Vorlesung Schnee&Eis - Zusammenfassung Hydrologie I (Nebenfach) PDF

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1. Einführung Kryosphäre: = Bereich der EOF, in dem Wasser in gefrorenem Zustand vorkommt  Glaziologie (Schnee, Gletscherbewegtes Eis)  Ozeanographie ( Meereis)  Pedokryologie (Permafrost, Bodeneis)

Globale Verteilung:

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Schnee: Kanada, Teile USA, Osteuropa, Russland Meereis: Arktis Schelfeis: nur SHK (Antarktis) Eisschilde (Inlandeis): Grönland, Antarktis Permafrost: z.T. südlich 50° Breite (Russland), Norden Kanadas Gletscher: Anden, antarktische Halbinsel

 große Unterschiede zwischen NHK und SHK o o o

o

Unterschiedliche Strahlungsbilanz aufgrund der Landmassenverteilung SHK: Kontinent – NHK: Meer  Kontinent gibt im Winter Wärme ab, Meer kann nicht so auskühlen Meeresströmungen ▪ SHK: ACC  Isolation ▪ NHK: warme Ströme Höhenverteilung: ▪ SHK (Antarktis): > 3000m ▪ NHK (Arktis) auf Meereshöhe

Einfluss auf den Meeresspiegel bei Schmelzen • • •

Schneedecken und Meereis: keinen Permafrost: ~ 10cm Gletscher: ~ 70m

 Einfluss abhängig von Isostasie (Gewicht des Eises drückt Kontinent unter Wasser  tiefliegende tragen weniger zum Anstieg bei)

Bedeutung der Kryosphäre • •

Süßwasserspeicher (70%) Speicheränderungen haben Einfluss auf Menschen o Meeresspiegelanstieg (Pleistozän/Eiszeit ~ 120m tiefer) o Wasserversorgung ▪ Flüsse mit nivaler Prägung ▪ 75% des Westen der USA beziehen Wasser aus Schneeschmelze o Einfluss auf Klimasystem ▪ Eis-Atmosphäre-Kopplung (Albedo, Wasserdampfgehalt der Atmosphäre, Freisetzen von Gasen aus Permafrost) ▪ Eis-Ozean-Kopplung (thermohaline Zirkulation)

1. Kryosphäre und Klimasystem 1.1 Das Klimasystem Energie im Klimasystem: • •

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Solare Energie als wichtigster Antrieb für das Klimasystem Weitere Quellen: o Gezeitenkräfte  Verlagerung von Meerwasser o Geothermie (Wärmefluss von innen nach außen  Tektonik) Daten zur Sonne: o Durchmesser: 1.392.000 km o Oberfläche: 6,9 x 1012 km2 o Oberflächentemperatur: 5.500 °C o Strahlungsintensität der Sonne nimmt ab o Aufbau der Sonne: ▪ Kern: Kernfusion (Wasserstoff verschmilzt zu Helium) ▪ Strahlungszone ▪ Äußere Schichten (Konvektionszone) ▪ Oberfläche/Photosphäre ▪ Korona (Gasausbrüche)

Elektromagnetisches Wellenspektrum • • • •

Je kurzwelliger, desto energiereicher Spektrum reicht von Gammastrahlung bis Radiowellen Solare Strahlung sehr energiereich kurzwellig

Stefan-Bolzmann-Gesetz  emittierte Strahlung eines Körpers wächst mit der 4. Potenz seiner Temperatur

P = sigma * A * T4  Strahlung energiereich

Wien‘sches Verschiebungsgesetz:  Maximum der Wellenlänge[μm] = 2900/Temperatur des Strahlers  kurzwelliger Bereich Solarkonstante: 1368 W/m2

Spektrum an der EOF durch Reflektion und Absorption verändert: •

bestimmte Gase, welche für Adsorption verantwortlich sind  Absorptionsbanden o Methan (3-8 μm undurchlässig) o Sauerstoff und Ozon o Co2 o Wasserdampf (wichtigstes natürliches Treibhausgas)

