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Physik im Alltag und Naturphänomene, Rubriken: "Spielwiese" und "Blickwinkel"

Schneemuster auf Pflastersteinen

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 42/1 (2011), S. 47

Fällt Schnee auf ein Steinpflaster, so zeichnet er die Fugen und Steine nach. Doch während er in einem Fall auf den Steinen schmilzt, bleibt er im anderen Fall auf ihnen liegen. Welcher physikalische Mechanismus sorgt für dieses unterschiedliche Verhalten?

Den erstgenannten Fall sehen wir im oberen Foto. Hier zeichnet der Schnee die Fugen zwischen den Steinen nach und schmilzt auf den Steinen. Entscheidend für das Zustandekommen dieses merkwürdigen Ordnungsphänomens ist eine Art Nichtgleichgewichtssituation. Der Boden und die darauf ruhenden Pflastersteine haben noch eine Temperatur über dem Gefrierpunkt. Demgegenüber ist die Lufttemperatur so niedrig, dass der Schnee zumindest noch einige Zeit erhalten bliebe, wenn er genügend gut vom Rest der Welt thermisch isoliert wäre. Diese Bedingung ist in den teilweise mit Luft gefüllten Fugen zwischen den Pflastersteinen weitgehend erfüllt. Die relativ geringe Wärmeleitfähigkeit der Luft verzögert den Transport von thermischer Energie vom Boden zum Schnee derart, dass dieser nicht so schnell den Schmelzpunkt unterschreitet.
Ganz anders ergeht es dem Schnee auf den Pflastersteinen. Diese speichern im Vergleich zur Luft relativ viel thermische Energie (besitzen verhältnismäßig große Wärmekapazität). Diese können sie wegen ihrer ebenfalls im Vergleich zur Luft großen Wärmeleitfähigkeit schnell an den Schnee abgeben. Der Schnee schmilzt infolgedessen zu einem kleinen Rinnsal zusammen, der gerade einmal zu einer Benetzung der Steine führt.
Dass der Schnee nicht einfach die Fugen ausfüllt und sich auf diese Weise ebenfalls der thermischen Energie der Steine aussetzt, ist dem flockigen Aufbau des Schnees zu verdanken. Er überbrückt die Fugen großzügig und bildet daher ein Luftpolster unter sich.
Diese Eigenschaft macht sich auch an anderen Stellen bemerkbar. An der linken Seite im oberen Foto sind zwei Stellen zu sehen, an denen Gras aus den Fugen herausgewachsen und locker mit Schnee bedeckt ist. Dort fehlt der Kontakt zum relativ warmen Boden ebenso wie im Falle der angrenzenden Wiese (oben rechts im Bild), die aus demselben Grund mit Schnee bedeckt ist. Das Fugenmuster des Schnees bleibt jedoch nur so lange erhalten, wie die Steine noch relativ warm sind. Haben sie erst einmal Temperaturen unter dem Nullpunkt angenommen, so bringen sie den Schnee nicht mehr zum Schmelzen. Diese Situation zeigt das untere Foto. Der im Kontakt mit den Pflastersteinen geschmolzene Schnee hat diese nach einiger Zeit so weit abgekühlt hat, dass der nachfolgende Schnee liegen geblieben ist. Dies lassen die etwas erhöhten Schneelinien über den Fugen erkennen.

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