Beinahe hätte er verpasst, was für viele Menschen wohl das bestimmende Ereignis 2020 war: Als er im April dieses Jahres in die Schweiz zurückkehrte, geriet Martin Schneebeli mitten in den ersten Lockdown. Sechs Monate hatte er in relativer Nähe zum Nordpol bei 65 Grad minus (gefühlte Temperatur) in der Dunkelheit des arktischen Winters verbracht. Er war mit ausgeklügelter Technik auf dem Eis unterwegs gewesen, hatte gemessen und Proben genommen, um besser zu verstehen, welchen Verlauf der Klimawandel nehmen wird. Sein Zeuge: der Schnee.

Martin Schneebeli ist Schneeforscher in Davos in der Schweiz, am WSL-Institut für Schnee- und Lawinenforschung SLF. Schneebeli und vier weitere Kollegen und Kolleginnen des SLF waren Teil von "Mosaic", der bisher größten Forschungsexpedition in die Arktis: Forschende von achtzig Instituten aus zwanzig Ländern ließen sich ein Jahr lang auf dem Eisbrecher "Polarstern" von einer Eisscholle auf ihrer Drift durch die Arktis mittragen.

Die Expedition sollte Erkenntnisse darüber bringen, wie weit fortgeschritten der Klimawandel ist, und wie dramatisch er sich in den kommenden Jahren zeigen wird.

 

Ein Mann mit einer Stirnlampe sitzt bei Dunkelheit im Schnee,der sich hoch auftäürmt. Schneeverwehungen prägen das Bild im Vordergrund. Es ist grau weiß im Hintergrreund schwarz bis auf den Lichtkegel der Stirnlampe in dem Schneeflocken zu sehen sind. Sie werden von links nach rechts geweht. Der Mann trägt einen dicken roten Schneeanzug. - © Matthias Jaggi
Martin Schneebeli bei der Forschung. Durch die Drift auf der Polarstern war es zum ersten Mal möglich, das Eis des Nordpolarmeeres im arktischen Winter zu erforschen. - © Matthias Jaggi

Schnee ist ein guter Indikator für solche Prozesse, wenn nicht gar ein Omen, für das, was kommt: "Die Wärmeleitfähigkeit von Schnee zum Beispiel bedingt, wie schnell das Meereis wachsen kann. Die Größe der Schneestrukturen wiederum beeinflusst, wieviel Sonnenstrahlung reflektiert werden kann und wie schnell der Schnee schmilzt", erklärt Schneebeli.

Die Expedition in die Arktis war wichtig: Zum ersten Mal konnten Schneebeli und seine Mitforschenden in einer kontinuierlichen Messreihe detailliert dokumentieren, was die Struktureigenschaften von Schnee während der vier arktischen Jahreszeiten sind und wie sie sich in ihrem Verlauf verändern. Schneebeli hofft unter anderem auf präzisere Parameter und wesentlich verbesserte Schneedeckenmodelle. Denn diese Modelle sind einer der Pfeiler, auf denen die Prognosen über den Wandel des Erdklimas ruhen.

Für die Schneeforschung existiert die Unterscheidung von Schnee und Eis nicht. Schnee ist Eis. Ein heißes Eis, weil es sich immer relativ nah an seinem Schmelzpunkt, null Grad Celsius, befindet, niemals mehr als 15 Prozent darunter. Auch nicht, wenn es wie in der Arktis, minus vierzig Grad hat. Die zum Schnee gehörende Physik ist daher Hochtemperaturphysik.

Die Metamorphosen von Schnee

Schnee ist in ständiger Veränderung begriffen: Jede einzelne der kleinen Flocken hat ihre eigene individuelle sechseckige Struktur, geformt aus vielen Abermillionen Wassermolekülen. Sobald sie auf den Boden trifft, der in der Regel wärmer ist als die umgebende Luft, beginnen die Schneeflocken zu sublimieren, wie es fachlich heißt. Die Spitzen der kleinen Flocken heften sich aneinander, Kristalle verbinden sich und bilden neue größere Strukturen.

