10.07.2025
Schnee ist eine Form von gefrorenem Wasser. Er besteht aus vielen kleinen Eiskristallen, die sich zu Schneeflocken formen. Schnee kann leicht und pulvrig sein oder auch feucht und schwer, abhängig von den Umständen, unter denen er entsteht. Schnee besteht zu einem großen Teil aus Luft, daher bezeichnet man ihn physikalisch als „poröses Medium“. Wenn man so will, ist er ein luftiger Eisschaum.
Schnee ist ein wichtiger Bestandteil des Wasserkreislaufs und hat viele Auswirkungen auf die Umwelt. Er bedeckt den Boden und beeinflusst das regionale Klima. Schnee hat auch einen großen Einfluss auf den Lebensraum von Tieren und Pflanzen, da er eine isolierende Schicht bietet und Wasser speichern kann. Wenn er im Frühjahr schmilzt, wird daraus eine Wasserquelle.
Schnee ist auch für den Menschen von Bedeutung, sowohl als Möglichkeit zur Freizeitgestaltung (Skifahren, Snowboarden und Schlittenfahren) als auch für den Transport (z. B. Skilifte, Ski-Doo). Allerdings können durch Schnee Gefahren wie Lawinen entstehen bzw. kann er Verkehrsprobleme verursachen und die Infrastruktur beeinträchtigen, insbesondere wenn große Mengen davon fallen.
Insgesamt ist Schnee ein faszinierendes meteorologisches Phänomen, das eine wichtige Rolle in der Natur und im Alltag spielt.
Die Prozesse, die zur Bildung von Schneekristallen führen, sind komplex und hängen von vielen Faktoren ab, z. B. von der Temperatur, der Feuchtigkeit, dem Luftdruck und der Menge an Wasserdampf in der Luft.
Im Allgemeinen beginnt die Bildung eines Schneekristalls, wenn Wasserdampf an winzigen Partikeln in der Luft kondensiert. Diese Partikel dienen als Keime oder sogenannte „Nukleationszentren“ für die Kondensation von Wasserdampf. Damit der Wasserdampf überhaupt aus der Luft an den Partikeln andocken möchte, muss das Luftpaket, in dem sich der Wasserdampf befindet, gesättigt sein. Gesättigt bedeutet, dass das Luftpaket eine relative Luftfeuchtigkeit von 100 Prozent erreicht hat. Damit der Schneekristall nicht gleich schmilzt, muss die Lufttemperatur unter dem Gefrierpunkt liegen. Sammelt sich unter diesen Voraussetzungen genügend Wasserdampf um diese Keime an, bilden sich kleine Schneekristalle aus Eis.
Temperatur und die sogenannte Übersättigung, also der absolute Anteil von Wasser in der Luft, bestimmen nun, welche Formen der Schneekristall einnimmt.
Die Schneekristalle können unterschiedliche Formen und Strukturen haben, abhängig von den Umgebungsbedingungen – eine Eigenschaft ist aber immer gleich: Sie haben sechs Ecken. Befindet sich die Übersättigung bei 0,1 g pro Kubikmeter Luft und liegt die Temperatur nahe an 0° C, so entstehen eher kleine Plättchen (siehe auch Abbildung und Foto). Steht absolut gesehen mehr Wasser zur Verfügung, fangen die Plättchen an, Arme auszubilden. Es entstehen die klassischen Schneesterne bzw. Dendriten. Diese Schneekristalle wachsen in einer Wolke kontinuierlich an. Werden sie zu schwer, fallen sie dann der Schwerkraft folgend nach unten. Dabei werden sie oft von Winden aufgewirbelt. Dadurch verhaken sie sich, bleiben hängen und bilden somit die Schneeflocke. Da diese noch schwerer ist als die einzelnen Dendriten, fällt sie dann zu Boden.
Schneekristalle haben aufgrund der Molekularstruktur von Wasser eine sechseckige Form. Die sechseckige Form entsteht durch die Art und Weise, wie Wassermoleküle bei der Bildung von Schneekristallen angeordnet sind.
Da Schnee gefrorenes Wasser ist, besteht ein Schneekristall aus Wassermolekülen. Dieses wiederum besteht aus einem Sauerstoffatom, das von zwei Wasserstoffatomen umgeben ist. Bei der Bildung eines Schneekristalls ordnen sich die Wassermoleküle in einem regelmäßigen Muster an und bilden eine sechseckige Struktur.
