THEORIE DER SCHNEEPRODUKTION

Die Schneeproduktion wird von einer ganzen Variablenreihe beeinflusst. Zu den wichtigsten gehören die Lufttemperatur, die Luftfeuchtigkeit, die Nukleationstemperatur und die Größe der Wasserspraytröpfchen des Schneeerzeugers.

das Gebilde der Moleküle des flüssigen Wassers

das Gebilde der Eiskristallmoleküle

Luft
temperatur
 
°C

Regen

Ein Beispiel: die Tabelle beweist, dass die Bedingungen für die Schneeproduktion bei der Temperatur von −2,2°C und 20%igen relativen Luftfeuchtigkeit gleich wie bei −6,3°C und 90%igen relativen Luftfeuchtigkeit sind. In beiden Fällen hat nämlich die Feuchtkugeltemperatur den gleichen Wert.

Die homogene Nukleation beginnt, wenn eine ganz kleine Molekülengruppe den festen Zustand erreicht hat. Diese Molekülengruppe – Nukleationskeim – ist der Wachstumsgrund der weiteren Kristalle, dieser Keim bleibt erhalten, bis der ganze Wasserinhalt gefroren wird. Der Prozess der Kristallbildung hängt von der Menge der abgeleiteten latenten Erstarrungswärme ab. Die Wassermoleküle binden sich sehr schnell an den Keim an. Während des Kristallwachstums wird die Energie frei, die das Abkühlen der angebundenen Moleküle verursacht. Das Kristallwachstum wird fortgesetzt, bis sich alle Moleküle angebunden haben. In diesem Moment wird aus dem Wasser Eis.

Die Leute glauben gewöhnlich, dass das "saubere Wasser" bei 0°C friert. In Wirklichkeit kommt es zu der Nukleation (Frieren) des "sauberen Feinwassers" bei −40°C. Zu dem Geschehen, genannt "supercooling", kommt es in der höheren Troposphäre oder bei den Laborversuchen vor.

Heterogene Nukleation
Bei Temperaturen über −40°C kommt es zu einer Zustandumwandlung dank den fremden Zusätzen im Wasser. Diese Stoffe verhalten sich wie ein Keim. Sie funktionieren gewöhnlich bei höheren Temperaturen als Keime bei der homogenen Nukleation. Die Stelle, an der sich ein Keim bildet, nennen wir der Nukleationspunkt. Genauso wie die homogene Nukleation wird auch die heterogene Nukleation durch die zwei wichtigsten Fakten gesteuert: durch den Energieaustausch bei der Keimbildung und durch die Wachstumsgeschwindigkeit des Kristalls. Bei der heterogenen Nukleation wird der grundsätzliche Einfluss auf das Wasserfrieren durch die Konfiguration des Nukleationspunktes und die Energieübertragung ausgeübt.

Während der Schneeproduktion kommt es zu der heterogenen Nukleation. Das Wasser besitzt viele Zusätze, die sich wie Nukleatore verhalten. Verschiedene Zusatzarten nukleieren das Wasser bei verschiedenen Temperaturen. Fremde Zusätze teilen wir in zwei Gruppen ein: Hochtemperaturzusätze (Jodide, Trockeneis, Eiweißstoffe) und Niedrigtemperaturzusätze (Kalzium, Natrium, im allgemeinem Mineralstoffe). Im Wasser, das wir zu der Schneeproduktion benutzen (Gebirgsbäche, Flüsse und öffentliche Wasserleitungen), befindet sich eine große Menge an Niedrigtemperaturnukleatoren. Die Nukleationstemperatur dieses Wassers liegt üblicherweise zwischen −10°C bis −6°C.
Der Leitwert des Wassers auf Grund von Zusätzen (Hochtemperatur- oder Niedrigtemperaturzusätze) wird in "Microsiemens" μS gemessen. Der Idealwert für effektive Beschneiung liegt zwischen 300 μS − 450 μS.

Aber aufpassen! Warum entsteht das Glatteis bei einer Temperatur rund um 0°C? Der Prozess des Frierens wird von einem weiteren Geschehen beeinflusst – die Oberflächenart (Straßen, Bäume) auf der sich das Glatteis bildet. Zwischen der Oberfläche und dem Nukleationspunkt kommt es zum Energieaustausch, der das Frieren bei der Temperatur nahe der 0°C Marke verursacht.

