Forschungsprojekt

Ice crystal dynamics in snow and its impact on radiative properties at large scales

Schnee ist ein aus Eiskristallen gebildetes poröses Material, das sich äusserst dynamisch verhält. Unterschiedliche Temperaturen verändern das physikalische Gleichgewicht in der Schneedecke und führen dazu, dass Eis verdampft oder kristallisiert – wir sprechen von Schneemetamorphose. Wenn sich die kleinskalige Struktur des Schnees verändert, so verändern sich auch seine Eigenschaften im Grossen. Zum Beispiel hängen seine optischen Eigenschaften wie Reflexion oder Absorption wesentlich von der Struktur des Porengerüstes und der Eiskristalle ab.

Das über die letzten Jahre gewonnene Wissen über Schneeprozesse konnte noch nicht angemessen in grossskalige Modelle und Ansätze integriert werden, im Besonderen weil vollständige Modelle der Schneemetamorphose fehlen, die es erlauben, den direkten Zusammenhang über die verschiedenen Skalen hinweg detailliert zu untersuchen und verstehen.

Unser Ziel ist es, ein möglichst vollständiges Schneemetamorphosemodell zu formulieren, dieses an Strahlungsmodelle zu koppeln und so den Zusammenhang zwischen der sich verändernden Schneemikrostruktur und der Abstrahlung ( Reflexionsverteilung) aufzudecken. Hierzu verfolgen wir drei Unterziele: Erstens betrachten wir stark anisotropes Kristallwachstum im Schnee, wo bei grossen Temperaturunterschieden nicht-lineare kinetische Prozesse dominieren und sich kantige Kristalle ausbilden. Zweitens untersuchen wir sogenannte Sintering-Prozesse, die bei fast konstanten Temperaturen zu vorwiegend runden Formen im Schnee führen. Drittens verbinden wir das Metamorphose-Modell mit einem optischen Photon-Tracking Modell. Diese drei Bausteine verwenden wir zusammen mit experimentellen Daten für Sensitivitätsanalyse und zur Herleitung von Wechselbeziehungen und Korrelationen zwischen physikalischen oder mikrostrukturbasieren Parametern und Daten sowie grossskaligen Schneeeigenschaften.

Wir erwarten neue Möglichkeiten zur Untersuchung der Wechselwirkung von Schneemikrostruktur und Schneeeigenschaften, die wir u.a. im Kontext von Photovoltaik-Nutzung in bergigen, schneebedeckten Landschaften nutzen werden.

Die Entwicklung des Schneemetamorphosemodells, das auf der sogenannten Phasenfeld-Methode basiert, ist von breitem Interesse in der computergestützten Werkstofftechnik, wo Sintering und andere Rekristallisationsprozesse untersucht werden.

Wärmefluss durch Schnee, berechnet basierend auf einer Micro-CT Aufnahme
Eine Schneestruktur digitalisiert aus einer Micro-CT Aufnahme
Wärmefluss (links) sowie Wasserdampf-Konzentrationen und Umwandlung der Schneemikrostruktur über die Zeit (mitte und rechts)

Laufzeit: 01.03.2025 - 29.02.2028

Projektfinanzierung:

Kooperation: