Wie der Schnee ins Rutschen kommt

Für Materialforscher Peter Gumbsch ist Schnee in erster Linie "eine wunderbare Unterlage zum Skifahren". Als Wissenschaftler hat er sich aber aus ganz anderen Gründen für die weiße Pracht interessiert. Denn aus Sicht eines Materialforschers ist Schnee ein poröser Werkstoff wie auch Schäume. Er zeichnet sich besonders aus durch viel Hohlraum, wenig Material, und er ist sehr spröde. An steilen Hängen kann Schnee ins Rutschen geraten.

Lawinen töten in den Alpen jährlich zahlreiche Wintersportler. Darüber hinaus richten sie im Tal großen Schaden an. Peter Gumbsch, der am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik in Freiburg und am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) forscht, nennt die Lawine ein Versagensproblem der Werkstoffphysik. Auf den ersten Blick mag es verwundern, dass sich das Institut für Angewandte Materialien (IAM) am KIT mit Lawinen auseinandersetzt. "Aber eigentlich ist das ganz logisch", sagt Gumbsch. "Denn ganz wie bei anderen Materialien - zum Beispiel Beton oder Bauschaum - ist Schnee ein Material, das zu viel Druck nicht standhalten kann".

Was passiert, wenn eine Lawine abgeht? Diesem Problem haben sich die Forscher am IAM gewidmet. Am Anfang steht die einfache Beobachtung, dass Schnee in Schichten liegt. "Wenn Schnee eine Weile liegt, dann bilden sich darauf nadelförmige Eiskristalle", sagt Gumbsch. "Wenn es darauf schneit, dann haben wir drei Schichten: Den Altschnee, die sehr luftige, schwache Schicht mit den Eiskristallen und darüber den Neuschnee." Die Schichten bleiben voneinander getrennt. Solche Schichten, die sehr luftig sind, nennt man auch Schwachschichten. Sie spielen beim Entstehen und Abgehen von Lawinen eine wichtige Rolle. Die dramatische Form der Lawine, die Schneebrettlawine, geht ab, wenn die Schneeschichten sich parallel verschieben und Schneemassen entlang einer Schicht abrutschen. Je steiler der Hang, desto leichter kommt der Schnee ins Rutschen, denn die Kräfte, die entlang der Schichten wirken nehmen mit der Steilheit zu - davon ging man aus. Die Lawinenvorhersage basiert daher auf der Regel: Je steiler der Hang, desto eher eine Lawine.

Einige Beobachtungen ließen sich aber so nicht erklären. Eine Lawine geht zum Beispiel nicht zwingend dort ab, wo sie ausgelöst wird. So kann ein Mensch eine Lawine 'fernzünden', auch wenn er sich beispielsweise in flachem Gelände aufhält. Ein verirrter Wintersportler, Freerider oder Spaziergänger kann also eine Lawine teilweise hunderte von Metern über sich auslösen. In seiner Dissertation bei Peter Gumbsch hat der Physiker Joachim Heierli 2008 ein Modell entworfen, das erklären sollte, wie eine Lawine ausgelöst werden kann und das diese Widersprüchlichkeiten erklärt. Herausgefunden hat die Forschergruppe um Heierli und Gumbsch, dass Schneeschichten auch durch Druck getrennt werden können. Wenn zu viel Druck auf den Schnee ausgeübt wird, kann die schwache Schicht nicht standhalten, sie kollabiert. "Der Bruch entsteht nicht durch Zug, wie man zum Beispiel ein Blatt Papier auseinanderreißen würde", so Gumbsch, "sondern eben durch Druck." Diese Form des Brechens nennt sich Anti-Riss. Dieser Anti-Riss kann sich im Schnee rasch lateral ausbreiten, auch in flachem Gelände. Sobald das Gelände ansteigt, kann sich daraus eine Lawine entwickeln. Die Entdeckung, dass dieser Anti-Riss der Lawine vorausgeht, war ganz neu: "Das Modell erklärt, dass das Einreißen der Schneeschicht der Schneebrettlawine immer vorausgeht, und zwar unabhängig von der Steile eines Hangs", sagt Gumbsch. "Das ist eine Erweiterung der bisherigen Vorstellung."

Die Karlsruher haben ihre Theorien in Zusammenarbeit mit amerikanischen Kollegen auch überprüft. Dafür haben sie in unterschiedlich steilem Gelände mit Schneeschaufeln Schneeblöcke freigelegt und manuell die Schwachschicht im Schnee zum Brechen gebracht. Die Ergebnisse bestätigen das Rechenmodell aus Karlsruhe und sorgten für Wirbel in der Schnee- und Lawinenforschung. Normalerweise wird der Druck häufig vom Schnee selbst ausgeübt: Das Eigengewicht kann die Schicht zum Kollabieren bringen. Aber auch der Mensch, der auf die Schneeschicht an einer einzigen Stelle zusätzlichen Druck ausübt, zum Beispiel ein Tourenskiläufer. Tatsächlich kann man solche Anti-Risse auch hören. Die Forscher sprechen von einem 'Wumm-Geräusch', das durch das Kollabieren der "schwachen Schicht" entsteht.

Gegenwärtig versuchen die Forscher, das Verhalten von Anti-Rissen im Schnee mit weiteren Experimenten zu erklären. Denn das ist oftmals kurios: "Anti-Risse unterscheiden sich deutlich von anderen Arten von Rissen", so Joachim Heierli, der 2008 den Anti-Riss in seiner Dissertation untersucht hat. "In der Schneedecke bilden sie sich leicht und breiten sich rasch aus, doch unter gewissen Umständen wird der Bruchvorgang abgewürgt." Die Karlsruher Forscher haben ihr Modell in Richtung der Ausbreitung von Anti-Rissen erweitert. Die Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG) übernimmt dabei die Experimente im Feld. Sie haben eine Methode entwickelt, die Ausbreitung der Antirisse im Schnee zu messen, derzeit im Testgebiet Wildalpen. Damit können die Rechenmodelle noch genauer getestet werden. Gleichzeitig leitet die ZAMG den Lawinenwarndienst Niederösterreich und Steiermark. "Wir verbinden hier also Theorie mit Praxis", so Arnold Studeregger vom ZAMG in Graz. "Mit Hilfe von Beschleunigungssensoren versuchen wir festzustellen, welche Zäune im Gelände geeignet sind, um die Bruchfortpflanzung zu stoppen".

Die Versuche am Schnee haben auch noch zu anderen Projekten geführt. So haben Heierli und Gumbsch Anti-Risse auch in Bauschaum nachweisen können. "Aber die Druckbelastung am Schnee zu untersuchen war ein tolles Projekt", so Gumbsch, "weil es tatsächlich wissenschaftliches Neuland war."