Was sind von der Entstehung bis zur Schneeansammlung die Unterschiede zwischen Kunstschnee und Naturschnee?

Eis- und Schneesportarten erfreuen sich immer größerer Beliebtheit und die Skipisten in den Skigebieten, die jeder häufig besucht, bestehen im Wesentlichen aus Kunstschnee. Ich frage mich, ob Sie sich beim Anblick von Schneekanonen und Schneepistolen, die Schnee versprühen, schon einmal gefragt haben, wie Schnee gemacht wird? Was ist der Unterschied zwischen Kunstschnee und natürlich fallendem Schnee und wie unterscheiden sich ihre Zustände, nachdem sie auf den Boden gefallen sind?

Die „Schneekanone“ im Einsatz (Bildnachweis: Shougang Ski Jumping Stadium Operation Team)

Teil 1

Natürlicher Schnee: Die Kristallisation von Wasser und Staub

Um über Kunstschnee zu sprechen, schauen wir uns zunächst Naturschnee an.

Schnee ist in der Natur fester Niederschlag, der durch die Kondensation von Wasserdampf in der Atmosphäre entsteht. Seine Struktur verändert sich mit der Temperatur und Feuchtigkeit und ist überwiegend sechseckig.

Teil 2

Wie entstehen also natürliche Schneeflocken?

Unter bestimmten Temperaturbedingungen erreicht der Wasserdampfgehalt in der Luft seine maximale Grenze und verschiedene Phasen des Wassers (fest, flüssig und gasförmig) können ineinander umgewandelt werden. Wenn die Temperatur sinkt, wird der gesättigte Wasserdampf übersättigt und kondensiert leicht auf Schwebstaub, wobei sich Eiskristalle bilden.

Anschließend nahmen die Eiskristalle weiterhin den umgebenden Wasserdampf auf und wurden größer, während der Wasserdampf in der Nähe der Eiskristalle weiter abnahm. Auf diese Weise ist die Wasserdampfdichte in der Nähe des Eiskristalls geringer als in der weiteren Entfernung, was zu einem relativ hohen Wasserdampfdruckgradienten führt. Angetrieben durch den Gradientendruck bewegt sich der Wasserdampf allmählich von der Umgebung der Eiskristalle dorthin, wo sich die Eiskristalle befinden. Die sich bewegenden Wasserdampfmoleküle treffen zunächst auf die Ecken und Vorsprünge der Eiskristalle, wo sie kondensieren und Teil der Eiskristalle werden.

Auf diese Weise wachsen die Ränder der Eiskristalle weiter und verzweigen sich nach und nach. Später wuchsen durch den gleichen Mechanismus an jedem Ast und jeder Ecke neue kleine Zweige und es bildeten sich allmählich sternförmige Schneeflocken.

Der Entstehungsprozess sternförmiger Schneeflocken (Bildquelle: Eigenanfertigung des Autors)

Da sich die Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen der Eiskristalle in der Atmosphäre ständig ändern, sind die Wachstumsraten verschiedener Teile auf der Oberfläche, an den Rändern und Ecken der Eiskristalle inkonsistent. Kondensiert Wasserdampf nur an der Oberfläche von Eiskristallen, entstehen säulenförmige Schneeflocken; kondensiert Wasserdampf an den Rändern und Oberflächen von Eiskristallen, entstehen Flockenschneeflocken; Wenn Wasserdampf an den Oberflächen, Kanten und Ecken von Eiskristallen kondensiert (wobei scharfe Ecken stärker ausgeprägt sind), wächst die Kondensation am schnellsten und es bilden sich meist verzweigte oder sternförmige Schneeflocken. Aufgrund der ständigen Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen in der Atmosphäre nehmen Schneeflocken daher immer neue Formen an. Schneeflocken, die in Form und Größe exakt gleich oder völlig symmetrisch sind, können in der Natur nicht entstehen.

Typische säulen-, flocken- und sternförmige Schneeflocken (Bildquelle: Eigenanfertigung des Autors)

Teil 3

Kunstschnee: Eiskristalle „erzeugt“

Im Vergleich zu den sich ständig verändernden natürlichen Schneeflocken wird Kunstschnee meist aus derselben Form geschnitzt.

