Alpiner Permafrost allgemein / Blockgletscher

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1 Exkursion zur Regionalen Geographie Universität Innsbruck, Institut für Geographie Sommersemester 2011 Mario Pichler Eingereicht am: 02. Februar 2012 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Periglazial Permafrost Bedeutung der Permafrostforschung Blockgletscher als Permafrostzeiger Zusammenfassung Literaturverzeichnis Einleitung Im Rahmen der Lehrveranstaltung Exkursion zur Regionalen Geographie am Institut für Geographie der Universität Innsbruck fand von September 2011 eine Exkursion zum Thema Gletscher der Ötztaler Alpen statt. Aus geomorphologischer Sicht wurden dabei auch die Themen (alpiner) Permafrost und Blockgletscher diskutiert. Das Ziel des vorliegenden Textes ist es, einen kurzen Umriss des Themas alpiner Permafrost zu geben. Dabei wird in weiterer Folge speziell auf eine markante periglaziale Ausprägung Blockgletscher eingegangen. Als Beispiel dient der im Zuge der Exkursion beobachtete und diskutierte Ölgruben Blockgletscher im Tiroler Kaunertal. 2. Periglazial Permafrost Die Bezeichnung Periglazial steht als Sammelbegriff für die Eigenschaften kaltklimatischer Gebiete, deren Unterboden das ganze Jahr über gefroren bleibt. Periglazialgebiete haben eine mittlere Jahrestemperatur unter 0 C, allerdings hinreichende sommerliche Wärme, um den im Laufe des Jahres fallenden Schnee vollständig zu schmelzen, sodass sich keine (normalen) Gletscher bilden können. Diese unvergletscherten Periglazialgebiete sind demzufolge von den vergletscherten Glazialgebieten zu unterscheiden. Die (periglazialen) Dauerfrostböden werden auch als Permafrostböden bezeichnet (AHNERT 2009, S. 99).

2 Permafrostböden werden sowohl vertikal als auch horizontal untergliedert. Die oberste Schicht der vertikalen Untergliederung taut in der warmen Jahreszeit auf und wird folglich als sommerlicher Auftauboden (active layer) bezeichnet. Unterhalb schließt der immer gefrorene, eigentliche Permafrostboden an (Unterboden). Die unterste Schicht der vertikalen Untergliederung bildet der Niefrostboden (Talik), der aufgrund der geothermischen Wärmezufuhr aus dem Erdinneren ungefroren bleibt (siehe Abb. 1). Abb. 1 Typisches Permafrost-Temperaturprofil. Die rote und blaue Kurve entsprechen den wärmsten Temperaturen im Sommer sowie den kältesten im Winter. MAGST bezeichet die mittlere jährliche Oberflächentemperatur (mean annual ground surface temperature), Quelle: NOETZLI und GRUBER (2005) Horizontal wird zwischen a) kontinuierlichem, b) diskontinuierlichem und c) sporadischem Permafrost unterschieden. Bei kontinuierlichem Permafrost ist nahezu der gesamte Unterboden einer Region dauergefroren; bei diskontinuierlichem Permafrost ist mehr als die Hälfte des Bodens einer Region dauergefroren; von sporadischem Permafrost wird bei lückenhafter Verteilung des gefrorenen Unterbodens einer Region (etwa 10%-50% der Fläche) gesprochen (AHNERT 2009, S. 99; GROTZINGER et al. 2008, S. 594; PG-NET). Ungefähr 25% der Festlandfläche der Erde sind von Permafrost überdeckt (GROTZINGER et al. 2008, S. 593). Aufgrund der Landmassenverteilung ist Permafrost primär ein Phänomen der Nordhalbkugel und kommt hier als arktischer Permafrost vor allem in den hohen Breitenlagen von Sibirien und der kanadischen Arktis/Alaska vor. Alpiner oder Gebirgspermafrost unterscheidet sich in seinen Eigenschaften und typischen Phänomenen allerdings deutlich von arktischem Permafrost (NOETZLI und GRUBER 2005). In weiterer Folge wird nun auf Gebirgspermafrost Bezug genommen. Eine grobe Abschätzung des Vorkommens von alpinem Permafrost lässt sich mittels der topographischen Faktoren Höhe und Exposition durchführen. Die periglaziale Höhenstufe der Hochgebirge der mittleren Breiten liegt nach AHNERT (2009, S. 99) bei mehr als 2000m über ü. M. Aufgrund des maßgebenden Einflusses der direkten Strahlung tritt Permafrost in nordexponierten Hängen in tieferen Höhenlagen als an südexponierten Hängen auf. In NO-, N-, NW- und W-Lagen ist ab ca m ü. M. mit diskontinuierlichem und ab 2600 m ü. M. mit kontinuierlichem Permafrost zu rechnen. In den südlichen Expositionen sind die entsprechenden Grenzen erst um 3000 m ü. M. anzutreffen (NOETZLI und GRUBER 2005). Aufgrund der Unsichtbarkeit von Permafrost an der Oberfläche und seiner von der Gebirgstopographie abhängigen starken räumlichen Variabilität ist die Identifikation von alpinen Permafrostgebieten schwierig. Neben der Lufttemperatur spielt wie bereits erwähnt die Sonneneinstrahlung eine wesentliche Rolle. Ein weiterer Einflussfaktor ist die Schneedecke, die je nach zeitlichem Auftreten, ihrer Dauer und der Dicke entweder kühlenden 2

3 oder wärmenden Effekt auf den Boden ausübt. Die Temperaturen im Boden werden auch durch die Bodenart selbst bestimmt; so wirkt grobblockiges Material durch die dazwischen liegenden Lufteinschlüsse wie ein thermischer Filter, kühlt den Boden sowohl im Sommer als auch im Winter und wirkt daher permafrostfördernd. Typische Mächtigkeiten des Permafrosts in den Alpen betragen einige Dekameter in Schutthalden bis zu mehreren hundert Metern unter dem Fels der höchsten Gipfel (NOETZLI und GRUBER 2005). Zu den eindeutigen Anzeigern von Permafrost im Hochgebirge zählen aktive Blockgletscher als auffälligste geomorphologische Formen in Permafrostgebieten werden sie später noch detaillierter behandelt, ganz- oder mehrjährige (perennierende) Schneeflecken bzw. -felder sowie Eiswände und Hängegletscher. An Stellen, an denen das ganze Jahr über Schnee liegt, kann die Bodentemperatur nicht über 0 C ansteigen, und sie sind damit Indikatoren für Permafrost im Untergrund. Lokal tiefer liegende Permafrostvorkommen als in Hanglagen entsprechender Meereshöhe sind in flachen Hangfußlagen möglich, da hier Lawinenablagerungen bis in den Hochsommer liegen bleiben und bodenabkühlenden Effekt ausüben können. Eiswände und Hängegletscher zählen zwar streng genommen nicht zu Permafrosterscheinungen, sie könnten durch positive Temperaturen an ihren Basen aber nicht existieren und zählen daher auch zu den Zeigern von Permafrost (NOETZLI und GRUBER 2005). 3. Bedeutung der Permafrostforschung Permafrost stellt bei Baumaßnahmen wie Straßen oder Gebäudegründungen einen schwer zu beherrschenden Baugrund dar. Schmelzwasser kann im gefrorenen Boden von Baugruben nicht versickern. Es bleibt daher an der Oberfläche, sättigt den Boden und bringt ihn dadurch zum Fließen, Rutschen und Einstürzen (GROTZINGER et al. 2008, S. 594). Durch das Auftauen von Permafrostböden in immer höheren Lagen ergeben sich auch Probleme für Stützen und Gebäude von Bergbahnen, da ganze Berghänge damit zunehmend instabil werden. Von Permafrostkriechen sind oftmals auch Lawinenverbauungen im Hochgebirge betroffen (NOETZLI und GRUBER 2005). Besondere Gefahren für größere Sturzereignisse, hervorgehoben durch bereits geringen atmosphärischen Temperaturanstieg, ergeben sich vor allem in Steilflanken mit warmen Permafrostbedingungen (0 bis -2 