Permafrost in den Schweizer Alpen 2004/05 und 2005/06

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1 Wissenschaft und Bergwelt Scienza e mondo alpino Unterwegs zum Abholen von Temperatursensordaten am Jungfrauostgrat auf ca. 37 m. Die Sensoren sind auf beiden Seiten des Grates (Nord- und Südseite) installiert. Science et montagne Permafrost Monitoring Switzerland (PERMOS) 1 Permafrost in den Schweizer Alpen 24/5 und 25/6 Nach dem Extremsommer 23 haben sich die oberflächennahen Permafrosttemperaturen in der PER- MOS-Berichtsperiode 24 bis 26 etwas abgekühlt. Der Hauptgrund war der schneearme Winter 24/5. Neu liegt eine Permafrostkarte vor, die wichtige Hinweise für die kantonalen Gefahrenkarten liefern kann. Permafrost ist Untergrundmaterial, das während des ganzen Jahres Temperaturen unter C aufweist. In den Alpen ist er oberhalb der Waldgrenze weit verbreitet und existiert verborgen in Felswänden, Schutthalden und ganzen Gipfelregionen. An den über die gesamten Schweizer Alpen verteilten PERMOS-Standorten ist er zwischen 1 und über 1 m mächtig. Als Folge der steigenden Lufttemperatur erwärmt sich der Permafrost und wird an vielen Stellen langfristig verschwinden. Dadurch können sich die Gefahrenpotenziale für Felsstürze, Rutschungen und Murgänge verändern. Der Zustand und die Veränderung des Permafrosts in den Schweizer Alpen 1 PERMOS, das Permafrost Monitoring Switzerland, arbeitet im Auftrag der zuständigen Kommission der Schweizerischen Akademie für Naturwissenschaften (SCNAT). Die PERMOS-Beobachtungen wurden in den Berichtsjahren finanziell unterstützt durch die Glaziologische Kommission (heute Expertenkommission Kryosphäre) der SCNAT und das Bundesamt für Umwelt BAFU. Die Feldarbeiten wurden von den Universitäten Basel, Bern, Freiburg, Lausanne und Zürich sowie der ETH Zürich und dem Eidgenössischen Institut für Schnee- und Lawinenforschung (SLF Davos) getragen. Der vorliegende Artikel ist ein Auszug aus dem 6. und 7. Bericht der Permafrost-Koordinationsgruppe der SCNAT und der Expertenkommission Kryosphäre (EKK/SCNAT). Foto: Stephan Gruber werden seit dem Jahr 2 systematisch beobachtet und dokumentiert. Dazu werden Untergrundtemperaturen in Bohrlöchern von ca. 2 bis 1 m Tiefe gemessen, Oberflächentemperaturen an verschiedenen hochalpinen Standorten wie Blockgletschern, Schutthalden und Fels erfasst und Luftbilder aufgenommen, mit denen langfristige Veränderungen fotogrammetrisch analysiert werden können. Einfluss der Witterung auf den Permafrost Die Permafrosttemperaturen im Untergrund werden vor allem durch die Veränderungen der Oberflächentemperaturen bestimmt. Dabei ist einer der wichtigsten Faktoren der Zeitpunkt des ersten grossen Schneefalls, der eine ca. 3 cm dicke Schneedecke zurücklässt. Erfolgt dieser Schneefall früh, bleiben die warmen Sommertemperaturen der oberen Auftauschicht durch die isolierende Wirkung des Schnees im Untergrund gespeichert. Kommt der Schnee hingegen erst spät, kann die Winterkälte ungehindert den Untergrund auskühlen. Entscheidend sind weiter Lufttemperatur und Sonneneinstrahlung, vor allem in der schneefreien Zeit von Mai bis September. In steilen Felspartien, wo nur wenig oder gar kein Schnee liegen bleibt, sind diese beiden Faktoren das ganze Jahr hindurch