Bei dem Schneeentstehen wird die Wasserumwandlungstemperatur in Eiskristalle durch den Nukleator mit der höchsten Nukleationstemperatur bestimmt. Versuche haben bewiesen, dass 95% des natürlichen, nicht gepflegten Wassers bei sehr unterschiedlichen Temperaturen friert. Die durchschnittliche Nukleationstemperatur des Naturwassers liegt bei −7,7°C. Durch die Zugabe des Hochtemperaturnukleatores wird die Temperatur, bei der das Wasser friert, erhöht. Mit Schneekanonen wird der Punkt, bei dem das Wasser friert, ca. bei −2,9°C liegen. (je nach Leitwet des Wassers. "siehe oben Microsiemens")

Bei dem Abkühlen der Wassertropfen aus der Schneekanone wird in die freie Luft eine Menge an Wärme freigesetzt: jedes Gramm des Wassers gibt der Luft in der Umgebung bei dem abkühlen um 1°C   die Energie von 4,18 J (1 Kalorie) ab. Dazu bei der Zustandumwandlung gibt jedes Gramm Wassers die Energie von 334 J (80 Kalorie) ab. Diese schnelle Energieumwandlung erhöht die Tropfentemperatur des Wassers auf 0°C. Die Temperatur bleibt gleich, bis der Tropfen noch den letzten Rest im flüssigen Wassers beinhaltet. Das ist der Grund, warum sich die meisten Leute denken, dass Wasser bei 0°C friert. Die Erklärung ist: Das Wasser friert bei der Temperatur 0°C oder weniger, wenn es vorher auf die Nukleationstemperatur abgekühlt worden ist.


Die Tröpfchengröße
Die Verteilung von Nukleatoren im gegebenen Wasserinhalt ist rein zufällig, deswegen wird die Temperatur des Wassertröpfchenfrierens durch ihr Volumen beeinflusst. Falls sich das Wassertröpfchen verkleinert, ist auch die Wahrscheinlichkeit kleiner, dass sie einen Hochtemperaturnukleator beinhalten wird. Das heißt, dass in größeren Tröpfchen die Wahrscheinlichkeit der Anwesenheit des Hochtemperaturnukleators höher ist. Für die Schneeproduktion ist die Situation am optimalsten, wenn in jedem Wassertröpfchen, das die Schneekanone verlässt, mindestens ein Hochtemperaturnukleator anwesend ist und deshalb frieren alle Tröpfchen noch vor der Landung.  

Das Verhältnis zwischen der Nukleationstemperatur und der Wassertröpfchengröße beschreiben zwei statistisch belegte Entschlüsse.
1. Die Vergrößerung des Wassertröpfchenvolumens um die Hälfte erhöht die Nukleationstemperatur um 0,56°C
2. Das Verkleinern des Wassertröpfchenvolumen um die Hälfte senkt die Nukleationstemperatur um 1,67°C.

Diese Regeln gelten für die durchschnittliche Wassertröpfchengröße während der Schneeproduktion, falls keine Hochtemperaturnukleatoren zugesetzt sind.

Wenn wir die Wassertropfengröße ins Verhältnis zu der Nukleationstemperatur stellen und die Hochtemperaturnukleatore gemeinsam mit größeren Tropfen benutzen, können wir die Schneeproduktion verbessern. So werden wir nicht nur den Wasserdurchfluss erhöhen, sondern senken wir auch die Verluste der kleineren Kristalle durch die Thermik, den Wind und durch das Verdunsten. Mehr Schnee wird dort landen, wo wir ihn tatsächlich benötigen. Messungen haben gezeigt, dass das Erhöhen vom Wasservolumendurchfluss um 20% die Schneeproduktion um bis zu 40% steigert.  

Diese Entschlüsse bestätigen die nicht erwünschten Ergebnisse der Wasserumwandlung in kleinere Tröpfchen, vor allem dort, wo wir eine beschränkte Wassermenge zur Verfügung haben.  

Falls wir die Verhältnisse zwischen der Feuchtkugeltemperatur, der Nukleationstemperatur und der Wassertropfensprägrohesse begreifen, werden wir fähig sein alle physikalische Geschehen auszunutzen und folge dessen die Wirksamkeit und die Qualität der Schneeproduktion zu verbessern.