: Archiv SLF).