bestimmend. Schneeverhältnisse Winter 24/5: unterdurchschnittliche Schneehöhen Der Frühwinter brachte dem Alpensüdhang normale Niederschlagsmengen. Mitte Dezember gab es in hohen Lagen nicht wesentlich mehr Schnee als in mittleren Lagen, was eher ungewöhnlich ist. In Graubünden lagen die Schneehöhen deutlich unter dem langjährigen Mittelwert. Im Hochwinter, zwischen Januar und März, waren die hochalpinen Regionen sehr gering eingeschneit. Mitte März führten warme Lufttemperaturen zu weitreichender Schneeschmelze, sodass Ende März bereits mehrere Stationen schneefrei waren. Im April wurden dann aber besonders höhere Lagen nochmals eingeschneit. Winter 25/6: spätes Einschneien, eher langer Winter Bis Mitte November 25 fiel bei meist hoher Nullgradgrenze kaum Schnee im Hochgebirge. Wie schon im Vorjahr sorgte der Wind für eine unregelmässige Schneeverteilung mit vielen schneearmen Flächen. Im Dezember und Ende Januar erfolgten die drei ergiebigsten Niederschlagsperioden, sodass die Schneehöhen im Januar am Alpennordhang weitgehend überdurchschnittlich, im Wallis, im Tessin sowie in Graubünden im Mittelwert oder darunter waren. Ergiebige Niederschläge im März und Kaltlufteinbrüche in der ersten Hälfte des Aprils führten erst nach Mitte April zu frühlingshaften Bedingungen. Im niederschlagsreichen Juni fiel nochmals Schnee bis gegen 11 m. 26 DIE ALPEN 9/27

2 Helitransport von Messgeräten im Turtmanntal, Wallis Foto: Isabelle Roer Messstandorte von PERMOS-Stationen, Stand 26 Bohrungen zur Messung von Untergrundtemperaturen Ort Region Tiefster Jahr Tempfühler (m) Murtèl-Corvatsch 2/87* Oberengadin, GR 58, 1987 Schafberg-Pontresina 2/9 Oberengadin, GR 33,2 199 Jungfraujoch N, S/95 Berner Oberland, BE 11, 1995 Emshorn Oberems, VS 6, Arolla, Mt. Dolin Val d Herens, VS 5, Muot da Barba Peider 1, 2/96 Pontresina, Oberengadin, GR 17, Randa Wisse-Schijen Mattertal, VS 4, 1998 Lapires Val de Nendaz, VS 19, Schilthorn 51/98 Mürren, Berner Oberland, BE 13, Muragl 1, 2, 3, 4/99 Val Muragl, Oberengadin, GR 69, Schilthorn 5, 52/ Mürren, Berner Oberland, BE 95, 2 Stockhorn 61/ Zermatt, VS 98,3 2 Flüela A, B/2 Flüelapass, GR 2, 22 Grächen 1, 2/2 Mattertal, VS 24, 22 Gentianes Mont Fort, Verbier, VS 2, 22 Stationen zur Messung von Oberflächentemperaturen Ort Region verfügbare Daten Gemmi Berner Oberland, VS Creux de la Lé-Sanetsch Berner Oberland, VS Ritord-Challand Grand-Combin, VS Alpage de Mille Val de Bagnes, VS Lapires Val de Nendaz, VS Yettes Condjà Val de Nendaz, VS Réchy Val de Réchy, VS Murtèl-Corvatsch Oberengadin, GR 2... Schafberg-Pontresina Oberengadin, GR 2... * Diese Ziffern bedeuten, dass das Bohrloch Nr. 2 auf Murtèl-Corvatsch im Jahr 1987 gebohrt wurde. Abweichung der mittleren Sommertemperaturen 25 (Mai September) vom langjährigen Mittel ( ) Grafik: Meteoschweiz Überblick über die PERMOS- Messstandorte in den Schweizer Alpen 26 Abweichung der mittleren Sommertemperaturen 26 (Mai September) vom langjährigen Mittel ( ) Grafik: Meteoschweiz DIE ALPEN 9/27 27

