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Lawinenforschung: Wenn Schnee schwach wird

Das Idyll verschneiter Berghänge kann sich innerhalb weniger Sekunden in ein tödliches Inferno verwandeln, wenn Schneemassen losbrechen und donnernd zu Tal stürzen.


Jeden Winter kommen im Alpenraum einige Dutzend Menschen durch Lawinen zu Tode. Oftmals trifft es Ski- oder Snowboardfahrer, die abseits der präparierten Pisten ihrem Freizeitvergnügen nachgehen. Doch gelegentlich rasen die Schneemassen bis in besiedelte Gebiete hinein, wo sie immensen Schaden anrichten – wie etwa im Februar 1999, als bei einem der schwersten Lawinenunglücke im österreichischen Galtür mehrere Häuser zerstört wurden und 38 Menschen ums Leben kamen. Im selben Monat rissen Lawinen bei Chamonix in den französischen Alpen und bei Evolène im Wallis weitere 23 Personen in den Tod.

Mag bei vielen dieser Katastrophen Leichtsinn oder Unbedachtheit im Spiel sein, so lassen sich Lawinenabgänge als solche doch kaum vermeiden – sie gehören im alpinen Winter quasi zum Alltag. Aber das Wissen um ihre Ursachen kann das Verständnis für dieses Naturphänomen und die Risikowahrnehmung in "riskanten" Situationen verbessern.

Nüchtern betrachtet ist Schnee eine feste Form des Niederschlags, die sich aus Eiskristallen in komplexen hexagonalen Formen zusammensetzt. Frisch gefallen, besteht er aus einem locker verzahnten Gerüst von Schneekristallen mit hohem Luftgehalt. Dass dies nicht lange so bleibt, dafür sorgt eine Reihe von Umwandlungsprozessen, die durch die Witterungsbedingungen verursacht werden.

Eine der maßgebenden Größen ist die Temperatur in der Schneedecke. Am Erdboden liegt sie üblicherweise um den Gefrierpunkt, während ihr Wert an der Oberfläche des Schnees von den Verhältnissen in den darüber liegenden Luftschichten bestimmt wird. Mittelfristige Temperaturänderungen der Atmosphäre setzen sich im Schnee nur bis in 30 bis 50 Zentimeter Tiefe merklich durch, Tagesschwankungen beeinflussen sogar nur die obersten zehn Zentimeter. Dadurch entsteht in der oberen Schneedecke ein Temperaturgradient, sodass benachbarte Schneekörner unterschiedliche Temperaturen und somit auch unterschiedliche Dampfdrucke aufweisen, was die Metamorphose entscheidend beeinflusst.

Von der Schneeflocke zum Schwimmschnee


Neuschneekristalle haben im Verhältnis zu ihrer Masse eine sehr große Oberfläche. An den Spitzen der hexagonalen Schneesterne, wo der Dampfdruck höher ist, sublimiert das gefrorene Wasser zu Dampf, der im Zentrum des Kristalls wieder angelagert wird. Dadurch werden die Verästelungen kürzer und die Mitte dicker, sodass sich die Schneeflocke der Kugelform annähert. Der Neuschnee wandelt sich so über ein filziges Zwischenstadium zu körnigem Altschnee mit abgerundeten Formen um, deren Durchmesser kleiner als 0,5 Millimeter ist. Dieser Vorgang findet bei einem kleinen Temperaturgradienten in der Schneedecke von weniger als 5 Grad Celsius pro Meter statt und wird – wegen der Verkleinerung der Formen – "abbauende Umwandlung" genannt.

Größere Temperaturgradienten haben im Gegensatz dazu eine "aufbauende Umwandlung" zur Folge – die Schneekristalle vergrößern sich. Denn dann steigt wärmere Luft aus der bodennahen Schicht mit dem dort sublimierten Wasserdampf in obere, deutlich kältere Schneeschichten auf, wo der Dampf an den kalten Körnern ankristallisiert. Je größer die Temperaturunterschiede zwischen den Kristallen, desto größer ist das Wachstum in den oberen Schichten, wobei Korngrößen bis 5 Millimeter erreicht werden. Bei andauernder aufbauender Umwandlung wachsen becherartige Hohlformen, so genannte Becherkristalle. Durch sie nimmt die Zahl der Kornbindungen pro Volumen ab, was die Festigkeit der Schneeschicht deutlich verringert. In bodennahen Schichten entsteht dadurch Schwimmschnee oder Tiefenreif. Geschieht die aufbauende Umwandlung oberflächennah und dies besonders in Schattenlagen, wird der Schnee griesig. So entstehen schwache, wenig belastbare Schneeschichten.