Die sechseckige Form entsteht durch die Bindungswinkel der Wassermoleküle zueinander. Die Winkel zwischen den Wasserstoffatomen und dem Sauerstoffatom im Wassermolekül betragen ungefähr 104,5 Grad. Bei der Kristallisation des Wassers passen die Wassermoleküle aufgrund dieser Winkel am besten in eine hexagonale (sechseckige) Struktur.
Für uns Menschen ist Schnee kalt, weil seine Temperatur unter unserer Körpertemperatur liegt. Wenn Schnee auf unsere Haut fällt, entzieht er unserem Körper Wärme und lässt uns dadurch frieren. Wind verstärkt diese wahrgenommene Kälte des Schnees, da durch den Wind die Wärme schneller von unserer Haut wegtransportiert wird.
Auch wenn sich Schnee für uns Menschen kalt anfühlt – dem Schnee selbst ist es eigentlich recht heiß bei uns auf der Erde. Um das zu verstehen, müssen wir den Begriff der homologen Temperatur kennen. Sie beschreibt die Temperatur bei dem ein Material, hier Schnee bzw. Eis, schmilzt. Die homologe Temperatur von Schnee beträgt 0° C. Da Schnee in unseren Breiten selten kälter als -30° C wird, ist seine Temperatur immer recht nah an seiner homologen Temperatur, sprich immer sehr nah an seinem Schmelzpunkt, was sich für das Material Schnee selbst sehr heiß anfühlt. Nimmt man die homologe Temperatur als Referenz, kann man bei Schnee sogar von einem heißen Material sprechen.
Schnee besitzt also eine hohe thermische Aktivität. Was auf den ersten Blick merkwürdig erscheint, wird logisch, wenn dieses Phänomen mit anderen Materialien verglichen wird, die wir Menschen sowieso als heiß empfinden. Vergleichen wir Schnee mit einem Metall: Bei Aluminium z. B. liegt der Schmelzpunkt bei ca. 660 °C. Im Normalfall ist Aluminium also im Vergleich zu Schnee sehr weit von seinem Schmelzpunkt entfernt. Schnee hingegen ist permanent sehr nahe am Schmelzen und das bewirkt, dass sich ständig Wassermoleküle aus dem Verbund der Eiskörner lösen und in die gasförmige Phase übergehen, sie sublimieren zu Wasserdampf.
Schnee besteht aus Wasser. Wasser ist eine einzigartige Substanz mit verschiedenen Aggregatszuständen und einer Besonderheit, die als Anomalie des Wassers bezeichnet wird.
Die Aggregatszustände des Wassers sind:
Die Anomalie des Wassers bezieht sich auf einige ungewöhnliche Eigenschaften, die Wasser im Vergleich zu anderen Substanzen zeigt. Hier sind einige Beispiele:
Diese Anomalien des Wassers sind eng mit der einzigartigen Struktur und den Wechselwirkungen der Wassermoleküle verbunden. Die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen spielen eine entscheidende Rolle bei den beobachteten Eigenschaften des Wassers. Eis hat eine geringere Dichte als Wasser, denn beim Gefrieren werden die Wassermoleküle in einer Gitterstruktur angeordnet, die mehr Raum benötigt und dadurch bei gleicher Menge Wasser ein größeres Volumen einnimmt. Der Effekt: Die Dichte nimmt ab (siehe auch nächstes Kapitel). Jede*r, der*die schon mal ein Getränk im Gefrierfach vergessen hat, kennt diesen Effekt. Wer zu lange wartet, hat nur noch Scherben und gefrorene Flüssigkeit in der Tiefkühltruhe. Die Dichteanomalie des Wassers ist maßgeblich dafür verantwortlich, dass im Winter Pflanzen und Tiere in einem Gewässer überleben können. In einem See schwimmt beispielsweise das entstehende Eis auf und verhindert dadurch, dass der See zu sehr auskühlt. Zudem bleibt das restliche Wasser im See flüssig und kann weiterhin den für Lebewesen notwendigen Lebensraum bieten.