3 WISSENSCHAFT UND BERGWELT Witterungsverhältnisse Temperaturen und Niederschlag im Jahr 25 In der Schweiz herrschte von Mitte Februar bis Anfang März über längere Zeit kaltes Winterwetter mit sehr tiefen Temperaturen. Der Frühling war warm und der erste Sommermonat Juni heiss. Der August war durch die verheerenden Unwetter vom 19. bis 23. August geprägt. Der Sommer 25 war nur wenig kühler als der extrem heisse Sommer 23. Die Niederschlagsmengen lagen 12% unter dem Mittelwert von 1961 bis 199. Besonders trocken war es auf der Alpensüdseite, dort regnete es in gewissen Gebieten so wenig wie seit 191 nicht mehr. Die Unwetter im August führten zu schweren Überschwemmungen und Murgängen in weiten Teilen der Schweiz. Der grösste Murgang ereignete sich bei Guttannen mit einem Volumen von ca. 5 m 3. Der Murgang brach westlich des Chilchlistockes oberhalb von Guttannen in der Moränenbastion des früheren Homadgletschers aus, erodierte Schutt auf einer Querschnittsfläche von ca. 6 m 2 und überdeckte die Aare und die Grimselpassstrasse mit einer bis zu 2 m hohen Geröllschicht. Permafrost und Eisreste im Gletscherkar dürften dazu geführt haben, dass das Wasser aus den Felswänden direkt in den Steilhang der Moränenbastion geleitet wurde. MAGST [ C] MAGST [ C] MAGST [ C] a) b) c) Entwicklung der mittleren jährlichen Oberflächentemperatur (MAGST) an verschiedenen PERMOS-Messstandorten: a) Berner Oberland; b) Wallis; c) Graubünden. Sanetsch (6) Gemmi (1) Gemmi (4) Ritord (17) Mille (7) Yettes C. (3) Lapires (2) Réchy (2) Murtèl (5) Schafberg (1) Schafberg (2) Die Oberflächentemperatur wurde für jeden Monat über die vergangenen zwölf Monate berechnet. In der Legende sind der Standort und die Anzahl Sensoren angegeben. Auswechseln eines Temperatursensors im Fels in der Nähe des Corvatschgipfels auf ca. 33 m Temperaturen und Niederschlag im Jahr 26 In der Schweiz war 26 das fünftwärmste Jahr seit 1864, nur die Jahre 1994, 2, 22 und 23 waren wärmer. Die ersten drei Monate wiesen auf der Alpennordseite deutlich tiefere Temperaturen auf als im Durchschnitt. Diese wurden dann durch das hochsommerliche Wetter bis zur Jahresmitte kompensiert. War der Juli extrem heiss mit Rekordwerten bei vielen Stationen, geriet der August dann ungewöhnlich kühl und nass. Die Herbstmonate September bis November gehörten wiederum zu den wärmsten in den bestehenden Messreihen. Am Alpennordhang und im Unterwallis waren die Jahresniederschläge durchschnittlich. Hingegen erhielten Graubünden, Tessin sowie die übrigen Teile des Wallis meist nur 75 bis 9% der normalen Jahresniederschlagsmenge. Oberflächentemperaturen An neun PERMOS-Standorten sind mehr als 1 Sensoren ausgelegt, die Foto: Jeannette Nötzli Foto: Stephan Gruber 28 DIE ALPEN 9/27

4 Temperatur [ C] keine Messung Felstemperaturen in der Eiger-Nordwand (1 cm unter der Oberfläche) auf 28 m, nahe der Station Eigerwand. Deutlich sichtbar sind der Kälteeinbruch im August 26 (blauer Kreis) und der im vergleich zu den Vorjahren sehr warme April 27 (grüner Kreis). rund alle zwei Stunden die Oberflächentemperatur aufzeichnen. Diese Geräte liegen vor direkter Strahlung geschützt in Schutthalden, auf Blockgletschern oder auf Moränen in Hängen mit einer Neigung zwischen und 4. Die Variationen der Oberflächentemperaturen zeigen den Einfluss von Lufttemperatur, Sonneneinstrahlung, Schneedecke und allfälliger Luftzirkulation zwischen groben Blöcken. In der Nähe von Fuorcla- Surlej auf dem Corvatsch sucht ein Forscher mit dem GPS nach einem