C) (HAEBERLI 2007, S. 309). Der Hitzesommer 2003 etwa hat zu verstärkten Felssturzaktivitäten in den Alpen geführt, wodurch in den Medien über Permafrost häufig in Zusammenhang als Reaktion auf Klimaveränderungen berichtet wird. Trotz dieser praktischen Bedeutungen und Auswirkungen wird speziell das Thema Gebirgspermafrost erst seit relativ kurzer Zeit intensiv erforscht. Eine wesentliche Erkenntnis ist, dass das Temperaturregime im Berg weitgehend durch die Topographie bestimmt wird. Demnach besteht ein lateraler Wärmefluss von der Süd- zur Nordseite. Die Isothermen (Linien gleicher Temperatur) sind nicht horizontal wie dies in flachen Gebieten der Fall ist, sondern gekrümmt und stellenweise fast vertikal. Das bedeutet, dass Untergrundtemperaturen in einem Berg sich nicht in erster Linie mit der Tiefe, sondern vor allem mit der Position zwischen Nord- und Südseite verändern (siehe Abb. 2). Für Untersuchungen der Permafrostverbreitung und Eigenschaften im Untergrund alpiner Gebiete ist es daher essentiell, die dreidimensionalen Effekte im Gebirge in Betracht zu ziehen (NOETZLI und GRUBER 2005). Um exakte Informationen über die Existenz und Verbreitung von Permafrost erhalten zu können, wurden verschiedene Messmethoden entwickelt. Mittels Bohrungen bzw. Bohrlöchern können die Temperaturen im Untergrund gemessen werden. Auf der Basis von Messungen in tiefen Bohrlöchern wird eine Erwärmung des Permafrosts in Europa im letzten Jahrhundert um etwa 0.5 bis 0.8 C geschätzt (HARRIS et al. 2003). Das Anlegen von Bohrlöchern im Hochgebirge ist allerdings sehr aufwändig und die erhaltenen Messergebnisse sind nur lokal um die Bohrlöcher gültig, wodurch großflächige Untersuchungen erschwert werden. 3

4 Abb. 2 Querschnittsansicht einer Modellierung der Temperaturverhältnisse im Untergrund eines von West nach Ost verlaufenden Grates, Quelle: NOETZLI und GRUBER (2005) Mit geophysikalischen Methoden wie Geoelektrik, Seismik oder Georadar kann die Struktur des Untergrundes untersucht werden. Aufgrund der Kenntnis unterschiedlicher Werte, wie etwa der spezifischen Dichte oder der elektrischen Leitfähigkeit, für verschiedene Materialien im Untergrund, können Permafrostkörper lokalisiert werden. Eine weitere Methode ist die Messung der Bodenoberflächentemperatur unter einer ca. 1 m dicken Schneedecke in den Frühlingsmonaten. Die Temperatur unter dieser Schneedecke ist zu dieser Zeit ein Indikator für die Temperaturverhältnisse im Untergrund. Die gesammelten Daten werden zur Entwicklung und Verbesserung rechnergestützter Modellierungs- und Simulationsmethoden der Permafrostverbreitung verwendet (NOETZLI und GRUBER 2005). Die Schweiz ist hinsichtlich alpiner Permafrostforschung ein Vorreiter und betreibt seit 1996 ein Messnetzwerk zum Monitoring der Permafrostgebiete 1 und deren Entwicklung (PERMOS 2010). Nach NOETZLI und GRUBER (2005) enthalten etwa 5% der Schweizer Landesfläche Permafrost; dies entspricht etwa dem Doppelten der vergletscherten Fläche. Im Vergleich zur Schweiz waren bis vor wenigen Jahren in Österreich relativ wenige Messungen des Permafrostvorkommens verfügbar, wodurch auch hierzulande Initiativen zur Erforschung dieses Phänomens initiiert wurden. Das Forschungsprojekt permalp.at 2 hat es sich zum Ziel gesetzt, Modelle der Permafrostverbreitung in Österreich zu entwickeln und aus der Beziehung zwischen den Modellparametern Höhe, Neigung und Exposition die aktuelle Permafrostverbreitung zu simulieren. Entsprechend einer ersten Abschätzung aus diesem