Warum ist Schnee weiß? Die physikalische Erklärung

Kurz gesagt: Einzelne Eiskristalle sind durchsichtig, nicht weiß. Eine Schneedecke besteht aber aus unzähligen winzigen Kristallen mit sehr vielen Grenzflächen zwischen Eis und Luft. An jeder davon wird Licht gebrochen und gestreut, und zwar für alle Wellenlängen gleich stark. Weil alle Farbanteile gleichmäßig zurückkommen, sieht das Auge Weiß.

Warum Eis durchsichtig ist

Wasser und Eis absorbieren im sichtbaren Bereich fast kein Licht. Ein glatter Eiswürfel oder eine Eisfläche auf einem See ist deshalb durchsichtig, man kann hindurchsehen. Farbe entsteht dort nicht.

Ein einzelner Schneekristall verhält sich genauso: Unter dem Mikroskop ist er klar wie Glas. Erst in der Masse ändert sich der Eindruck. Dasselbe gilt für zerstoßenes Glas, das ebenfalls weiß erscheint.

Die Farbe eines Stoffes entsteht dadurch, dass er bestimmte Wellenlängen stärker verschluckt als andere. Genau das tut Eis in dünner Schicht nicht. Deshalb bleibt nur die Streuung als Erklärung.

Was bei der Streuung geschieht

Trifft Licht auf eine Grenzfläche zwischen Luft und Eis, wird ein Teil gebrochen und ein Teil reflektiert. In einer Schneedecke passiert das millionenfach an unzähligen Kristallflächen. Das Licht wird dabei in alle Richtungen verteilt.

Entscheidend ist, dass diese Streuung nicht von der Wellenlänge abhängt, weil die Kristalle im Vergleich zur Lichtwellenlänge groß sind. Rotes, grünes und blaues Licht werden gleich behandelt. Zurück kommt daher weißes Licht.

Anders ist es beim Himmel: Dort streuen Luftmoleküle, die viel kleiner sind als die Wellenlänge, und zwar blaues Licht deutlich stärker. Deshalb ist der Himmel blau und der Schnee weiß. Beides sind Streueffekte mit unterschiedlichem Größenverhältnis.

Warum Schnee so hell wirkt

Frischer Schnee reflektiert je nach Zustand achtzig bis über neunzig Prozent des einfallenden Lichts. Dieser Wert heißt Albedo und gehört zu den höchsten in der Natur. Zum Vergleich: Wald liegt bei etwa zehn bis zwanzig Prozent.

Deshalb blendet Schnee bei Sonnenschein so stark, und deshalb ist Schneeblindheit ein reales Risiko im Hochgebirge. Auch der ultraviolette Anteil wird reflektiert und trifft von unten auf Haut und Augen. Sonnenbrand im Winter entsteht genau so.

Für das Klima ist dieser Effekt bedeutsam: Schnee- und Eisflächen werfen Sonnenenergie zurück, dunkle Flächen nehmen sie auf. Schmilzt Eis, sinkt die Albedo und die Erwärmung verstärkt sich. Fachleute sprechen von einer Rückkopplung.

Warum alter Schnee grauer aussieht

Mit der Zeit verändern sich die Kristalle: Sie runden sich ab, verbinden sich und werden größer. Dadurch gibt es weniger Grenzflächen je Volumen und weniger Streuung. Der Schnee wirkt dichter und weniger strahlend.

Hinzu kommen Verunreinigungen durch Ruß, Staub, Pollen und Abrieb, die Licht absorbieren. Schon geringe Mengen senken die Albedo deutlich. An Straßen ist der Effekt am auffälligsten.

Auch Algen können Schnee färben: In Hochgebirge und Polarregionen tritt rötlicher Blutschnee auf, verursacht von Grünalgen mit rotem Schutzpigment. Solche Flächen schmelzen schneller. Der Zusammenhang wird derzeit intensiv untersucht.

Warum Gletschereis blau ist

In dicken Eisschichten kommt die schwache Absorption von Wasser doch zum Tragen: Rotes Licht wird über mehrere Meter Weg stärker verschluckt als blaues. Übrig bleibt ein bläulicher Farbton. Deshalb leuchten Gletscherspalten und alte Eisblöcke blau.

Derselbe Effekt lässt tiefes Wasser blau erscheinen, unabhängig von der Spiegelung des Himmels. Bei geringer Tiefe fällt er nicht auf. Erst ab mehreren Metern wird er sichtbar.

Gletschereis ist außerdem sehr dicht und enthält kaum Luftblasen, weil der Druck sie herausgepresst hat. Weniger Blasen bedeuten weniger Streuung und mehr Absorption. Beide Effekte zusammen ergeben das kräftige Blau.

Wie Schneekristalle entstehen

Schnee bildet sich, wenn Wasserdampf in der Wolke direkt an einem Kondensationskeim gefriert, ohne den flüssigen Zustand zu durchlaufen. Der wachsende Kristall folgt der sechseckigen Struktur des Eises. Daraus ergibt sich die typische Sechsstrahligkeit.

Form und Größe hängen von Temperatur und Feuchte ab: Bei etwa minus fünfzehn Grad entstehen die bekannten Sterne, bei anderen Bedingungen Säulen, Plättchen oder Nadeln. Ein Kristall durchläuft auf dem Weg nach unten verschiedene Schichten. Deshalb sind die Formen so vielfältig.

Die Aussage, dass keine zwei Schneeflocken gleich sind, bezieht sich auf die genaue Anordnung aller Moleküle. Bei sehr kleinen, einfachen Kristallen sind identische Formen durchaus beobachtet worden. Bei großen Sternen ist die Zahl der Möglichkeiten praktisch unbegrenzt.

Warum Schnee knirscht

Beim Betreten brechen die feinen Kristallverbindungen, und die vielen einzelnen Brüche ergeben zusammen das knirschende Geräusch. Bei Temperaturen um den Gefrierpunkt sind die Kristalle weicher und brechen leiser. Deshalb knirscht Schnee vor allem bei Frost unter etwa minus fünf Grad.

Gleichzeitig dämpft eine Schneedecke Umgebungsgeräusche, weil die Hohlräume zwischen den Kristallen Schall schlucken. Deshalb wirkt eine verschneite Landschaft ungewöhnlich still. Nach dem Antauen verschwindet dieser Effekt.

Beide Beobachtungen hängen mit derselben Struktur zusammen, die auch die Farbe erklärt: viele kleine Kristalle mit viel Luft dazwischen. Diese Struktur bestimmt Optik, Akustik und Wärmedämmung. Sie ist der Schlüssel zu allen Eigenschaften von Schnee.

Kunstschnee und Pulverschnee

Technisch erzeugter Schnee entsteht, indem Wasser fein zerstäubt und in kalter Luft gefriert. Die dabei entstehenden Körner sind runder und dichter als natürliche Kristalle, weshalb Kunstschnee anders wirkt und langsamer schmilzt. Optisch bleibt er weiß, streut aber etwas anders.

Pulverschnee besteht aus sehr lockeren, unverbundenen Kristallen mit viel Luft dazwischen. Er entsteht bei tiefen Temperaturen und geringer Luftfeuchte. Genau diese Struktur macht ihn beim Skifahren beliebt.

Nassschnee dagegen enthält flüssiges Wasser zwischen den Kristallen, das Grenzflächen verschwinden lässt. Er wirkt dadurch grauer und schwerer. Auch das ist ein reiner Streueffekt.

Häufige Fragen