Temperatursensor. Die Mächtigkeit und der Zeitpunkt der maximalen Auftauschicht im kriechenden, eisreichen Permafrost des Blockgletschers Murtèl- Corvatsch werden seit 1987 gemessen. Im Jahrhundertsommer 23 wurde der bisherige Rekord nur um ca. 5 cm übertroffen, da ein Grossteil der Energie bei der Schmelze des Untergrundeises gebraucht wurde. Foto: Jeannette Nötzli Foto: Andreas Hasler Auf dem Schilthorn werden die Mächtigkeit und der Zeitpunkt der maximalen Auftauschicht seit 1998 beobachtet. Da der Permafrost hier kaum Eis enthält, wird der grösste Anteil der Energie in Form von Temperaturerhöhung umgesetzt. Im Jahre 23 wurde die Auftauschicht darum fast doppelt so mächtig wie in den Jahren zuvor. Seit 24 werden an drei Standorten Felstemperaturen in 1 cm Tiefe gemessen. Einige der Sensoren sind in fast senkrechten Felswänden wie der Eiger-Nordwand, in denen praktisch kein Schnee liegen bleibt, platziert, andere befinden sich in flachen Felspartien. Die Messungen geben Aufschluss über die lokal unterschiedlichen Reaktionen von Felstemperaturen auf klimatische Bedingungen. Gleichzeitig wird auch der unterschiedliche Einfluss von Schnee, Sonneneinstrahlung und Lufttemperatur sichtbar. Für einzelne Standorte sind bereits Daten aus den Jahren 21 und 22 vorhanden, doch das extrem heisse Die Loggerbox des 1987 gebohrten Permafrostbohrlochs auf dem Blockgletscher Murtèl- Corvatsch. Die Daten werden hier aufgezeichnet und können via Mobilfunk vom Computer aus abgerufen werden. Ein Temperatursensor am Schilthorn, der wenig unter der Oberfläche alle zwei Stunden die Temperatur aufzeichnet 29

5 WISSENSCHAFT UND BERGWELT Foto: Jeannette Nötzli > Zwei Bohrlöcher im Hörnligrat des Matterhorns auf 329 m. Die instrumentierten Bohrlöcher sind 65 Meter tief, und die Untergrundtemperaturen werden täglich gemessen. An der Meteostation bei den Bohrlöchern auf dem Schilthorn wird ein Teil des Windsensors ausgewechselt. Foto: Jeannette Nötzli Jahr 23 wurde leider noch nicht mit Messungen abgedeckt. Mittlere jährliche Bodenoberflächentemperatur (BOT) Nachdem der Jahrhundertsommer 23 die Oberflächentemperaturen an allen PERMOS-Standorten um durchschnittlich 2 3 C angehoben hatte, sanken die über 12 Monate gemittelten Werte bereits 24 wieder auf das Durchschnittsniveau der 1-Jahres-Messperiode. Der schneearme Winter 24/5 bewirkte eine weitere Abkühlung um etwa ein halbes Grad, und ab Sommer 25 blieb die BOT fast unverändert. Felstemperaturen Der sehr heisse Sommer 26, dessen Temperaturen durch den kalten August etwas moderater ausfielen, ist in den Felstemperaturen deutlich sichtbar. Da die Variabilität der Temperaturen von Jahr zu Jahr gross ist, benötigt man jedoch längere Messreihen, um klare Trends im Zusammenhang mit der Klimaveränderung festzustellen. Permafrosttemperaturen Permafrost reagiert sehr langsam auf Veränderungen der Oberflächentemperaturen, weil sich diese im Untergrund vorwiegend durch Wärmeleitung fortsetzen. Es dauert beispielsweise mehrere Jahrzehnte, bis eine Temperaturstörung eine Tiefe von 1 m erreicht. Der Prozess kann durch Eis im Untergrund zusätzlich verlangsamt werden, da für das Schmelzen Energie benötigt wird. Sobald aber ungefrorene Zonen eine Zirkulation von Wasser ermöglichen, kann Wasser Wärme schnell in tiefere Zonen transportieren und den Prozess beschleunigen. Auftauschicht Die jährlichen Schwankungen der Oberflächentemperaturen wirken sich je nach Untergrund bis in eine Tiefe von 15 bis 2 m aus. Die oberste Schicht, die im Sommer positive Temperaturen aufweist, heisst Auftauschicht. Ihre Mächtigkeit ist ein direktes Klimasignal und spiegelt vor allem die Sommertemperaturen wider. Dabei interessiert der Vergleich von Jahr zu Jahr sowie der langfristige Trend. So hinterliess zum Beispiel der Hitzesommer 23 eine deutliche Marke, mit der andere Jahre nun verglichen werden können. Allerdings hängt der absolute Messwert stark von den Untergrundeigenschaften ab: Während im eisreichen Permafrost vom Murtèl-Corvatsch die Rekordmarke vom Sommer 23 (3,5 m) auch in den drei PERMOS-Messstandort Schilthorn im Juli 26: Der Südhang ist schon vollständig ausgeapert, während im Nordhang, wo sich die Bohrlöcher befinden, noch viel Schnee liegt. folgenden Sommern beinahe erreicht wurde, blieben die fast 9 m Auftauschicht im eisarmen Permafrost auf dem Schilthorn unerreicht. Hier taute der Untergrund wie vor 23 bis in eine Tiefe von ca. 5 m auf. Temperatur in zirka 1 m Tiefe Eine weitere Möglichkeit, die verschiedenen Standorte untereinander zu vergleichen, ist der Verlauf der Temperatur in rund 1 m Tiefe. Die oberflächlichen Schwankungen kommen hier abgeschwächt und zeitverzögert an, entsprechen aber ungefähr der Jahresschwankung. Die Einflüsse der Lufttemperatur wie auch der Schneebedeckung sind überlagert und zusammengefügt. Die Witterung in den beiden Berichtsjahren bewirkte in den meisten Bohrlöchern eine leichte Abkühlung. Damit zeigt sich der starke Einfluss des schneearmen Winters 24/5 auf die Entwicklung der Permafrosttemperatur. Während die Werte am Schilthorn im darauffolgenden Winter im selben Bereich blieben, kühlten die Temperaturen an den anderen Standorten weiter ab. 3 DIE ALPEN 9/27

6 Der Blockgletscher Murtèl (Oberengadin) mit etwas Neuschnee im Oktober 26 Foto: Marcia Phillips Foto: Marcia Phillips. -.5 Schafberg (9.2 m) Schilthorn (1. m) Temperatur [ C] M. Barba Peider (1. m) Muragl (9.6 m) Gentianes (9.6 m) Murtèl (11.5 m) Die Zusammenstellung der Permafrosttemperaturen in ca. 1 m Tiefe in verschiedenen Bohrlöchern verdeutlicht drei Phasen der Erwärmung, die 1995/96 und 22 durchbrochen wurden Jahr -.5 Schafberg (9.2 m) Schilthorn (1. m) Gentianes (9.6m) Muragl (9.6 m) -1. In der Berichtsperiode (1. Oktober 24 bis 3. September 26) sind die Temperaturen in rund 1 m Tiefe im Vergleich zum extremen Jahr 23 wieder leicht gesunken. Dazu haben auch die beiden schneearmen Winter beigetragen. Temperatur [ C] M. Barba Peider (9.6 m) Murtèl (11.5 m)

7 WISSENSCHAFT UND BERGWELT Temperatur [ C] Temperatur [ C] Schneenetze im Permafrost oberhalb von Randa auf 31 m 1 Tiefe [m] M. Barba Peider 1/96 4 M. Barba Peider 2/96 Arolla 1/96 Schilthorn 51/98 Tiefe [m] < < Die Permafrostmächtigkeit variiert an den Messstandorten zwischen wenigen Metern und mehr als 1 Metern. Nicht nur die absoluten Temperaturen sind von Ort zu Ort verschieden, sondern auch der Gradient, also die Temperaturzunahme pro Tiefenmeter. 8 Murtèl 2/ Schafberg 2/9 Muragl 4/99 Schilthorn 5/ Stockhorn 6/ Foto: Marcia Phillips Karte: BAFU, Massstab 1:5 Das Gebiet Corvatsch-Furtschellas im Oberengadin auf der Hinweiskarte der potenziellen Permafrostverbreitung in der Schweiz. Sie wurde im Jahr 26 vom Bundesamt für Umwelt (BAFU) erstellt. Gelbe Farben bezeichnen Gebiete mit möglichem, violette solche mit wahrscheinlichem Permafrost je dunkler die Farbe, desto wahrscheinlicher ist Permafrost vorhanden. 32 DIE ALPEN 9/27

8 Neue Permafrosthinweiskarte Die Degradation von Permafrost ist ein sehr langsamer und langfristiger Prozess. Umso plötzlicher und schneller sind die Ereignisse, wenn es zu Murgängen oder Felsstürzen kommt. Je früher Prozesse des Permafrostabbaus erfasst werden, desto besser kann allfälligen Folgen vorgebeugt werden. Anhand von Modellrechnungen hat das Bundesamt für Umwelt (BAFU) zusammen mit Spezialisten eine neue «Hinweiskarte über die potenzielle Permafrostverbreitung in der Schweiz» im Massstab 1:5 erstellt. Insbesondere die Alpengebiete in den Kantonen Wallis, Bern, Glarus und Graubünden enthalten grosse Permafrostgebiete. Die Karte soll unter anderem die Kantone darin unterstützen, ihre Gefahrenkarten bezüglich Murgängen und Felssturzgefährdung aus dem Permafrost zu überprüfen. Schlussfolgerungen Die Messungen in Bohrlöchern zeigen, dass sich die oberflächennahen Temperaturen im Permafrost der Schweizer Alpen in der Berichtsperiode von Herbst 24 bis Herbst 26 nach dem Rekordsommer 23 wieder etwas abgekühlt haben. Der Hauptgrund ist der schneearme Winter 24/5. Die Temperaturen in praktisch schneefreien Steilwänden dagegen spiegeln deutlich den Verlauf der Lufttemperaturen wider. Entsprechende Messungen von Felstemperaturen haben sich als wichtige Ergänzung zu den bisherigen Oberflächentemperaturmessungen erwiesen. Die Messreihen sind allerdings noch zu kurz, um klare Trends auszumachen. Langfristig kann die Erwärmung des Permafrosts einen Einfluss auf das Auslösepotenzial von Felsstürzen und Murgängen im Hochgebirge haben. Auch in der Berichtsperiode waren einige Ereignisse aus Permafrostgebieten zu verzeichnen wie der Murgang bei Guttannen oder ein Felssturz auf der Matterhorn-Südseite im Sommer 25. a PE RMOS-Autorenteam 2, 3 Foto: Flotron AG, 386 Meiringen 2 PERMOS-Autorenteam: Jeannette Nötzli, Uni Zürich, PERMOS-Office; Daniel Vonder Mühll, ETH Zürich und Uni Zürich, PERMOS-Office; Isabelle Roer, Uni Zürich, PERMOS-Office; Reynald Delaloye, Uni Freiburg; Christoph Frei, MeteoSchweiz; Stephan Gruber, Uni Zürich; Wilfried Haeberli, Uni Zürich, Martin Hoelzle, Uni Zürich; Marcia Phillips, SLF Davos 3 Das Bundesamt für Umwelt (BAFU), die Schweizerische Akademie für Naturwissenschaften (SCNAT) und MeteoSchweiz haben mit einer Vereinbarung die PERMOS-Finanzierung für die Jahre 27 bis 21 gesichert. Das Koordinationsbüro ist an der Universität Zürich angesiedelt und gewährleistet eine kontinuierliche Datenarchivierung und -auswertung sowie die Berichterstattung zuhanden der Geldgeber und der Öffentlichkeit. Foto: Flotron AG, 386 Meiringen Der Murgang vom 22. August 25 bei Guttannen ergoss sich bis ins Tal hinunter und überdeckte die Aare und die Grimselpassstrasse mit einer mächtigen Geröllschicht. Der Murgang brach oberhalb von Guttannen in der Moränenbastion des früheren Homadgletschers aus. Im Bild die Anrisszone DIE ALPEN 9/27 33