Aktuelle globale Strahlungsbilanz • • • • • •

Einfallende solare Strahlung: 340 W/m2 (weniger als Solarkonstante durch Nachtseite, Krümmung der Erde  340 für gesamte EOF permanent) Selektive Absorption in der Atmosphäre (z.B. Ozonschicht)  Erwärmung Diffuse Reflektion (Partikel, Wolkenoberflächen) Reflektion an EOF (Wasser- und Landflächen, Albedo) Langwellige Ausstrahlung (langwellig siehe Wien‘sches Verschiebungsgesetz) Latente und sensible Wärmeflüsse

 mehr Watt von Erde weg als hin: Wärme in Atmosphäre durch Treibhauseffekt aufgenommen und teils nach unten, teils nach oben ausgestrahlt Imbalance/Netto-Absorption = Aufnahme von Energie = Erwärmung der Ozeane

Verteilung der Energie im Klimasystem: • • •

Schiefe Kugelgestalt Revolution (Rotation der Sonne um die Erde)  Nordwinter/sommer

 unterschiedlicher Energiegewinn im Jahresverlauf • • •

Niedere Breiten: geringe Schwankungen Hohe Breiten: Polartag und –nacht Nordsommer niedrigere Werte als Südsommer: Perihel und Aphel  unterschiedliche Entfernung zur Sonne

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Nordwinter: Südlicher Wendekreis meiste Strahlung Nordsommer: nördlicher Wendekreis meiste Strahlung o Trockengürtel  keine Bewölkung  mehr Ausstrahlung (schwach negative Bilanz)

Prozesse zur Verteilung der Energie auf der Erde: • • • • •

Windsysteme Meeresströmungen Fühlbare Wärmeflüsse o Höher liegende Tropopause über Warmgebieten  Ausgleichsgewegungen in der Höhe Latente Wärmeflüsse Wärmeleitung der Atmosphäre (unbedeutend)

WDH: Atmosphärische Zirkulation und ihre Funktionsweise Definitionen: Gradientkraft, Coioliskraft, Geostophischer/Geotriptischer Wind

Fühlbare Wärme im Ozean: •

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Antrieb an der Oberfläche: o Winde o Corioliskraft (Rechtsablenkung auf NHK, Linksablenkung auf der SHK) o Strömen Richtung Äquator und wieder zum Pol In der Tiefe: Kopplung mit thermohaliner Tiefenströmung

Transport latenter Wärme: • •

Phasenübergänge  Energie in Form von latenter Wärme Energieumsatz im Wasserkreislauf  durch Verdunstung = 45% der langwelligen Strahlungsbilanz

Klimaänderungen auf unterschiedlichen Zeitskalen: • • •

Bis zu 14°C wärmer als heute Z.B. Pleistozän: bis zu 5°C kälter als heute Sprünge im Quartär

Veränderungen der Strahlungsbilanz: Externe Faktoren: •

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Land-Meer-Verteilung / Plattentektonik o Bipolare Vereisungen im Quartär ▪ Viel Land an den Polen ▪ Wenig CO2 ▪ Meeresströmungen Veränderungen der solaren Einstrahlung

o

o

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Exzentrizität (~400.000-100.000 a) ▪ Strahlungsänderung nahezu kreisförmig ca.2% ▪ Strahlungsänderung Ellipse ca. 27% ▪ Dauer der Jahreszeiten variiert (2. Kepplersches Gesetz) Achsenneigung/Obliquität (~41.000 a) ▪ Starke Neigung = warmer Sommer in hohen Breiten, geringe Strahlung in Tropen ▪ Geringe Neigung = günstige Bedingungen für Eiszeit Präzession (~26.000 a) ▪ Frühlingspunkt verschiebt sich ▪ Jahreszeiten in Zusammenhang mit Aphel und Perihel Sonnenflecken ▪ Hohe Aktivität = viele Flecken = hohe Einstrahlung