Projekt ist auf 1,9 % der Staatsfläche, dies entspricht in etwa 1600 km², mit Permafrost zu rechnen (EBOHON und SCHROTT 2008). Ziel des Interreg-Projekts PermaNET Permafrost Long-Term Monitoring Network 3 mit Beteiligung von Partnern aus Bayern, Italien, Österreich, Frankreich und der Schweiz mit Laufzeit von Dezember 2007 bis Juli 2011 war es, ein alpenweites Monitoringsystem zur Untersuchung der Auswirkungen des Klimawandels auf den Permafrost aufzubauen und Richtlinien für die Berücksichtigung der Folgen von Klimaänderungen auf den Permafrost und auf damit einhergehenden Naturgefahren zu erarbeiten. Die Projektergebnisse liegen seit Sommer 1 letzter Zugriff: letzter Zugriff: letzter Zugriff:

5 2011 vor (MAIR et al. 2011). Es wurden dabei unter anderem Karten mit Permafrost-Wahrscheinlichkeiten in unterschiedlichen Alpenregionen erstellt, die über die Projektwebseite abgerufen werden können. 4. Blockgletscher als Permafrostzeiger Blockgletscher gelten als wichtige Indikatoren für Permafrost im Hochgebirge (FRAUENFELDER und ROER 2007). Am letzten Tag der Exkursion konnte von der See le Hütte (verf., 2410m) mit Blick Richtung Osten auf die gegenüberliegende, orographisch rechte, Seite des Kaunertals die dort markant hervortretende periglaziale Erscheinungsform des Ölgruben Blockgletschers eingesehen werden (Abb. 3). Abb. 3 Blockgletscher Ölgrube, Kaunergrat, Tirol; Foto: M. Pichler, Bei Blockgletschern handelt es sich um Massen von Gesteinsschutt, deren Porenräume von Eis ausgefüllt sind. Damit ein Blockgletscher entstehen und sich entwickeln kann, sind ausreichend Lockergestein (Gesteinsschutt), eine gewisse Hangneigung und bestimmte klimatische Bedingungen über einen Zeitraum von mehreren tausend Jahren notwendig. Es muss so kalt sein, dass sich Eis in den Porenräumen des Schuttmaterials bilden und halten kann und es muss trocken genug sein, sodass sich anstelle des Blockgletschers kein Gletscher bilden kann. Daher kommen Blockgletscher vor allem in den zentralalpinen, niederschlagsarmen Tälern vor (z.b. Graubünden und Wallis in der Schweiz; Ötztal und Kaunertal in Österreich). Auf diese Weise kommt es zur Akkumulation einer eisdurchdrungenen Schuttmasse (FRAUENFELDER und ROER 2007). In diesem dauernd gefrorenen Schutt mit hohem Eisgehalt ist der Kontakt zwischen den Felspartikeln die innere Reibung reduziert. Der innere Zusammenhalt ist jedoch erhöht und daher die Übertragung von Spannungen auf große Distanzen möglich. Über Zeiträume von Jahrtausenden führt die kumulative Verformung gefrorener Schutthalden zur Bildung von lavastromartigen Schuttströmen den Blockgletschern, die sich bei genügender Mächtigkeit in Bewegung setzen und mit typischen Geschwindigkeiten von Zentimetern bis Metern pro Jahr talwärts kriechen. Somit repräsentieren Blockgletscher Archive der holozänen Verwitterungs- und Steinschlaggeschichte (HAEBERLI 2007, S. 307). Abb. 4 zeigt den schematischen Aufbau eines Blockgletschers (vgl. dazu Abb. 3 als tatsächliches Beispiel dieser Schematisierung). 5

