Exkursion zur Regionalen Geographie

Universität Innsbruck, Institut für Geographie

Sommersemester 2011

Mario Pichler

Alpiner Permafrost allgemein / Blockgletscher

Eingereicht am: 02. Februar 2012

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung ..................................................................................................................................... 1

2. Periglazial – Permafrost ............................................................................................................... 1

3. Bedeutung der Permafrostforschung ............................................................................................ 3

4. Blockgletscher als Permafrostzeiger ............................................................................................ 5

5. Zusammenfassung ........................................................................................................................ 6

6. Literaturverzeichnis ...................................................................................................................... 7

1. Einleitung

Im Rahmen der Lehrveranstaltung Exkursion zur Regionalen Geographie am Institut für Geographie der

Universität Innsbruck fand von 5. – 9. 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).

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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. 2400 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

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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.

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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 Permafrostgebiete1 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.at2 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 http://www.permos.ch/, letzter Zugriff: 01.02.2012

2 http://www.permalp.at/, letzter Zugriff: 01.02.2012

3 http://www.permanet-alpinespace.eu/home.html, letzter Zugriff: 01.02.2012

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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, 9.9.2011

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).

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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.

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6. Literaturverzeichnis

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