Innerhalb einer Schneedecke entstehen schnell wärmere und kältere Schichten. Die bodennahen wärmeren Schichten beginnen zuerst, sich aufzulösen; ihre Moleküle heften sich an kältere Schneekristalle in der Schicht darüber. "Innerhalb kurzer Zeit, vielleicht ein Tag oder eine Woche, wird die ganze Eisstruktur umgebildet. Es gibt kein anderes natürliches Material auf der Erde, das sich so schnell umkristallisiert", sagt Schneebeli. Auf der Polarstern konnte er mit bloßem Auge sehen, wie schnell und drastisch sich das Meereis und das Eis um das Schiff veränderte.

 

Ein Portrait eines Mannes mit einer Stirnlampe, einer roten Kapuze, einer schwarzen Mütze und einer schwarzen Sturmhaube, die Mund und einen großen Teil der Nase bedeckt, blickt freundlich. Sein gesamtes Gesicht, das durch die Kleidung geschützt ist, ist von Schnee bedeckt. Der Schnee hat sich auch auf seine Wimpern gelegt. Es ist ein feines Eis. - © Lars Barthel
Martin Schneebeli mit eigener Schneedecke. Der Wind in der Arktis kann mit 14 Metern pro Sekunde wehen. - © Lars Barthel

Was mit den Schneeflocken geschieht, wird als Schneemetamorphose bezeichnet; was man über sie weiß, weiß man aus Laborversuchen, aus Experimenten mit selbst erzeugtem Schnee und auf abgesteckten Schneefeldern, von Stichproben aus Arktis, Antarktis und Alpen. Was in der Arktis im Frühjahr, Sommer, Herbst und Winter aber mit dem Schnee geschieht, war weitgehend unbekannt. Niemand hatte es je kontinuierlich gemessen. Dabei ist die stetige Umkristallisation ausschlaggebend dafür, wieviel Sonnenlicht der Schnee reflektiert, wieviel Wärme er speichert, ob er das Meereis wachsen oder es schneller schmelzen lässt.

Die Zeichen des Wandels

Nach den bisherigen Erkenntnissen sieht es so aus, als verstärkten sich in der Arktis verschiedene Effekte des Klimawandels. Das Meereis in der Arktis wird tendenziell immer jünger, da es, bedingt durch die Erderwärmung schneller schmilzt. Der Anteil von Eis, das jünger ist als ein Jahr nimmt zu.

Auf der glatteren Oberfläche von jungem Meereis kann sich Schnee schlecht halten, er wird verweht.

Die Schneedecken sind daher dünner als in früheren Jahren. In diesen dünnen Schneedecken finden die mechanisch-physikalischen Prozesse beschleunigt statt. Immer schneller sublimiert das Eis. "Man hat dort sehr große Temperaturunterschiede und eine starke Schneemetamorphose", sagt Schneebeli. "Wir müssen die Daten aber erst auswerten, bevor wir sagen können, wie stark die Metamorphose beschleunigt wird und ob das Auswirkungen auf die Albedo, also die Reflektion hat."

Für die verschiedenen Schneedecken oder Eisarten gab es bis zur Mosaic-Expedition keine geeigneten Daten für die Modellierung ihrer möglichen Effekte. "Wir sind jetzt schon sehr gespannt was dabei herauskommt", so Schneebeli.

Jeder Millimeter einer Schneeflocke zählt

Schneebeli erforscht Schnee seit mehr als dreißig Jahren. In den 1990er Jahren waren Schneeforschende mit Lupe und Rasterblech unterwegs, um verschiedene Schneearten zu charakterisieren, nachdem sie Schneeprofile gegraben hatten. "Da ist jede Beschreibung natürlich subjektiv", sagt Schneebeli. "Und wenn Sie bei minus zwanzig Grad mit einer Lupe dastehen und abschätzen sollen, ob das Kristall einen Millimeter groß ist oder doch nur einen halben, dann ist das natürlich mühsam."

Hinzu kommt noch, dass die Schneeforschung in den Alpen vornehmlich dazu da war, Lawinen vorherzusagen und zu vermeiden. "Ob eine Flocke 0,6 oder 0,75 Millimeter groß ist, spielt da keine Rolle." Modellierung für das Klima stellt andere Ansprüche, ohne präzise Daten lassen sich keine Modelle kalibrieren.

