Wir machten alles falsch – bis es dann funktionierte

Carlo Marin, Riccardo Barella und Nicola Ciapponi sind kaum wiederzuerkennen. Erhitzt und eingepackt in Outdoorjacken, Mützen und Schals hocken sie auf dem Schnalstaler Gletscher unter der brennenden Sonne auf 3.000 Metern Höhe am Boden einer Schneegrube. Einen Moment lang schauen sie sich durch ihre dunklen Gletscherbrillen an, dann richten sie sich auf. Marin schlägt verärgert mit der Hand gegen die Grubenwand. Ringsum herrscht Stille; nur das ferne Brummen eines Rettungshubschraubers am Himmel ist zu hören.
„Das kann nicht sein – wir haben doch alles richtig gemacht …“
„Wir müssen es noch einmal versuchen!“

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Es noch einmal versuchen heißt in diesem Fall: sich wieder über das selbstgebaute Messgerät beugen und weitertüfteln. Carlo Marin und Riccardo Barella sind Experten für Fernerkundung. Und sie beschäftigen sich mit Schnee – damit leisten sie einen wichtigen Beitrag, um Strategien für die Anpassung an den Klimawandel zu entwickeln. Denn je genauer sich berechnen lässt, wann und wie viel Schnee in den Bergen schmelzen wird, desto besser lässt sich im Tal mit den Wasserressourcen wirtschaften.

„Schnee hat eine Eigenschaft, die für uns sehr nützlich ist, sich aber nur schwer bestimmen lässt“, erklärt Marin. „In den kalten Monaten ist der Schnee gefroren. Im Frühling, wenn die Tage wärmer werden, beginnt er langsam zu schmelzen. Doch mit bloßem Auge ist das flüssige Wasser im Schnee zunächst noch nicht zu erkennen. Im Fachjargon sprechen wir vom „freien Wasser“. Es macht höchstens vier bis sechs Prozent des Volumens der Schneedecke aus, wenn keine wasserundurchlässigen Barrieren vorhanden sind. Wir bestimmen den Anteil des freien Wassers, um zu verstehen, wie weit fortgeschritten die Schneeschmelze ist – und damit auch, wann das Schmelzwasser ins Tal abfließen wird.“

Auf dem Weg zum Gletscher – in bester Begleitung …

Credit: Eurac Research | Katharina Scheidt

Mit einem Kalorimeter lässt sich der Wärmeaustausch zwischen zwei Körpern messen. Das erste Gesetz der Thermodynamik besagt: Wenn sich in einem abgeschlossenen System zwei Körper mit unterschiedlicher Temperatur berühren, entspricht die vom wärmeren Körper abgegebene Wärme genau der, die der kältere Körper aufnimmt. Auf der Grundlage dieses Prinzips lässt sich die ausgetauschte Energie berechnen. In der Lebensmittelindustrie wird das Verfahren zum Beispiel eingesetzt, um den Kaloriengehalt von Nahrungsmitteln zu bestimmen.

Ende der 1930er-Jahre kam ein japanisches Forschungsteam unter der Leitung von Zyungo Yosida auf die Idee, das Kalorimeter zu nutzen, um den Freiwasseranteil im Schnee zu bestimmen. „Wir könnten eine bestimmte Menge Schnee in einen isolierten Behälter geben und eine bestimmte Menge heißes Wasser mit einer bestimmten Temperatur hinzufügen. Durch das Gesetz der Thermodynamik wissen wir, welche Temperatur das Gemisch am Ende theoretisch haben müsste, wenn der Schnee vollständig gefroren war. Messen wir eine tiefere Temperatur, würde das bedeuten, dass im Schnee bereits flüssiges Wasser vorhanden war. Und aus der Differenz könnten wir den Freiwasseranteil berechnen“, so Yosidas Annahme.
Die Idee war gut, das Ergebnis jedoch enttäuschend. Yosida konnte den Wärmeverlust des Behälters nicht präzise genug ermitteln (obwohl er dem Problem auf der Spur war). Und so wanderte das Kalorimeter wieder ins Archiv.