Die Übergänge zwischen aufbauender und abbauender Umwandlung, die beide bei Minusgraden stattfinden, sind fließend und jederzeit möglich. Doch gibt es noch eine dritte Umwandlungsform bei einer Erwärmung auf null Grad Celsius, die "Nassschneemetamorphose". Durch Antauen bildet sich ein Schmelzwasserfilm an den Körnern. Hohlformen werden von Wasser ausgefüllt, und es entstehen Rundformen mit einem Durchmesser von mehr als einem Millimeter. Da zwischen den Körnern nun anstelle fester Eisbindungen nur mehr ein Wasserfilm existiert, sinkt die Festigkeit des Schnees erheblich. Zusätzlich bildet Schmelzwasser, das sich an undurchlässigen Schneeschichten oder am Boden sammelt, eine Schmierschicht, auf welcher der darüber liegende Schnee abgleiten kann.

Schwachstellen der Schneedecke


Schneefälle im Gebirge sind fast immer von starken Winden begleitet. Auch ohne Niederschlag wird lockerer Neuschnee ab Windgeschwindigkeiten von etwa vier Metern pro Sekunde verfrachtet, festerer Schnee ab ungefähr zehn Metern pro Sekunde. Die pro Zeiteinheit vom Wind transportierte Schneemenge nimmt mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit zu. Verdoppelt sich also die Windgeschwindigkeit, steigt die Verfrachtungsrate auf das Achtfache! Die Schneepartikel werden beim Transport zertrümmert und lagern sich dann an windgeschützten Stellen wieder ab, wie etwa an den Leeseiten von Hängen oder in Mulden. Die jetzt kleinen Partikel bilden Schneeschichten, die weich, aber zugleich spröde sind. Ihre Dichte ist zwei- bis viermal so groß wie diejenige von ungestört abgelagertem Schnee. Auf weniger dichten Schneeschichten oder auf harten Harschschichten aufgehäuft, bilden sie vielfach die Basis für eine Lawine.

Eine Schneedecke ist nicht homogen, sondern enthält eine komplexe Abfolge von Schichten, die unter verschiedensten Bedingungen entstanden sind. Die Schichtgrenzen bilden dabei oft die Schwachstellen. Im Wesentlichen bestimmen drei Faktoren das weitere Geschehen: die Dichte, die Verformbarkeit und die Festigkeit des Schnees.

- Die Dichte bestimmt das Gewicht der Schneedecke und folglich – zusammen mit anderen Faktoren wie etwa der Hangneigung – die wirkenden Kräfte. Ihre Werte reichen von etwa 30 Gramm pro Kubikzentimeter bei leichtestem Neuschnee (dem so genannten Wildschnee) bis zu mehr als 500 Gramm pro Kubikzentimeter bei Firn. Die Dichte einer Schneeablagerung nimmt unter anderem infolge des Druckes der überlagernden Schichten mit der Zeit zu.

- Die Verformbarkeit des Schnees, der sich wie eine zähe Flüssigkeit verhält, ist besonders groß, wenn die Dichte klein ist und die Temperatur nahe beim Gefrierpunkt liegt.

- Die Festigkeit hängt ab von Art, Temperatur und Feuchte des Schnees sowie von der Geschwindigkeit und der Art der Belastung. Stark vereinfacht bewirken runde, kleine Formen mit großer Dichte bei tiefen Temperaturen und geringer Feuchte eine große Festigkeit. Die tatsächliche Festigkeit lässt sich aber nur aus der jeweiligen Kombination aller Faktoren bestimmen. So kann eine anfängliche Erwärmung zunächst die Festigkeit vermindern. Gleichzeitig erhöht sich jedoch die Verformbarkeit, was eine raschere Verdichtung und somit nach einer gewissen Zeit wieder einen großen Festigkeitsgewinn bringt.

Insgesamt ergibt sich nun das folgende Zusammenspiel. Bildet sich zu Beginn des Winters eine dünne Schneedecke, und bleibt es danach kalt und niederschlagsfrei, setzt durch den großen Temperaturgradienten zwischen Boden und Schneeoberfläche intensive aufbauende Umwandlung ein. Die dabei entstehende schwache Schicht bleibt unter den nachfolgenden Schneefällen in der Regel den ganzen Winter über bestehen; man spricht dann von einem schwachen Fundament der Schneedecke.

Baut sich hingegen anfangs des Winters in kurzer Zeit eine mächtige Schneedecke auf, ist der Temperaturgradient klein und die Überlastung groß, sodass sich ein starkes, stabiles Fundament bilden kann.

Kritisch ist hingegen noch eine ande-re Situation: wenn sich in klaren und kalten Nächten großkristalliger Oberflächenreif bildet, der bei einem Witterungsumschwung eingeschneit wird. Dabei entsteht eine sehr schwache Zwischenschicht, die für Lawinen eine geeignete Gleitbahn darstellt.

Dem oftmals idyllischen und ruhigen Anblick zum Trotz: Die Schneedecke ist kein gleichförmiges und bewegungslos daliegendes Gebilde. So wie in den einzelnen Schichten ständig metamorphe Prozesse ablaufen, befindet sich die gesamte Decke dauernd in langsamer Bewegung. Längs der Falllinie führt der Schnee eine so genannte Kriechbewegung aus, die vom Boden zur Oberfläche hin zunimmt und einige Millimeter pro Tag erreichen kann. Diesem Kriechen ist bei glattem Untergrund eine Gleitbewegung der ganzen Schicht überlagert, die einige Zentimeter bis sogar einen Meter am Tag betragen kann.