Vulkanismus o Gesteinsbruchstücke o Gase  sublimieren in Atmosphäre  Festpartikel o Extrema in Erdgeschichte: Toba (74.000 BP) und Taupa (26.000 BP) o Tombora 1815  Auswirkungen zwei Jahre spürbar, obwohl geschichtlich eher kleines Ereignis o Vulkanismus in niederen breiten besonders wirksam (Verteilung durch Zirkulation)

Interne Faktoren: •

Albedo o Z.B. Eis-Albedo-Rückkopplung ▪ Positive Rückkopplung (wirkende Ursache wird weiter verstärkt) ▪ Wasser und Boden absorbieren ca. 90 % der eingestrahlten Energie und heizen sich auf, was zum Abschmelzen weiterer Schnee- und Eisflächen führt. Umgekehrt führt eine Abkühlung zu einer Ausdehnung von Schnee- und Eisflächen, damit zu einer erhöhten Rückstrahlung und zu weiterer Abkühlung

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Zusammensetzung der Atmosphäre Kippelemente (tipping points) o Bereiche, die verschiedenen Gleichgewichtszustand aufweisen

o o

Plötzliche Übergänge Z.B. Meereisbedeckung in der Arktis, Schwellenwert überschritten  nicht mehr aufzuhalten

1.2 Die Kryosphäre in der Erdgeschichte Eiszeitalter = Phase, in der mindestens ein Pol vereist ist • • • •

Mehrfach in der Erdgeschichte (präkambrische Vereisung, Snowballearth) Kaltzeiten oder Glaziale Warmzeiten oder Interglaziale Gegenteil = „Normalklima“ (kein Pol vergletschert)

Das Eozän: • •

Arktischer Ozean von Festland umgeben Starkes Algenwachstum  bindet CO2  Abnahme von >2000ppm auf 650ppm

Antarktische Vergletscherung: • • • • • •

Ab Kreide: durch Öffnung der Tasmanischen Passage  Ringstrom  weniger Austausch  Vereisung Öffnung der Drake Passage  komplett von anderen Strömungen abgeschlossen  starke Abnahme der Temperatur des Oberflächenwassers Grenze O-W: transantarktisches Gebirge  Inlandeisdecken Antarktische Halbinsel  v.a. Gebirgsvereisung Ab ca. 15 Mio a BP permanente Vereisung Letzte Eiszeit (18.000-20.000 BP) o V.a. stärkere Meereisausdehnung o Gletscher auf Schelfen o Mächtige Eisbedeckung (teilw. 800m) o Indizien: Gletscherschrammen und Moränen (teilweise sogar in ostsibirischer See)

Was passiert, wenn sich große Eismassen bilden? (Fernwirkung Antarktis) • • • •

Albedo steigt Meeresspiegel sinkt (ca. 80m) Abschnürung des Mittelmeerbeckens  Bildung von Salzlagerstätten Förderung nordpolarer Vereisung?

Golfstrom: • • •

Vor ca. 3,5 Mio. a: Entstehung der Landbrücke von Panama Plus: Abnahme des CO2-Gehalts Konsequenzen: o Entstehung des Golfstroms o Zunehmender Salzgehalt im Atlantik o Moderne Thermohaline Zirkulation o Wärme und Feuchtigkeitstransport in hohe nördliche Breiten  weitere globale Abkühlung

Grönländisches Inlandeis: • • • • •

Eisaufbau mit Schließen der Panama-Passage Ausdehnung in Kaltphasen durch Moränen nachweisbar Ausdehnung in Warmzeiten teils unsicher Absenkung durch Glazialisostasie teilweise unter den Meeresspiegel Postglazial: Hebung der Küsten > 100m durch Verlust der Eismassen

2. Die rezente terrestr triische Kryosphäre

2.1. Schnee und Schneedecken Bildung von Schnee - Voraussetzungen • • •

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Luftfeuchtigkeit so hoch, dass der Sättigungsdampfdruck erreicht wird (über Eis geringer als über Wasser) Taupunkttemperatur unterschritten  Übersättigung Übersättigung und Kondensationskeime o Salze (aus Meeren) o Stäube (Wüsten) o Verbrennungsrückstände o Aus Pflanzen  hohe Konzentration von Konzentrationskeimen = frühes gefrieren Unterkühltes Wasser