Dort blieb es, bis es vierzig Jahre später von einem US-amerikanischen Forschungsteam wieder hervorgeholt wurde – für denselben Zweck, allerdings in umgekehrter Anwendung: Statt Wärme zuzuführen, wurde der flüssige Anteil des Schnees eingefroren. Dafür wurden Silikonöle verwendet – von denen sich einige als krebserregend herausstellten –, die auf bis zu −60 °C gekühlt wurden. Auch diese Technik, das sogenannte „kalte“ Kalorimeter, hatte seine Schwächen und war für Messungen im Gelände ziemlich unpraktisch.
Doch lange Zeit gab es eben keine bessere Methode, sie wurde also trotz allem zum Referenzverfahren und blieb es bis vor kurzem …

Nämlich bis Carlo Marin und Riccardo Barella begannen sich damit zu beschäftigen: eine selbstauferlegte Herausforderung, die sie von Anfang an begeisterte und trotz vieler Rückschläge immer wieder aufs Neue motivierte.

„Ich habe natürlich sofort an das Kalorimeter gedacht“, erinnert sich Marin. „Aber mir war klar, dass es kein leichtes Unterfangen sein wird.“ Doch Riccardo Barella krempelte einfach die Ärmel hoch, band sich das Haargummi fester um seinen lockigen Zopf und sagte bloß: „Gehen wir’s an.“ Mit einer großen Thermoskanne, einem Wasserkocher, einer Waage, verschiedenen Thermometern und Schaufeln bepackt, machten sie dort weiter, wo der japanische Forscher seine Untersuchungen unterbrochen hatte.

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Das war zunächst ganz in der Nähe – einfach deshalb, um das Wasser bequem zu Hause mit einem elektrischen Kocher erhitzen zu können. Dann wagten sie sich auf den Schnalstaler Gletscher. „Es war später Frühling, genau die Zeit, in der sich freies Wasser im Schnee bildet, die Aufstiegsanlagen waren schon geschlossen, und die Sonne brannte. Wir haben die ganze Ausrüstung auf dem Rücken hochgetragen, zu Fuß oder mit den Skiern … eine Schufterei“, erzählt Marin lachend. Unterstützt von ihrem jungen Kollegen Nicola Ciapponi, der stets beherzt mitanpackte, gruben sie mehrere, bis zu zwei Meter tiefe Schächte. Hier begannen sie ihr improvisiertes Labor einzurichten und Schneeproben zu entnehmen. „Mal war es der Wind, der unsere Messungen verfälschte, mal stand die Waage nicht ganz eben. Und wir haben sehr viel Zeit darauf verwendet zu verstehen, wie stark der Wärmeaustausch zwischen Wasser und Behälter unsere Ergebnisse beeinflusst. Es gab immer etwas, das wir nachjustieren mussten“, berichtet Marin.
„Es gab zermürbende Zeiten, in denen wir vor diesen Schneewänden standen und dachten: Wir machen alles falsch. Doch dann kam der Moment, in dem wir merkten, dass wir die Lösung gefunden hatten! Wir waren soweit, dass wir ein präzises Messprotokoll formulieren konnten.“

Als die Messungen schließlich mit den theoretischen Schätzwerten übereinstimmten, legten sie richtig los. Um sicherzugehen, wiederholten sie die Tests unzählige Male und notierten sorgfältig jeden einzelnen Schritt. So entstand ein detailliertes Protokoll, das es anderen Forschenden ermöglicht, das Experiment exakt zu reproduzieren.

Carlo Marin, Nicola Ciapponi und Riccardo Barella voller Begeisterung

Credit: Eurac Research

Marin und Barella waren voller Begeisterung, als sie ihr Protokoll bei einer wissenschaftlichen Fachzeitschrift zur Veröffentlichung einreichten. Doch der Weg sollte auch in dieser Phase nicht ganz reibungslos verlaufen. Das Kalorimeter hatte mittlerweile den Ruf eines umständlichen Instruments, und die beiden Forscher mussten einiges an Überzeugungsarbeit leisten, bis die Vorteile ihrer überarbeiteten Methode anerkannt wurden.
Heute ist ihre Zufriedenheit umso größer. „Wir haben nichts Neues erfunden, aber indem wir die Methode systematisiert haben, konnten wir den Weg ebnen, um Schnee besser zu verstehen“, erklärt Marin. „Konkret nutzen wir diese Methode, um Satellitendaten mit Radarsensoren zu validieren. So kann die Schneebedeckung in den Alpen durch Satellitenbilder genauer überwacht werden.“