Forschen an einem flüchtigen Element

Rebecca Gugerli, am Tag unseres Gesprächs lautet die Wetterprognose: Schneefallgrenze sinkend. Wenn jetzt morgen früh tatsächlich nochmals Schnee liegen sollte – was genau ist so schwierig daran, diesen zu messen?

Rebecca Gugerli: Schneemessungen sind darum nicht ganz einfach, weil eine Schneedecke sehr unterschiedlich dicht sein kann. Zudem verfrachtet der Wind die Schneeflocken viel leichter als beispielsweise Regen – es ist drum einfacher, den Schnee zu messen, wenn es windstill ist. Schnee messen kann man beispielsweise mit einem Pluviometer: Das ist ein Eimer, in den man es reinschneien lässt. Danach wägt man den Eimer ganz genau, lässt den Schnee darin schmelzen und misst dann, wie viel Schmelzwasser der Schnee ergibt. Daraus kann man die Schneemenge als Schnee-Wasser-Äquivalent errechnen. Das ist die Menge an Wasser, die beim Schmelzen von Schnee entsteht: die Einheit, die wir in der Forschung verwenden, um Schneemengen miteinander zu vergleichen. Leider haben wir aber nicht immer windstille Bedingungen, wenn es schneit, und dann werden exakte Schneemessungen anspruchsvoll.

Meistens interessiert ja aber vor allem die Schneehöhe und nicht, wie viel Wasser der Schnee nach dem Schmelzen ergibt…

Das stimmt, im Alltag reden wir viel öfter von der Schneehöhe als von der Schneemasse. Wissenschaftlich gesehen aber ist die Schneemasse oder eben das Schnee-Wasser-Äquivalent wichtig. Zum Beispiel kann ein Meter Pulverschnee 100 Millimetern Wasser entsprechen, ein Meter dichterer Schnee aber bereits dem Doppelten. Daher ist die Schneehöhe für die Wissenschaft nicht sehr aussagekräftig. Der Vorteil der Schneehöhe ist jedoch, dass man sie vergleichsweise einfach messen kann. In der Schweiz wird die Schneehöhe meist mit Ultraschallsensoren gemessen. Der Sensor, der gerade über dem Boden hängt, sendet ein Signal in Richtung Boden. Dieses Signal wird vom Boden – oder eben der Schneeoberfläche reflektiert. Je mehr Schnee auf dem Boden liegt, desto weniger Zeit braucht das Signal vom Sensor zum Boden und wieder zurück. So lässt sich die Schneehöhe über eine Zeitmessung berechnen. Man könnte natürlich auch einen Spiegel unter den Sensor halten und würde dann quasi Schnee messen, der gar nicht da ist…Aber ernsthaft: Diese Schneehöhenmesser funktionieren sehr gut. In der Schweiz gibt es im alpinen Raum ein Messnetz mit etwa hundert solchen Sensoren – meines Wissens haben wir damit das dichteste und höchst gelegene Schnee-Messnetz der Welt.

Sie erforschen nun aber eine andere Methode, um Schnee zu messen. Wieso braucht es das, wenn die bisherigen verlässlich funktionieren?

Mit meinem Messgerät versuche ich, die Schneemasse im hochalpinen Raum zu messen, also in Regionen, wo harscher Wind zu Schneeverfrachtungen führt, wo die tiefen Temperaturen und hohe Luftfeuchtigkeit die Messgeräte vereisen lassen können. In solchen Regionen messen beispielsweise die Pluviometer oft weniger Schnee als tatsächlich gefallen ist. Zudem sind solche Regionen im Winter schwer zugänglich. Mancherorts fallen pro Winter ja fünf bis sechs Meter Schnee!

Und wie funktioniert Ihr Messgerät unter solchen Bedingungen?

Das Messgerät, mit dem ich arbeite, misst kosmische Strahlung. Die kosmische Strahlung besteht aus winzigen Teilchen, die aus dem Weltall in die Erdatmosphäre eindringen und bis auf die Erdoberfläche gelangen. Für die Schneemessungen interessant sind die Neutronen, also eine Sorte Teilchen aus der kosmischen Strahlung. Wenn Neutronen mit Wasser – oder in diesem Fall Schnee – zusammenstossen, werden sie rasch abgebremst. Je mehr Schnee die Neutronen auf ihrem Weg zum Sensor durchdringen, desto intensiver werden sie gebremst und von der Schneedecke abgefangen.

Rebecca Gugerli auf dem Plaine Morte-Gletscher. (Bild: pd)

Was wir nun machen, ist Folgendes: Wir legen unser Messgerät zu Beginn des Winters auf das Gletschereis des Plaine Morte-Gletschers im Berner Oberland. Sobald es das Gerät langsam zuschneit, misst es immer weniger dieser Neutronen. Mit Hilfe einer Formel kann ich dann aus diesem Messsignal ausrechnen, wie viele Wasseratome oder eben: wie viel Schnee oberhalb des Sensor liegen müsste.

Kosmische Strahlung klingt für mich esoterisch. Funktioniert das Prinzip wirklich?

Es funktioniert tatsächlich, und eigentlich kennt man es bereits seit den 80er-Jahren. Ein japanisches Forschungsteam entwickelte damals ein erstes Gerät, das nach diesem Messprinzip funktionierte. Danach geriet es lange Zeit in Vergessenheit – möglicherweise, weil einzelne Komponenten des Gerätes zu jener Zeit zu teuer waren. Derzeit erlebt dieses Messgerät aber eine Art Revival: In den französischen Alpen wird es schon länger für Schneemessungen eingesetzt, in den USA wird nach dem gleichen Prinzip die Feuchtigkeit im Boden gemessen. In Grönland wurde es soeben erfolgreich getestet, und nun soll dieses Gerät in der Antarktis zum Einsatz kommen. Es bewährt sich also vor allem an abgelegen Orten, wo der Zugang im Winter sehr schwierig ist. .

Wie sieht dieses Messgerät aus?

Der eigentliche Sensor liegt in einer dicken Röhre, die etwa 1,7 Meter lang ist und einen Durchmesser von ungefähr 10 Zentimeter hat. Diese Röhre lassen wir auf dem Gletscher einschneien. Also momentan liegen auf dem Plaine Morte-Gletscher mehr als fünf Meter Schnee auf dem Gerät – und es misst nach wie vor. Andere Geräte derselben Messstation wurden diesen Winter bereits eingeschneit und können daher nicht mehr weitermessen. Weil es diesen Winter so viel geschneit hat, mussten wir sogar die Solarpanels weiter hinauf versetzen, damit die Messgeräte weiterhin mit Strom versorgt werden.

Und warum sind diese Schneedaten wichtig, die Sie beispielsweise auf dem Plaine Morte-Gletscher messen?

Die Messdaten sollen helfen, die Modellierungen von Gletschern zu verbessern – und damit auch die Prognosen, wie sich die Gletscher in Zukunft entwickeln werden. Derzeit besuchen die Glaziologen einen Gletscher jeweils im Frühling und im Herbst, machen die notwendigen Messungen und errechnen damit die Bilanz eines Gletschers. Daran lässt sich dann erkennen, ob ein Gletscher in seiner Masse zu- oder abnimmt. Wenn wir nun aber den ganzen Winter über kontinuierlich die genaue Schneemasse messen können, die auf einen Gletscher fällt, können wir unsere Modelle verbessern – und verstehen letztlich auch besser, was für Prozesse ein Gletscher durchläuft. Das wiederum macht es einfacher, diese Modelle auf schwer zugängliche Gletscher anzuwenden. Dort ist die Datenlage meist dünn, und da helfen uns Modellrechnungen weiter.