Anomalie von Wasser:
Das Gewicht von Schnee kann stark variieren. Aus diesem Grund wird Schnee nicht in einer Masseneinheit (z. B. Kilogramm) angegeben oder gemessen, sondern immer in Relation zu einem Referenzvolumen (z. B. Kubikmeter) beschrieben. Man spricht dann auch nicht mehr vom Gewicht des Schnees, sondern von seiner Dichte. Die Dichte eines Materials ist definiert als die Masse pro Volumeneinheit. Sie wird in der Regel in Kilogramm pro Kubikmeter (kg/m³) angegeben. Grundsätzlich hat Schnee eine niedrigere Dichte als Wasser, was bedeutet, dass ein bestimmtes Volumen Schnee weniger Masse aufweist als das gleiche Volumen Wasser. Mithilfe dieses Konzeptes kann man auch die Dichte von trockenem (d.h. Schnee, der nur aus Eis besteht) und nassem Schnee beschreiben. „Trocken“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Schnee nur aus Eiskristallen besteht, „nasser“ Schnee hingegen besteht aus einem Gemisch aus Eiskristallen und Wasser. Schnee kann aufgrund seiner Struktur und der Tatsache, ob er trocken oder nass ist, stark variierende Dichtewerte annehmen (siehe Tabelle). Der maximale Dichtewert von Schnee ist in seiner Erscheinung als pures Eis, das 917 kg/m³ wiegt.
Eng verbunden mit dem Prinzip der Dichte ist die Porosität. Schnee kann ein hochporöses Material sein. Porosität bezieht sich auf den Anteil an Poren oder Hohlräumen in einem Material im Verhältnis zum Gesamtvolumen. Sie ist ein Maß dafür, wie viel Raum in einem Material von nicht-festem Material eingenommen wird. Ein hochporöses Material hat eine größere Anzahl an Poren im Verhältnis zu seinem Volumen (= geringe Dichte) und damit eine höhere Porosität. Ein dichtes Material hingegen hat weniger Poren und dementsprechend eine niedrigere Porosität. Der berühmte Champagne-Powder von Utah weist meistens Dichten von 30–50 kg/m³ auf und stellt wohl den porösesten Zustand von Schnee dar. Wandelt man die Dichte in Porosität um, stellt man fest, dass das Volumen von 1 Kubikmeter Champagne-Powder nur zu 3–6 Prozent aus Eis besteht – der Rest ist Luft.
Die Porosität ist eine beliebte Einheit der Materialwissenschaften und kann die mechanischen Eigenschaften von Materialien beeinflussen, wie zum Beispiel ihre Festigkeit, Elastizität oder Wärmeleitfähigkeit. Es ist wichtig anzumerken, dass Porosität nicht nur die Anzahl der Poren betrifft, sondern auch deren Verteilung, Form und Größe. Diese Faktoren können sich auf die spezifischen Eigenschaften und Funktionen eines porösen Materials auswirken.
Die Wärmeleitfähigkeit gibt an, wie gut ein Material Wärme leitet. Im Folgenden sind die Wärmeleitfähigkeiten von Luft, Eis und Wasser angeführt, denn Schnee besteht aus diesen Elementen:
Alle Materialen, die in einer Schneedecke vorhanden sein können, sind also vergleichbar schlechte Wärmeleiter. Die Konsequenz ist, dass sehr poröser Schnee, sprich Schnee mit vielen Anteilen Luft und wenigen Anteilen Eis, sehr stark isolierend wirkt.
Die Schneedecke ist sehr umwandlungsfreudig, denn Schnee verändert sich von der ersten Minute, in der er auf den Boden fällt und liegen bleibt. Wie schnell und massiv diese Umwandlung passiert, ist von der Temperatur, der Dichte des Schnees (= Porosität) und dem Gewicht der darüberliegenden Schneeschichten abhängig. Herrschen z. B. nahe der Schneeoberfläche große Temperaturunterschiede, können sich die Schneekristalle innerhalb weniger Stunden von eher rundlichen Formen in eckige, kantige Formen verwandeln.
Die Beschreibung der Schneeumwandlung, auch Metamorphose genannt, ist eine Mischung aus einer morphologischen Beschreibung, welche sich auf die Form der Schneekristalle bezieht (vgl. Tabelle mit Kornformen), und einer Prozessbeschreibung. Man versucht also die Form und die Entstehung des veränderten Schneekristalls zu beschreiben und zu charakterisieren. Dabei kann man drei Umwandlungsarten unterscheiden:
Die abbauende Umwandlung beschreibt die Prozesse, die einen Neuschneekristall über den sogenannten Filz(schnee) in kleine runde Körner umwandelt.