Möglichkeiten der Schneebildung • •

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Hebung durch Konvektion oder Advektion  Wölkentröpfchen Weiterbildung der Wolkentröpfchen o Heterogenes Wachstum ▪ Gesättigte Luft < 0°C ▪ Wasserdampf kondensiert und verfestigt ▪ oder Kondensation an Keimen o Spontanes Wachstum (< -40°C) ▪ Spontanes Gefrieren von Wassermolekülen o Wachstum über Dampfphase besonders effektiv  Bergeron-Findeisen-Theorie ▪ Sättigungsdampfdruck über der Eis geringer als über Wasser ▪ Luft über den Wassertropfen ungesättigt ▪ Unterkühlte Tropfen verdunsten  entstandener Wasserdampf wird durch Resublimation an Eiskristallen deponiert ▪ Anwachsen der Eiskristalle durch Anfrieren ▪ Ab bestimmter Größe nicht mehr gehalten  fallen aus Schnee bis zur EOF wenn Gefrierniveau < 250m über EOF

Schneekristalle •

Hexagonale Grundstruktur o Durch Struktur der Wassermoleküle im festen Zustand  Kristallstruktur o 35 unterschiedliche Formen (abh. von Übersättigung und Temperatur

Schneedecken Verbreitung • • •

NHK: Januar > 50% schneebedeckt, August ca. 1%  zeitliche Versetzung gegenüber Sonnenstand  Speicherterm Ausdehnung variiert nur gering, Schneemasse eher Dauerhafte Schneedecken: Antarktika und Grönland

Räumliche Differenzierung durch: • • •

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Geographische Breite Höhe Kontinentalität - Ozeanität o Kontinental: geringmächtiger, da trocken o Maritim: wärmer, mächtiger, da feuchter Regionale Orographie (Becken, Seen, Luv/Lee) Überregionale Effekte (NAO; ENSO) Verlagerung durch Wind o Regionale Bedeutung, z.B. Kanada (>50% des Schnees verlagert) o Dabei Sublimationsverluste, wenn Eis direkt zu Dampf wird (nach 4km >50%)

Einfluss auf regionales Klima & Hydrologie • • • •

Albedo + Konsequenzen Kalte Luftmassen über Schneedecken Schmelzenergie (Energiebedarf zum Schmelzen) + latente Wärme Schlechte Wärmeleitung von Schnee (Vegetationsschutz)

Interzeption Schnee durch Vegetation aufgefangen  nur Bruchteil erreicht die Erde

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Teilweise Sublimation und Verdunstung von Vegetationsoberflächen  landet nicht im Wasserkreislauf Am Boden heterogene Verteilung durch gestörtes lokales Windfeld Zeitpunkt der Schmelze unterschiedlich  im Bestand später, durch Beschattung Schmelzwasser nimmt ähnliche Wege wie Bestandsniederschlag (Verluste aus Krone, Stammabfluss)

Dimension des Interzeptionsspeichers Abh. von: • • • • •

Bestandshöhe/-dichte (Oberfläche) Immergrün oder laubabwerfend (Oberfläche im Winter) Nadelwald oder Laubwald  LAI (Nadeln lagern mehr Schnee an) Kronenform, Orientierung, Grundriss Bestandsalter

 Vegetation hat Auswirkung auf regionalen Wasserhaushalt  Abhängigkeit der Interzeption vom Klima • •

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Schneerücklage im Freiland höher als im Bestand Rücklage abh. von: o Bestand (Alter, Nadel/Laub) o Exposition o Hangneigung Schnee-Wasser-Äquivalent (SWE) hängt stark von Lage ab Schneedeckendauer in borealer Zone im Bestand oft kleiner als auf Freiflächen o Bestandsdichte in Taiga geringer  weniger Schatten o „Anstrahlung“ der Stämme  sogar Erwärmung o Siehe Waldrand

Schneemetamorphose = Veränderung des Schnees über Zeit durch verschiedene Prozesse  zu Gletschereis

a) Destruktive Metamorphose Bei annähernd gleichbleibender Temperatur in einer Schneedecke Materialumlagerung infolge örtlichen Wasserdampfdruckunterschieds 1. Kompaktion der Schneedecke durch Setzung (Auflast durch überlagernden Schnee) 2. Weitere Kompaktion durch Temperaturgradienten  Dampfdruckunterschiede o Dampfverlagerung von warm zu kalt o Und von konvex zu konkav  Wanderung von Wasserdampf  Anwachsen kompakter Bereiche (mehr große Kristalle, auf Kosten der kleinen) 3. Regelationsprozesse bei Schwankung um Gefrierpunkt  teilweise Beteiligung von flüssigem Wasser  schnellere Metamorphose

Entwicklung 1. Schnee 2. Körner Abnahme der Porosität 3. Feinkörniger Zunahme der Dichte Mittelkörniger Zunahme des Raumgewichts Grobkörniger Schnee 4. Altschnee (gealterter Körniger Schnee, weniger als 1 Jahr alt) 5. Firn (mind. Eine Ablationsperiode überdauert) 6. Gletschereis

b) Konstruktive Metamorphose Bei steilen Temperaturunterschieden innerhalb der Schneedecke Wasserdampftransport 1. Dampfdruckgefälle zur Schneeoberfläche  Bildung von Oberflächenreif

2. Dampfdruckgefälle in die Schneedecke  oberflächennaher Tiefenreif  oder Tiefenreif an der Schneebasis (=Schwimmschnee)

Erfassung von Schneeniederschlag • • • • • • •

Ombrometer (+Zylinder)  misst SWE Schneewaage  misst Auflast Schneekissen  misst Druck Ultraschall-Schneehöhensensor Schneetische Schneepegel Rammkernsonde  SWE + Waage

 große Messunterschiede

 Probleme beim Messen der Wasserrücklage (SWE)  Versuche, das SWE aus Schneehöhe abzuleiten: Je höher der Schnee, desto ungenauer das SWE (hohe Schwankung)

Erfassung von Schneedecken mit Fernerkundung • •

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Schneepegel zur Beobachtung mit Helikoptern Ausdehnung durch Satellitenbilder o Problem: Nutzung des sichtbaren Spektralbereichs  Wolken mit ähnlicher Albedo o Nahes Infrarot: Unterscheidung von Schnee und Wolken Seit ca. 50 Jahren NSDI (Normalized Snow Difference Index) < 0,4 = Schnee o Probleme bei Wäldern  anderer Index verwendet o Nutzung der Albedo  Probleme bei Polarnacht (generell passive Aufnahmesysteme) o Passive Aufnahmesysteme: Dämpfung terrestrischer Gammastrahlung und Mikrowellenausstrahlung durch Schnee Auch qualitative Eigenschaften erfassbar  Refektion o Reinheit o Körnung (Alter): je feiner/jünger, desto höher die Reflektion o Dichte o Wassergehalt (feuchter Schnee reflektiert weniger als trockener) o Schneetemperatur o Eisgehalt o Tiefenreif Satelliten: MODIS, Landsat, AVHRR Reflektivität auch abh. von Eindringtiefe des Lichts und Unregelmäßigkeiten in der Schneedecke

Passive Verfahren

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Terrestrische Ausstrahlung: o Dämpfung von Gamma- und Mikrowellenstrahlung durch Schnee o Erfassung des SWE (bei Kenntnis der Hintergrundstrahlung) o Messung durch Satelliten, Flugzeuge… o z.B. Nimbus, Aqua, DMSP

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Umlaufbahnen: o Geostationär (über Äquator) o Polar (Geschwindigkeit muss Erdanziehung ausgleichen) Probleme bei Mikrowellenstrahlung: Schwaches Signal  gröbere Auflösung