Herkömmlicher Kunstschnee wird hergestellt, indem Hochdruckwasser aus einer Hochdruckwasserpumpe und Hochdruckluft aus einem Luftkompressor gemischt und aus einer Doppeleinlassdüse ausgesprüht werden. Die Hochdruckluft zerlegt das Wasser dann in winzige Partikel. Diese Partikel verfestigen sich in der kalten Luft zu Eiskristallen und weiterer Kontakt mit Wasserdampf lässt die Kristalle wachsen.

Da für die Entwicklung und das Wachstum von Eiskristallen nicht genügend Zeit und Raum zur Verfügung steht, ist Kunstschnee meist weiß, undurchsichtig und hat eine nahezu kugel- oder kegelförmige Gestalt. Sternförmige oder verzweigte Formen lassen sich nur schwer bilden. Im engeren Sinne gehört diese Art von Kunstschnee zum Schneeregen (ausgesprochen „xian“, vierter Ton; auch Schneebälle genannt, mit einem Durchmesser im Allgemeinen zwischen 0,3 und 2,5 mm, der bei starker atmosphärischer Konvektion und in stark gestörter Bewölkung entsteht) und nicht zur Kategorie Schnee.

Kunstschnee ähnlich Graupel (Bildquelle: Eigenbau des Autors)

Bei einer anderen Art von Kunstschnee wird mithilfe eines Eisherstellungsgeräts aus Wasser Scherbeneis hergestellt, anschließend wird das Scherbeneis mit einem Eiszerkleinerungsgerät zu Pulver zerkleinert und die pulverisierten Eiskristalle werden schließlich durch ein Luftzufuhrsystem ausgestoßen.

Am 16. Januar 2022 wurden im Genting Snow Park Beschneiungsarbeiten durchgeführt

(Fotoquelle: People's Vision, Foto von Hu Wang)

Verglichen mit dem komplexen und langwierigen Wachstumsprozess von Naturschnee scheint Kunstschnee „geboren“ zu werden. Doch egal, ob es sich um Kunstschnee oder Naturschnee handelt, handelt es sich in Wirklichkeit um die feste Phase von Wasser. Der Schnee im Winter ist der feste Wasserspeicher der Erde, der schmelzen und alles nähren kann, wenn der Frühling kommt und die Blumen blühen. Kunstschnee ist eine Ergänzung zum winterlichen „Festwasserreservoir“. In schneearmen Jahren kann eine angemessene Menge Kunstschnee dazu beitragen, die Frühjahrsdürre zu verringern und das Leben zu verbessern.

Die Annahme, dass Kunstschnee eine Verschwendung von Wasserressourcen und eine Beeinträchtigung der ökologischen Umwelt und der Wassersicherheit darstellt, ist daher unbegründet.

Schnee ist ein festes Reservoir, das alles nährt (Bildquelle: selbst erstellt vom Autor)

Teil 4

Verändern sich Schneeflocken, wenn sie fallen und sich auf dem Boden auftürmen?

Nachdem die natürlichen Schneeflocken gefallen sind, werden ihre Zweige durch das gegenseitige Zusammendrücken der Schneeflocken, die Erosion durch den Wind und die Sonneneinstrahlung abgenutzt und die Schneeflocken zerbrechen in winzige Eiskristalle. Nach der isothermen Metamorphose in einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen entwickeln sie sich schließlich zu abgerundeten Schneekristallen mit einem Durchmesser von weniger als 0,5 mm und annähernd runder Form.

Mit zunehmender Schneehöhe verändert sich die Temperatur im Skigebiet deutlich. In Kombination mit dem Temperaturunterschied zwischen Tag und Nacht ändert sich die Richtung des Schneetemperaturgradienten. Temperaturgradienten treiben die Bewegung des freien Wasserdampfs im Schnee an, manchmal nach oben und manchmal nach unten.

Während des Migrationsprozesses haftet Wasserdampf an den runden Schneekristallen und bewirkt, dass diese sich in polyedrische Schneekristalle unterschiedlicher Form mit Durchmessern von 1 bis 3 mm verwandeln. Benachbarte polyedrische Schneekristalle werden ebenfalls durch freien Wasserdampf zusammengesintert, genau wie beim elektrischen Zusammenschweißen von Eisenplatten, und bilden schließlich eine polyedrische Schneekristallkette.