Die ursprünglich fein verästelten, relativ großen Neuschneekristalle wandeln sich in kleine runde Körner um. Der Grund dafür liegt an der ungleichmäßigen Verteilung von Wassermolekülen im Neuschneestern: An den Spitzen besitzt jedes Wassermolekül nur wenige Nachbarn, die es im Eisgerüst festhalten können. An den Vertiefungen und Einbuchtungen drängen sich aber viele Nachbarmoleküle, die das Wassermolekül festhalten können. Physikalisch gesprochen ist der Wasserdampfdruck über konvexen Formen (Rücken, Spitzen) größer als über konkaven Formen (Einbuchtungen, Vertiefungen). Durch diesen Druckunterschied sublimiert mit der Zeit Eis an den Spitzen, wandert als Wasserdampf zu den konkaven Bereichen des Neuschneekristalls und wird dort wieder als Eis deponiert.
Hinter diesem Prozess steckt das universale Bestreben der Natur, die Oberflächenenergie zu minimieren. Die geometrische Form mit der kleinsten Oberflächenenergie ist die Kugel. Durch die abbauende Umwandlung erreicht der komplexe Schneekristall immer mehr die Kugelform. Die damit einhergehende Verstärkung der Bindungen kann man unter dem Begriff des Sinterns zusammenfassen. Das Sintern ist also eine Folge der abbauenden Metamorphose.
Dieser Prozess beginnt unmittelbar nach der Ablagerung eines Neuschneekristalls. Weil der Porenraum kleiner wird und die Eiskörner ebenfalls kleiner werden, nimmt das Volumen ab und die Schneedecke setzt sich – ein Vorgang, den wir nach Neuschneefällen mit dem bloßen Auge beobachten können. Die Dauer dieses Vorgangs ist temperaturabhängig. Höhere Temperaturen in der Schneedecke (ca. –5° C bis 0° C) führen zu einer relativ raschen abbauenden Umwandlung; bei tieferen Temperaturen läuft diese langsamer ab. Hoher Druck (z. B. Auflast durch viel Neuschnee) beschleunigt die abbauende Umwandlung zusätzlich. Der Sinterprozess erfolgt wie eingangs erwähnt meist über drei Kornformen (vgl. Tabelle Kornformen): Neuschnee wandelt sich in Filz um, der bei anhaltender abbauender Umwandlung zu kleinen runden Körnern schrumpft.
Sintern bzw. die abbauende Umwandlung haben unterschiedliche Auswirkungen für die Entstehung von Lawinen (vgl. Beitrag Entstehung von Lawinen). Beim Übergang vom Neuschneekristall zum filzigen Kristall tritt z. B. kurzfristig ein Festigkeitsverlust ein, da die abbauende Umwandlung Verzahnungen der Kristallverästelungen zerstört, neue Brücken, die den Festigkeitsverlust kompensieren könnten, aber noch nicht gebildet wurden. In der Praxis äußerst sich das durch die unmittelbar nach einem Neuschneeereignis häufig auftretenden Lockerschneelawinen. Als Folge der abbauenden Umwandlung wird der Neuschnee außerdem gebunden und brettartig und könnte in Kombination mit einer Schwachschicht zu einer Schneebrettlawine führen. Grundsätzlich ist die abbauende Umwandlung aber günstig für die Stabilität von sehr porösen Schichten (z. B. Schwachschichten), da die Bindungen im Kristallgefüge verstärkt und stabilisiert werden.
Bei der aufbauenden Umwandlung wächst der Schneekristall. Die treibende Kraft hinter der aufbauenden Schneemetamorphose ist der Temperaturgradient in der Schneedecke, die Hauptzutat ist der Wasserdampf. Der Temperaturgradient beschreibt den Temperaturunterschied zwischen Schneeoberfläche und Boden bezogen auf die Schneehöhe. Je größer der Gradient, umso schneller und stärker läuft die aufbauende Umwandlung ab. Da die Schneedecke sehr gut isoliert, stellt sich im Laufe des Winters in bodennahen Schichten eine konstante Temperatur von nahe 0 °C ein. An der Schneeoberfläche variiert die Schneetemperatur durch den Energieaustausch mit der Atmosphäre stark und kann sehr tiefe Temperaturen annehmen. Der Gradient ist umso größer, je größer der Temperaturunterschied in der Schneedecke ist und je geringer die Schneehöhe.
Die wärmere Porenluft am Boden enthält mehr Wasserdampf als die kälteren Schichten darüber, was dazu führt, dass der Wasserdampf in Richtung der kälteren Schichten aufsteigt und an der Unterseite der kälteren Kristalle als Eis wieder kristallisiert (Deposition). Es bilden sich Facetten und Kanten aus, das Korn wächst und wird langsam zum kantigen Kristall und schließlich zum Becherkristall bzw. Tiefenreif (Schwimmschnee). Dieser bildet sich vorwiegend am Boden, kann aber auch in höher gelegenen Zwischenschichten entstehen. Ausschlaggebend ist immer eine große Temperaturdifferenz auf kurzer Distanz. Besteht diese Differenz in oberflächennahen Schichten, so können sich auch dort, vor allem an Schattenhängen während langer Kälteperioden, kantige Kristalle bilden.