Verschiedene Studien kommen zu der düsteren Prognose, dass von den Schweizer Gletschern bis zum Ende dieses Jahrhunderts nur noch unwesentliche Eismengen übrig sein werden. Ist das, was Sie machen, nicht fast schon Forschung an einem «sterbenden Patienten»?

Die Veränderungen der Gletscher beobachte ich noch nicht so lange, daher ist es für mich noch nicht so greifbar. Aber es ist immer sehr eindrücklich, was Kollegen erzählen, die schon seit den 80er-Jahren Gletscher untersuchen! Und allein schon zu beobachten, was auf der Plaine Morte passiert: Letzten Sommer habe ich miterlebt, wie diese grosse Eisfläche in einem einzigen Sommer im Durchschnitt um 2,3 Meter abgeschmolzen ist. Das macht mich schon etwas traurig.

Sie haben an der ETH Zürich Meteorologie studiert. Warum genau das?

Zum ersten Mal kam ich mit diesen Themen in Berührung, als ich mit 13 Jahren den Theorieschein für die Segelprüfung gemacht habe. Für diese Prüfung musste ich erstmals Wetterkarten studieren: Was ist eine Front, was ist ein Tiefdruck-, was ein Hochdruckgebiet? Schon damals packte mich die Materie. Auf dem Schiff beobachtete ich immer gern das Wetter. Nachher schrieb ich meine Maturaarbeit zum Thema Klimawandel in der Schweiz, und damit war für mich klar, dass ich Meteorologie studieren wollte. Ich entschied mich dann für den Weg über die Umweltnaturwissenschaften an der ETH Zürich. Das Studium hat mir besonders ab dem dritten Jahr gefallen, wo es vertieft um die atmosphärische Prozesse und die Grundlagen des Wetters und Klimas ging.

Für Ihr Doktorat sind Sie an die Uni Fribourg gekommen, eine eher kleine Uni. Warum sind Sie ausgerechnet auf den Röstigraben gekommen?

Für mich war nach dem Studium klar, dass ich gerne eine Doktorarbeit machen möchte. Vor allem wollte ich ein Doktorat machen, bei dem ich regelmässig rauskomme, um im «Feld» zu arbeiten. Das ist nicht ganz einfach zu finden. Ich war während meines Studiums auch verschiedene Male in Norwegen, habe dort ein Praktikum und einen Gletscher-Kurs gemacht und es gefiel mir so gut, dass ich mir auch vorstellen konnte, dort ein Doktorat zu machen. Aber schlussendlich gefiel mir kein Projekt so gut wie das hier in Fribourg mit dem Schneemessgerät.

Kommt hinzu, dass mir Fribourg gut gefällt. Es ist eine lebendige Studenten-Stadt, die zwar während der Semesterferien etwas ausgestorben scheint, aber ich bin von hier aus sehr schnell draussen in der Natur: im Wald zum Biken, im nächsten Skigebiet, an einem Fels zum Klettern. Und ich kann wieder regelmässig auf den Neuenburgersee zum Segeln – das schätze ich sehr.

Eine Meteorologin wie Sie, die gerne draussen ist, stellt die sich ihren Wetterbericht für die Wochenendplanung gleich selber zusammen?

Ich schaue schon gern selber auf die Wetterkarten und studiere dort die Druckverteilung über Europa, den Verlauf des Jetstreams und die Feuchtigkeitsverteilung. So kann ich mir das zusammenstellen, was ich an Wetterprognose brauche. Und das nicht allein für meine Freizeitpläne: Ich gehe regelmässig hoch auf den Plaine Morte-Gletscher, um dort Messungen zu machen. Wir messen dort ja nicht nur die Schneehöhe, sondern auch andere Parameter wie die Sonneneinstrahlung, Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit. Und für diese Ausflüge auf den Gletscher muss ich die Prognosen auch kennen. Denn bei schlechtem Wetter kann es schnell einmal gefährlich werden im Gebirge.