Gefahr durch den Weißen Tod


Die Kräfte, die in der Schneedecke wirken, resultieren in erster Linie aus ihrem Eigengewicht. Hinzu kommen äußere Belastungen durch Skifahrer oder Schneefahrzeuge. Die inneren Kräfte lassen sich am besten an lokalen Veränderungen der Kriech- oder Gleitgeschwindigkeiten erkennen, zum Beispiel an Stellen, an denen sich die Hangneigung ändert. Nimmt diese hangabwärts zu, vergrößern sich die Kriechgeschwindigkeiten, und es entstehen in der Übergangszone Zugkräfte. Nimmt die Hangneigung hingegen ab, entstehen durch Druckkräfte so genannte Druckzonen. Bewegen sich zwei benachbarte Schichten in entgegengesetzter Richtung oder verändern parallele Kriechbewegungen ihre Geschwindigkeiten, so entstehen Scherkräfte. Ihnen gegenüber weist die Schneedecke die geringste Festigkeit auf.

Kommen in einer solchen Situation äußere Belastungen hinzu – wobei wiederum zusätzliche Scherkräfte den größten Einfluss haben –, kann die Schneedecke reißen und talabwärts stürzen. Grundsätzlich können solche Lawinen in zwei Größenklassen unterteilt werden. Relativ kleine Schneemassen mit eher kurzer Sturzbahn und mehrheitlich fließender Bewegungsform werden zumeist von Skifahrern ausgelöst und heißen daher Skifahrerlawinen. Sind große Schneemassen in Bewegung geraten, und ist die Sturzbahn lang, so kann sich eine Katastrophenlawine bilden. Ihr typischer Vertreter ist die Staublawine, die als Schneewolke durch die Luft stiebend mit Geschwindigkeiten von bis zu 300 Kilometern pro Stunde zu Tal rast.

Die von Ski- und Snowboardfahrern verursachten Lawinen gehen zumeist nicht von einem Punkt aus, sondern reißen entlang einer Linie an. Solche Schneebrettlawinen setzen das Vorhandensein von gebundenen Schneeschichten voraus, die Kräfte über weite Strecken übertragen können. Zudem muss die Schneedecke eine Schwachschicht enthalten. Neben der Belastung durch Wintersportler können auch Neuschneefall, ein Temperaturanstieg oder eine aufbauende Umwandlung des Schnees das Reißen auslösen.

Der primäre Riss verläuft entlang einer hangparallelen Gleitfläche und pflanzt sich maximal mit mehreren hundert Metern pro Sekunde fort. An seinen seitlichen Begrenzungsflächen entstehen sekundäre Risse. Dadurch löst sich das Schneebrett vollständig und gleitet zu Tal, wobei es im Mittel Geschwindigkeiten von 80 Kilometern pro Stunde erreicht.

Zur Reduzierung der Lawinengefahr haben sich künstliche Verbauungen und Wiederaufforstungen in den potenziellen Anrissgebieten bewährt. Die Schweiz zum Beispiel unternahm nach dem verheerenden Lawinenwinter 1950/51 enorme Anstrengungen, um den Schutz vor Lawinen zu verbessern. Insbesondere in Bezug auf Katastrophenlawinen wurden große Fortschritte erzielt. Selbst bei den außerordentlichen Schnee- und Lawinenverhältnissen im Winter 1998/99 konn-ten größere Schäden verhindert werden. Auch die Lawinenwarnung befindet sich heute auf einem sehr hohen Niveau und ist für jedermann über vielfältige Informationskanäle zu erreichen.

Doch trotz aller Anstrengungen sind pro Jahr im Mittel noch immer 22 Todesopfer durch Lawinen im freien Gelände zu beklagen. Dabei verlieren knapp 13 Prozent aller von Lawinen erfassten Personen ihr Leben. Berücksichtigt man ausschließlich ganz verschüttete Opfer, so steigt die Todesrate auf 50 Prozent an. Die Rettungschancen hängen wesentlich davon ab, wie schnell die Verschütteten geborgen werden können. Bereits nach dreißig Minuten kommt für die Hälfte von ihnen jede Hilfe zu spät.

Um Lawinenunglücke gänzlich zu vermeiden, müssen sich die Wintersportler verantwortungsbewusst verhalten und selbst für einen kleinen Ausflug neben die Piste zweckmäßig ausgerüstet sein. Fundiertes Wissen in Schnee- und Lawinenkunde und verlässliche Hintergrundinformationen über die herrschende Lawinensituation bewahren vor verhängnisvollen Schritten und retten so Leben.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 2 / 2001, Seite 84
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
2 / 2001

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 2 / 2001

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  • Infos
Eidgenössischen Institut für Schnee- und Lawinenforschung in Davos -> http://www.slf.ch/