Eine weitere Kristallform der aufbauenden Umwandlung ist der Oberflächenreif. Der Entstehungsprozess für den Oberflächenreif ist derselbe wie beim Tiefenreif (Deposition). Allerdings kommt der Wasserdampf bei der Bildung von Oberflächenreif aus der Umgebungsluft, die über die Schneedecke streicht.
Die aufbauende Umwandlung ist deshalb so wichtig, weil sie Schwachschichten produziert. Becherkristalle sind allein ihrer Größe wegen ein brüchiges Material. Durch die großen, kantigen und eckigen Formen der Kristalle können nur wenige Kontaktpunkte zueinander entstehen. Das Eisgerüst verliert an Festigkeit. Zudem haben die großen Strukturen nun eine noch stärkere Hebelwirkung auf jede weitere Bindung, was letztlich zu einer besseren Bruchfortpflanzung führt. Mit anderen Worten: Bricht ein einzelnes Element in einer Tiefenreifschicht, so schwächt dies das Eisgerüst unverhältnismäßig stark.
Aber nicht immer verringert die aufbauende Umwandlung die Stabilität einer Schneedecke. Erfährt z. B. die komplette Schneedecke durch eine lange andauernde Kälteperiode eine massive aufbauende Umwandlung, gibt es keinen gebundenen Schnee mehr, der als Schneebrett abgehen könnte. Die Schneedecke besteht nur mehr aus lockeren, bindungsarmen Schneekristallen. In diesem Fall wird die Bruchausbreitung stark vermindert und nicht selten erlebt man feinsten Pulverschnee bei sehr sicheren Verhältnissen. Kritisch wird es erst wieder, wenn der nächste Schneefall oder Triebschnee kommt und die lockeren Schichten zur eingeschneiten Schwachschicht werden.
Sobald die Schneetemperatur auf 0 °C steigt, beginnen die Kristalle an ihren Ecken und Kanten zu schmelzen. Sie nehmen eine rundliche Form an und rücken näher zusammen. Häufig kann man Konglomerate (Cluster) von mehreren Körnern unter der Lupe entdecken (vgl. Tabelle Kornformen). Dabei wachsen die einzelnen rundlichen Schneekristalle stark und können innerhalb kurzer Zeit mehrere Millimeter groß werden. Das entstehende Wasser besetzt zunächst nur die Einbuchtungen und Kristallkontakte der Cluster. Dieses Einnisten von geringen Wassermengen in den Porenwinkeln steigert die Kapillarkräfte zwischen den Kristallen und erhöht die Festigkeit. Solange die Feuchtigkeit des Schnees und die Korndurchmesser gering sind, tritt eine Verfestigung ein. Der Schnee pappt zusammen und ist perfekt für ausgedehnte Schneeballschlachten oder den Bau eines schönen Schneemanns.
Bei fortschreitender Schmelze füllen sich die Poren zunehmend mit Schmelzwasser. Das Wasser kann nicht mehr in den Porenwinkeln gehalten werden und fließt der Schwerkraft folgend ab. Die Schneekristalle werden nun fast gänzlich von einer Haut aus Wasser umzogen und voneinander gelöst. Durch das Verschwinden der Kornbindungen tritt ein großer Festigkeitsverlust ein (Faulschnee). Kleine Unterschiede in der Wassermenge entscheiden, ob der nasse Schnee stabil ist oder nicht. Veränderungen der Wassermenge können aber sehr schnell passieren. Typischerweise bleibt der Schnee bis ca. 3 Volumenprozent Flüssigwasser stabil. Wird dieser Schwellenwert überschritten, verliert die Schneedecke sehr schnell an Festigkeit.
Gefriert eine feuchte oder nasse Schneeschicht, so bildet sie eine stabile Schmelzharschkruste. Der Schnee erreicht eine sehr hohe Festigkeit. Durch einen mehrfachen Wechsel von Schmelzen und Wiedergefrieren entsteht grobkörniger Sulzschnee, den die Skifahrer*innen außerhalb der Schweiz etwas salopp als „Firn“ bezeichnen.