Aktive Verfahren

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Signal wird abgegeben und Rückstrahlung gemessen Z.B. Lidar, Radar, Sodar (Schallwellen), Echolot Pro: o Stärkeres Signal  höhere räumliche Auflösung o Art und Stärke des Signals kann an Fragestellung angepasst werden o Braucht Energie (problematisch bei Signalen aus Weltall) SAR – aktive Mikrowellensysteme o Hohe räumliche Auflösung o Schlechte zeitliche Auflösung o Gut bei Messung von Wassergehalten o z.B. Radarsat, TerraSAR-X, Envisat Liefert Höhen- und Lageveränderung (cm)  Fließgeschwindigkeit von Gletschern

2. 2.2 2. Ablationsprozesse & Modelle (Schmelze) 1. Phase: Aufwärmphase: •

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Energie von außen o Fühlbare und latente Wärme o Strahlung o Regen o Boden (Geothermie) o Fremdkörper (Steine) „Kälteinhalt“ muss aufgebraucht werden Bis Homothermie an Oberfläche erreicht ist

2. Phase: Reifephase • •

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Porenraum wird gefüllt Feldkapazität wird überschritten  Abwärtsgerichteter Wasserstrom in der Schneedecke o Filmfließen auf Kristallen, geringe Geschwindigkeit o Verlagerung entlang des Spannungsgradieten Nach Sättigung: Darcy-Fluss o Abh. von Durchlässigkeit der Schneedecke  Dichte und Körnung o Je gröber, desto durchlässiger Präferentieller Fluss an bestimmten Stellen (keine Front) Energie wird durch Wasser in tiefere Lagen gebracht (Perkolation) o Wasser gefriert in kalter Tiefe  Abgabe latenter Wärme o Schmelze in tieferen Lagen beginnt

 Homotherme Schneedecke mit 0°C

3. Phase: Output-Phase •

Abfluss tritt aus der Schneedecke aus

Warum spielt Sickerwasser eine große Rolle für den Schmelzprozess? • • •

Kälteinhalt in tieferen Lagen muss ausgeglichen sein Wärmeleitung der Schneedecke gering Schmelzwasser sorgt für Wärmetransport

Modelle für die Schneeschmelze (Schmelzwasservorhersage) •

Eis als wichtigster Wasserspender in manchen Regionen (global > 1 Mrd. Menschen abh.)

Modellgruppen: 1. Empirische Methoden 2. Modelle nach Gradtagverfahren 3. Modelle auf Basis der Energiebilanz

Empirische Modelle: Basis: • •

Langjährige Messdaten und statistische Auswertung Zu verschiedenen Zeitpunkten gemessene Variablen (z.B. Schneehöhe, SWE)

 lineare oder nicht-lineare Regressionsbeziehungen mit Abfluss als Output • •

Für jeweilige Gebiete gute Ergebnisse Probleme bei Prognosen für Zukunft (Instationarität)

Temperaturbasierte Modelle: •

Enge Beziehungen zwischen täglichen Schmelzraten und Lufttemperatur

 Abschätzung der täglichen Schmelzrate • •

Sehr starr, nicht anpassbar Daher heute abh. von: o Lufttemperatur o Temperaturgrenzwert o Schmelzfaktor (Neigung, Exposition, Vegetation) o Schmelzrate

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 gute Anpassung an Bedingungen durch Schmelzfaktor Schmelzfaktor variiert auch im Jahresgang und mit geographischer Breite (Sonnenstand, Tageslänge etc.)  sinusförmiger Verlauf Funktioniert vor allem in mittleren Breiten und Flachland gut Schlecht in Gebirgen, offenen Landschaften, hohen Breiten (dort große Bedeutung kurzwelliger Strahlung)

Prozessbezogene Modelle: • • •

Basieren auf Energieflüssen Bilanz liefert für Schmelze notwendige Energie (Ergebnis = Schmelzwärme) Lösung meist für Vertikalprofil (1D) aber auch 2D-Modelle

Prozesse:

Bilanz: •

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Netto-Energieaufnahme durch die Schneedecke o Kann durch Messungen ermittelt werden o Pyranometer misst Globalstrahlung Fluss fühlbarer Wärme durch die Temperaturunterschiede an der Schneeoberfläche o Ergibt sich aus Temperaturunterschied z...