Kette aus polyedrischen Schneekristallen (Bildquelle: Selbsterstellung des Autors)

Aufgrund der Wärmedämmwirkung einer bestimmten Schneedicke bleibt die Temperatur an der Unterseite des Schnees tendenziell konstant und ist immer höher als die Temperatur an der Schneeoberfläche. Die Richtung des Temperaturgradienten ist stabil und die Richtung der Wasserdampfwanderung ist einheitlich. Wasserdampf haftet weiterhin in derselben Richtung an den polyedrischen Schneekristallen, wodurch die Schneekristallpartikel allmählich größer werden und Schneekristalle in verschiedenen regelmäßigen Formen wie Labyrinth, Achat, Pyramide und Raute bilden.

Tiefgefrorene Schneekristalle (Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Aufgrund der unterschiedlichen Absetzzeiten der Schneepartikel und der unterschiedlichen Entwicklungsgrade der Schneekristalle weisen auch die Partikel und Größen der Schneekristalle deutliche Unterschiede auf. Daher weist das Schneeprofil eine klare Schichtstruktur mit runden Schneekristallen, facettenreichen Schneekristallen und tiefem Frost von oben bis unten auf.

Ein idealisierter natürlicher Prozess der Entwicklung und Metamorphose von Schneekörnern von der ersten Landung bis zum Schmelzen läuft wie folgt ab: Sedimentation der Schneekristalle – Rundung der Schneekristalle bei isothermer Metamorphose – Polyederbildung der Schneekristalle bei gradothermer Metamorphose. Aufgrund der großen Unterschiede in Landezeit, Druck, Temperaturgradienten usw. der Schneekristalle in verschiedenen Schneeschichten im selben Raum ist auch der Entwicklungsgrad verschiedener Schneekristalle unterschiedlich und die Kristalltypen sind offensichtlich unterschiedlich.

Schneekristallarten in jeder Schicht des Schneeprofils im Hochwinter (Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Was sind also die Unterschiede zwischen Naturschnee und Kunstschnee?

Da natürliche Schneeflocken flach sind und sich nach dem Fallen ineinander verflechten, weist der angesammelte Schnee eine hohe Porosität, eine geringe Dichte (die Dichte von natürlichem Neuschnee liegt zwischen 0,05 und 0,15 Gramm pro Kubikzentimeter), eine geringe Härte und eine sehr weiche Konsistenz auf. Kunstschnee hingegen besteht aus dichten Kristallen, die eine annähernd kugel- oder kegelförmige Gestalt aufweisen. Der angesammelte Schnee weist eine geringe Porosität und eine hohe Dichte auf (die Dichte von Kunstschnee liegt über 0,5 Gramm pro Kubikzentimeter) und seine mechanischen Eigenschaften wie Härte und Festigkeit sind viel höher als die von Naturschnee.

Darüber hinaus weist Kunstschnee im Vergleich zu natürlichem Schnee einen Einkristalltyp auf, die Schichtung ist im selben Skigebiet nicht deutlich erkennbar, die Kristalle entwickeln und zerfallen langsam, es ist schwierig, polyedrische Schneekristalle und Tiefschneekristalle zu bilden, und die Eigenschaften sind einzigartig und stabil.

Während wir Eis- und Schneesport genießen, können wir den Kunstschnee auch aus nächster Nähe berühren, ohne dabei die Sicherheit zu gefährden. Technologie ist überall um Sie und mich herum.

Quellen:

1. Libbrecht, K. Die Schneeflocke[M]. Voyageur Press, 2003.

2. Shan Shuhua. Unterschiede zwischen sleet und sleet[J]. Meteorologie, 1990(12):50-51.

3. Marbouty D. Eine experimentelle Studie zur Temperaturgradientenmetamorphose[J]. Journal of Glaciology, 1980, 26(94): 303-312.

4. Simpkins G. Schneebedingte Wasserprobleme[J]. Nature Climate Change, 2018, 8(11): 945-945.

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