Martin Schneebeli hat im Laufe seines Forscherlebens viele neue Messmethoden etabliert und eigene Geräte entwickelt, etwa den Snow Micro Pen, der sehr schnell sehr viele verschiedene Schneeprofile messen kann. An Bord der Polarstern außerdem: Computertomographen für dreidimensionale Bilder der Schneestruktur, Radar, Messgeräte für die Dichte. Vor der Expedition war den Forschenden nicht klar, wie sehr sich der Schnee unterscheidet, je nachdem, wohin er fällt. Der Eindruck einer homogenen Schneedecke in der Arktis täuscht. "Die räumliche Variabilität ist hoch."

 

Zwei Eisbären stehen im Schnee. Es ist eine Mutter und ihr Junges, das sich unter ihr versteckt. Man sieht nur die beiden Vorderfüße, die linke Seite des kleinen Bären und Kopf und Hals. Beide Bären blicken nach links. Die Mutter scheint zu wittern. Das Junge schaut in diesselbe Richtung udn wirkt neugierig. Die Mutter hat ein sehr dichtes sehr dickes Fell. Sie ist cremeweiß. Das Junge ist wesentlich heller, Das Fell ist serh dicht und wirkt sehr weiß. Im Vergleich zur Mutter ist das Junge sehr klein. Die schwarzen Schnauzen und dunklen AUgen der beiden Bären sind deutlich zu sehen. Das Eis, das sie umgibt, hat einen bläulichen Schimmer. - © Lianna Nixon
Eine Eisbären-Mutter und ihr Junges nähern sich der Polarstern.  Schnee und Eis geben ihnen ein Zuhause, dabei ist dieses Ökosystem in ständiger Veränderung begriffen. - © Lianna Nixon

Ob der Schnee wirklich von oben kommt, ist ebenso wenig leicht zu bestimmen. Der Wind kann in der Arktis auch mit vierzehn Metern in der Sekunde wehen. Die Frage, wieviel Schnee denn eigentlich auf das Meereis fällt, war daher nicht trivial und sie beschäftigt die Schneeforscher bis heute. "Wir konnten aber die Messungen verschiedener Geräte miteinander vergleichen, weil die verschiedenen Teams von Mosaic Tonnen von Gerät auf die Polarstern mitgenommen hatten," sagt Schneebeli. Tatsächlich haben die Forscher unter anderem auch Fotos der Schneeflocken gemacht. "Es ist noch nicht ganz sicher, was ist die richtige Messung, aber da kommen wir sicher auch weiter."

Eine offene Frage ist ebenfalls, welche Menge des gesamten Wassers in der Atmosphäre gerade als Schnee vorhanden ist. "Es sind sicher nur wenige Prozent", schätzt Schneebeli.

Mit dem Wissen um die Metamorphose und Vergänglichkeit von Schnee lässt sich auch nicht mehr so leicht sagen, ob es heute weniger Schnee gibt als früher oder nicht. Die Schneemenge an sich bleibt gleich, vermutet Schneebeli. "Tendenziell fällt in Gebieten wo es früher eher weniger Schnee hatte, aber kälter war, mehr Schnee, weil wärmere Luft mehr Wasserdampf aufnehmen kann. Aber weil es insgesamt wärmer ist, gibt es dann Gebiete, wo überhaupt kein Schnee mehr fällt, er fällt als Regen."

Ganz sicher ist jedenfalls eine traurige Tatsache: Die Oberflächen der Erde, die von Schnee bedeckt sind, schrumpfen. Das Verschwinden des Schnees ist tatsächlich ein Zeichen. Es wird wärmer.

Eine Aufnahme einer arktischen Landschaft mit untergehender Sonne am Beginn der Dämmerung. Es sind große Schnee und Eisflächen zu sehen, die sich bis zum Horizont erstrecken. Der Horizont ist der weit und das Bild leuchtet in sanften Tönen. - © Michael Gutsche
Die Sonne über dem Eis des Nordpolarmeeres. - © Michael Gutsche