6 Abb. 4 Anatomie eines Blockgletschers, Quelle: R. Frauenfelder aus FRAUENFELDER und ROER (2007) Je nach Eisgehalt und Bewegungsrate werden Blockgletscher in aktive (z.b. durch Bewegung an der Stirn erkennbar), inaktive (z.b. durch Einsinken an der Oberfläche erkennbar) und fossile (Permafrost ausgeschmolzen) Blockgletscher unterteilt. Ein weiterer Hinweis für einen aktiven Blockgletscher ist eine übersteilte Stirn (>35 ) mit losen Blöcken und wenig bis gar keiner Vegetation, wie es hier auch am Beispiel des Ölgruben Blockgletschers der Fall ist. Bei genauerem Hinsehen fällt in Abb. 3 auf, dass es sich beim Ölgruben Blockgletscher eigentlich um zwei Blockgletscher handelt. Der rechte, kleinere, Blockgletscher ist an der rot-braunen Färbung des Gesteinsmaterials erkennbar. Neben der Genese eines Blockgletschers durch in Blockmassen eindringendes und (wieder-)gefrierendes (Schmelz-)Wasser (wie oben beschrieben), gibt es noch folgende Möglichkeiten zu deren Entstehung: ein durch Gesteine überlagerter ursprünglich normaler Gletscher oder durch Schutt überlagerte Schneefelder diese Möglichkeit ist aktuell häufig anzutreffen, und konnte von der See le Hütte aus auch z.b. auf den Nordosthängen der Krummgampen Spitzen beobachtet werden. 5. Zusammenfassung Der im Zusammenhang mit der aktuellen atmosphärischen Erwärmung oftmals diskutierte Rückzug der Alpengletscher ist mit freiem Auge beobachtbar. Die Änderungen in der Permfrostverbreitung bleiben vor dem Auge allerdings weitgehend verborgen. Der Erforschung und dem Verständnis der Dynamik von Blockgletschern wird hier eine zentrale Rolle zuteil. Wegen ihrer Eigenschaft als Indikatoren von Permafrost können beobachtbare bzw. messbare Veränderungen an Blockgletschern auch Rückschlüsse über Veränderungen im alpinen Permafrost allgemein ermöglichen. Eine besondere Stellung und Herausforderung in der Permafrostforschung nimmt aktuell die Modellierung und Simulation möglicher künftiger Szenarien der Permafrostveränderungen ein. Dafür notwendige Messmethoden zur Datenerhebung und Projekte, die sich mit entsprechenden Modellierungen und Simulationen beschäftigen, wurden im vorliegenden Artikel vorgestellt. 6

7 6. Literaturverzeichnis AHNERT, F. (2009): Einführung in die Geomorphologie. Ulmer, Stuttgart. EBOHON, B., SCHROTT, L. (2008): Modeling Mountain Permafrost Distribution. A New Permafrost Map of Austria. In: KANE, D. & HINKEL, K. (Eds.): Proc. of the 9 th Intl. Conf. on Permafrost, Fairbanks, Alaska, FRAUENFELDER, R., ROER, I. (2007): Was Blockgletscher bewegt. Die Alpen/Les Alpes, 9/2007. GROTZINGER, J., JORDAN, Th.H., PRESS, F., SIEVER, R (2008): Press/Siever Allgemeine Geologie. Spektrum Akademischer Verlag, Berlin Heidelberg. HAEBERLI, W. (2007): Formbildung durch periglaziale Prozesse. In GEBHARDT, H., GLASER, R., RADTKE, U., REUBER, P. (Hrsg.): Geographie Physische Geographie und Humangeographie. Elsevier Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg. HARRIS, C., VONDER MÜHLL, D., ISAKSEN, K., HAEBERLI, W., SOLLID, J.L., KING, L., HOLMLUND, P., DRAMIS, F., GUGLIELMIN, M., PALACIOS, D. (2003): Warming permafrost in European mountains, Global and Planetary Change 39, MAIR, V., ZISCHG, A., LANG, K., TONIDANDEL, D., KRAINER, K., KELLERER-PIRKLBAUER, A., DELINE, P., SCHOENEICH, P., CREMONESE, E., POGLIOTTI, P., GRUBER, S., BÖCKLI, L. (2011): PermaNET - Permafrost Long-term Monitoring Network. Synthesis report. INTERPRAEVENT Journal series 1, Report 3. Klagenfurt. NOETZLI, J., GRUBER, S. (2005): Alpiner Permafrost ein Überblick. In: LINTZMEYER, K. (Hrsg.): Jahrbuch des Vereins zum Schutz der Bergwelt, Selbstverlag, München, PERMOS (2010): Permafrost in Switzerland 2006/2007 and 2007/2008. NOETZLI, J., VONDER MUEHLL, D. (Eds.), Glaciological Report Permafrost No. 8/9 of the Cryospheric Commission of the Swiss Academy of Sciences. PG-NET: Das Lernportal zur Einführung in die Physische Geographie, Themenbereich Permafrost. Freie Universität Berlin, letzter Zugriff: