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Wissenschaft verständlich erklärt.
Glaziologie/Klima
Das Vermessen von Gletschern (alt)
Veröffentlicht	am 15. Februar 2017 von	Johannes Horak / 3 Kommentare
Der Hintereisferner in den Ötztaler Alpen | Bild: Johannes Horak
Im Verlauf des 20. Jahrhunderts haben Gletscher einiges an Volumen verloren – das ewige Eis ist also weniger geworden und ihre Zungen haben sich zurückgezogen. In diesem Artikel wird es daher um Gletscher gehen – was sie sind und wie man feststellen kann, ob sie wachsen oder schmelzen. Dabei greifen wir einige der möglichen Prozeduren heraus und betrachten diese etwas genauer.
Überarbeitungen
15/02/2017 – Einige Formulierungen wurden nach ausführlichem Feedback überarbeitet, eine genaue Übersicht findet sich am Ende des Artikels.
13/11/2017 – Die Quelle für die Daten über die Gletscherlängenfluktuation wurde hinzugefügt
13/02/2017 – Eine überarbeitete Version des Artikels für derstandard.at ersetzt diese Version hier.
Warum sind Gletscher überhaupt wichtig?
In verschiedenen Regionen der Welt kommt Gletschern eine nicht unwichtige Rolle zu – ihr Schmelzwasser trägt zur Versorgung von Städten und Dörfern mit Trinkwasser und Elektrizität aus Wasserkraftwerken bei. Während der niederschlagsreichen Zeit wird das Wasser von Gletschern gespeichert und während trockenerer Phasen wieder abgegeben. Ohne Gletscher, die als Puffer fungieren, fehlt dieses zusätzliche Wasser, da es bereits kurz nach dem Abregnen wieder in die Flüsse gelangt. Besonders akut ist diese Problematik zum Beispiel in den tropischen Anden wo die Trinkwasserversorgung zum Teil von nahen Gletschern abhängt.
Abhängig von der Topographie des Gletschers kann es auch direkte Risiken für menschliche Siedlungen durch das Abschmelzen von Gletschern geben. Durch dieses können sich vermehrt Eisstauseen bilden, welche, wenn sie ausbrechen, ihren Wasserinhalt talwärts ergießen mit katastrophalen Auswirkungen für in der Bahn liegende besiedelte Gebiete oder Infrastruktur.
All das sind Gründe warum es nützlich ist zu verstehen, wie sich Gletscher in Zukunft entwickeln werden. Dies liefert einerseits eine Entscheidungsgrundlage für Projekte wie in Urumchi, welche dazu dienen sollen, solchen Knappheiten entgegen zu steuern, oder kann helfen Katastrophen durch Eisstauseen zu antizipieren oder deren Auswirkungen gering zu halten.
Letztlich sind Gletscher noch zu einem Symbol für etwas Anderes geworden. Sie zeigen dramatisch den Einfluss des Klimawandels auf unsere Erde.
Ein Gletscher ist eine Ansammlung von mehrjährigem Schnee oder Eis, das aufgrund des Einflusses von Gravitation den Hang hinab fließt. Vielleicht etwas schwer vorstellbar, aber es ist tatsächlich so. Das Eis eines Gletschers ist ständig im Fluss. Recht eindrucksvoll zu sehen ist dies in folgendem Zeitraffer. Es zeigt die Zunge des Ruri-Chinchey Gletschers in Peru, die einzelnen Aufnahmen wurden über mehrere Wochen verteilt gemacht.
Ein Gletscher ist also, auch wenn er unveränderlich aussieht, ständig in Veränderung. Abgesehen vom Fließen finden noch andere Prozesse statt. Er kann an
Masse gewinnen, was Akkumulation genannt wird, oder aber auch
Masse verlieren, dies ist als Ablation bekannt.
Akkumulation besteht im wesentlichen aus Schnee, eventuell Lawinen und, wenn es kalt genug ist, Regen. Hinter der Ablation stecken hingegen Schmelze, Verdunstung und Sublimation. Letztere ist der direkte Übergang von Eis in Wasserdampf, was bei tropischen Gletschern eine wichtige Rolle spielt. Aber auch das „Kalben“ von Gletschern, die in Seen oder das Meer münden, trägt zum Masseverlust bei.
Das ermöglicht, den Gletscher in zwei Zonen einzuteilen. Die Akkumulationszone liegt in höheren Lagen in welchen der Massengewinn gegenüber dem Massenverlust überwiegt. Die Ablationszone hingegen liegt tiefer und stellt jenen Teil des Gletschers dar, wo der Massenverlust den Massengewinn übersteigt. Zwischen diesen beiden Zonen liegt die Gleichgewichtslinie. Je höher diese liegt desto eher verliert der Gletscher an Masse.
Eis aus dem oberen Bereich eines Gletschers fließt also langsam aber stetig Richtung Tal, und wird so in die Ablationszone transportiert wo es schließlich irgendwann abschmilzt. Ob sich ein Gletscher ausdehnt oder ob er sich zurückzieht hängt nun im Wesentlichen davon ab, ob der Massengewinn oder -verlust überwiegt. Kommt von oben nicht genug Eis nach oder schmilzt in den Sommermonaten unten besonders viel ab, so kann der Verlust nicht ausgeglichen werden. Der Gletscher verliert an Dicke und die Zunge zieht sich zurück.
Die Position der Gletscherzunge
Das führt auch zu einer ersten Messgröße die vergleichsweise einfach zu bestimmen ist – die Position der Gletscherzunge. Daten dazu werden seit einiger Zeit systematisch gesammelt, aber auch aus historischen Aufzeichnungen, alten Fotografien oder Gemälden lässt sich rekonstruieren, wie sich diese im Verlauf der Jahre verändert hat. Die Datenreihen reichen deshalb in einigen Fällen auch mehrere hundert Jahre zurück.
Das folgende Bild zeigt ein Beispiel für eine Gletscherzunge.
Die Gletscherzunge des Hintereisferners im Juli 2016
Am Eindrucksvollsten und einprägsamsten sind wohl Bildvergleiche wie zum Beispiel der Folgende:
(1) Pasterze 1920: Eindrucksvolle Frontalansicht aus südöstlicher Richtung (Viktor-Paschinger-Weg ) auf Großglockner, Pasterze und Johannisberg auf einem Foto aus den 1920er Jahren, Foto: Alpenverein/ Laternbildsammlung
(2) Pasterze 2012: eine in die umgebende Bergwelt tief eingesunkene Gletscherzunge. Foto: Alpenverein/N. Freudenthaler, Gletscherbericht 2016.
Die Bilder wurden leicht angepasst um den Überlapp zwischen Felsregionen zu verbessern.
Abseits von der optischen Wirkung kann über markante Punkte im Gelände und Kartenmaterial auf diese Weise sehr exakt nachvollzogen werden, wo sich die Gletscherzunge zum Zeitpunkt der Fotos befand. Regelmäßige Aufnahmen von derselben Position liefern somit eine gute Grundlage für Positionsbestimmungen.
Am Hintereisferner in den Ötztaler Alpen wird Wanderern noch auf andere Art und Weise versucht zu vermitteln, wie weit sich dessen Zunge bereits zurückgezogen hat. Kurz nachdem man das Hochjochhospitz passiert hat, findet man am Wegrand in unregelmäßigen Abständen Tafeln, welche anzeigen in welchem Jahr der Gletscher noch bis dorthin reichte.
Eine andere Methode um eine etwas konkretere Idee von der Entwicklung des Gletschers zu erhalten ist es, die Position der Gletscherzunge mittels GPS zu bestimmen. Im Prinzip schreitet man ihren Rand mehrmals ab um Form und Ort so genau festzuhalten. Allerdings ist dies aus verschiedenen Gründen nicht immer möglich, schon allein weil die Gletscherzunge auch ein sehr gefährlicher Ort sein kann – zum Beispiel weil jederzeit Eis abbrechen könnte.
Im Zeitalter der Satelliten gibt es aber auch dafür eine Lösung – die satellitengestützte Beobachtung von Gletschern.
Letztlich ergibt sich aus den Differenzen zwischen den Messungen in verschiedenen Jahren schließlich ein simples Bild davon, ob sich die Zunge zurückzieht, ausbreitet oder an derselben Stelle bleibt. Alles in allem zeigt sich weltweit – bis auf wenige Ausnahmen – ein sehr eindeutiges Bild: Die Gletscher ziehen sich zurück. Dieser Trend zieht sich quer durch alle Klimazonen.
In der folgenden Grafik ist die Entwicklung von drei ausgewählten Gletschern in Österreich zu sehen. Um sie zu erstellen setzt man den Nullpunkt in dem Jahr fest, in welchem zum ersten Mal die Position der Zunge bestimmt wurde. Die Änderung jedes Folgejahres wird dann entsprechend addiert oder subtrahiert. Auch hier ist der globale Trend deutlich zu sehen – abgesehen von kurzen Phasen in denen sich die Gletscher wieder weiter ausbreiteten ziehen sie sich seit über hundert Jahren weiter und weiter zurück. Die Geschwindigkeit des Rückzuges ist allerdings von Gletscher zu Gletscher unterschiedlich und hängt von lokalen Gegebenheiten ab.
Der Rückgang der Zungen von drei ausgewählten Gletschern in Österreich. Als Nullpunkt wird jeweils die Position gewählt zu welcher es die erste Aufzeichnung gibt, im Fall des Hallstätter Gletschers ist dies 1883, für den Hintereisferner 1770 und für die Pasterze 1620. Datenquelle: Leclercq et al. 2014
Allerdings sagt die Gletscherlänge, die ja direkt mit der Position der Gletscherzunge zu tun hat, nichts über die Dicke des Eises aus.
Die Massenbilanz des Gletschers
Die Massenbilanz eines Gletschers ist quasi Buchhaltung:
\[ \text{Bilanz} = \text{Massenzunahme}\,-\,\text{Massenabnahme} \]
Positive Werte bedeuten eine Zunahme an Masse, negative eine Abnahme und Null keine Veränderung.
Eine direkte Methode ist, zu vermessen, wieviel „Dicke“ verloren oder gewonnen wird. Aus diesem Grund wandern zweimal jährlich Glaziologen und Freiwillige auf verschiedene Gletscher, bohren dort Löcher und versenken Stäbe. Zeitlich hängen diese Messungen mit dem hydrologischen Jahr zusammen welches von 1. Oktober bis 30. September dauert. Zwischen Herbst und Frühling liegt dabei die Akkumulationsperiode, also eine Phase in der der Gletscher an Masse zunimmt, während die Ablationsperiode von Frühling über den Sommer bis in den Herbst dauert. Quasi ein umgekehrter Winterschlaf in dem der Gletscher versucht sich im Winterhalbjahr genug Eis anzuessen um den Sommer zu überdauern.
Die gebohrten Löcher können verschieden tief sein, üblich sind zum Beispiel $10\;\text{m}$. In diese werden der Länge nach miteinander verbundene und markierte Stäbe eingebracht, auch Ablationspegel genannt, die zusammen bis zum Boden des Lochs reichen – dort lässt man diese schließlich festfrieren.
Die Idee ist, zu einem späteren Zeitpunkt wieder zu der Bohrung zurückzukehren und zu messen, wie weit der $10\;\text{m}$ Stab nun aus dem Eis herausragt. Ragt nichts hervor kann man sich (sofern der herausragende Teil nicht abgebrochen ist) glücklich schätzen – am Gletscher ist an dieser Stelle kein Eis abgeschmolzen. Wenn allerdings beispielsweise beim nächsten Besuch $3\;\text{m}$ Stock zu sehen sind, weiß man gleichzeitig, dass dort, wo zuvor $3\;\text{m}$ Eis waren nun nichts mehr ist. Im folgenden Bild ist rechts im Vordergrund ein solcher Stab zu sehen. Aus den freiliegenden Segmenten lässt sich ablesen, dass an dieser Stelle etwa $4\;\text{m}$ Eis abgeschmolzen sind. Aus früheren Messungen weiß man auch, ob zB. beim letzten Besuch bereits die Hälfte eines Stabes frei lag, dies wird anhand der geführten Aufzeichnungen entsprechend korrigiert.
In der Akkumulationszone verkompliziert sich das Prozedere etwas. Um festzustellen, wieviel die Massenzunahme beträgt, ist es nötig, die Dicke und Dichte(n) der Schnee und Firnschicht über dem Eis zu bestimmen. Praktisch gesehen bedeutet dies einfach, dass man entweder ein Loch gräbt bis man auf Eis stößt, oder eine Schneesonde verwendet. Die Dichte wird durch das Abwägen eines definiertes Volumens ermitteln.
Nach jeder Messkampagne werden die Werte zwischen den Messstellen interpoliert und auf Randregionen extrapoliert. Letztlich lässt sich aus den gewonnenen Daten der spezifische Massenverlust eines Gletschers über Jahre hinweg für jedes Jahr darstellen. Spezifisch bedeutet hierbei, dass dieser Verlust über die Fläche des Gletschers gemittelt wird.
Die Massenbilanz des Hintereisferners von 1952 – 2015. Die größere Anzahl der negativen Werte und ihre höhere Intensität zeigt einen Massenverlust des Gletschers. Quelle: Kuhn et al. (1999) und World Glacier Monitoring Service.
Die Einheit „mm Wasseräquivalent“ gibt dabei die Höhe an, die das Schmelzwasser erreichen würde, würde man es in ein Becken mit der Fläche des Gletschers einfüllen.
Natürlich lässt sich dies auch in die mittlere Dicke der abgeschmolzenen Eisschicht umrechnen. Im Jahr 1990-1991 beträgt die Bilanz zum Beispiel $-1325\,\text{mm w.eq}$. Dies entspräche einer mittleren abgeschmolzenen Eisschicht von $\approx 1.5\,\text{m}$ Dicke auf der gesamten Gletscherfläche welche zu diesem Zeitpunkt noch ca. $8.9\,\text{km}^2$ betrug. Im Mittel ist der Gletscher also überall um $1.5\,\text{m}$ dünner geworden! Wieder in Wasser gedacht entspricht dies einem täglichen Abfluss von etwa $1500\,\text{m}^3$ Wasser oder dem Inhalt von fast $15$ olympischen Schwimmbecken pro Tag.
Letztlich zeigt sich auch mit dieser Methode, dass der Hintereisferner an Masse verliert. Besonders bemerkenswert: Seit 1984 gab es kein einziges Jahr mehr, in dem der Gletscher Masse gewonnen hätte.
Das ist, wie bereits Eingangs erwähnt, ein Trend der sich durch alle Klimazonen zieht. Die Gletscherzungen ziehen sich zurück und die Massenbilanz hat sich ins Negative verschoben.
Literatur und weiterführendes:
Ein detaillierter und gut Verständlicher Überblick zu Gletschermesstechniken:
Karpilo, R. Glacier monitoring techniques.
Gletscherbericht des österreichischen Alpenvereins, 2016
Bradley, Raymond S., et al. Threats to water supplies in the tropical Andes. Science 312.5781 (2006): 1755-1756.
Kaser, Georg. A review of the modern fluctuations of tropical glaciers. Global and Planetary Change 22.1 (1999): 93-103.
P.W. Leclercq, J. Oerlemans, H.J. Basagic, I. Bushueva, A.J. Cook, and R. Le Bris, A data set of worldwide glacier length fluctuations, The Cryosphere 8, 659-672, doi:10.5194/tc-8-659-201, 2014.
Datensatz Gletscherfluktuation: Website von P.W. Leclercq
Aufgrund von recht ausführlichem und detailliertem Feedback habe ich mich zu einer kleinen Überarbeitung des Artikels entschlossen. Dabei wurden hauptsächlich einige Formulierungen treffender gewählt, aber auch drei Quellen gegen bessere ausgetauscht. In diesem Abschnitt werden die alten Formulierungen den neuen gegenübergestellt. Wo möglich einfach durch Durchstreichen der alten Variante und Normal schreiben der neuen.
Erratum ausklappen
In verschiedenen Regionen der Welt kommt Gletschern eine nicht unwichtige Rolle zu – ihr Schmelzwasser versorgt Städte trägt zur Versorgung von Städten und Dörfer Dörfern mit Trinkwasser und Elektrizität aus Wasserkraftwerken bei.
Während der regen- und schneereichen niederschlagsreichen Zeit wird das Wasser von Gletschern gespeichert und während trockenerer Phasen wieder abgegeben.
Ein Beispiel bzgl. Trinkwasserversorgung in Bolivien wurde gegen ein Beispiel in den tropischen Anden ausgetauscht, da es dazu ein besseres Paper gab. Ein weiterer Satz zu diesem Thema über die Trinkwasserversorgung der chinesischen Stadt Urumchi wurde entfernt. Dieser beruhte auf einem Artikel des Guardians und nicht auf einem wissenschaftlichen Papier.
Originalformulierung: Besonders akut ist diese Problematik zum Beispiel<a href=“http://www.the-cryosphere.net/10/2399/2016/„> in Bolivien</a> aber auch in China, wo die <a href=“https://www.theguardian.com/environment/2009/mar/02/china-glacier-reservoir-water“>Trinkwasserversorgung der Stadt Urumchi</a> ebenfalls von nahen (<a href=“http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2005GL024178/epdf“>schmelzenden</a>) Gletschern abhängt.
Neue Formulierung: Besonders akut ist diese Problematik zum Beispiel <a href=“http://science.sciencemag.org/content/312/5781/1755.full„>in den tropischen Anden</a> wo die Trinkwasserversorgung zum Teil von nahen Gletschern abhängt.
Die folgende Korrektur erfolgte wegen einer ungünstigen Formulierung und weil es ein besser passendes Paper dazu gab.
Originalformulierung: Durch dieses bilden sich vermehrt Eisstauseen welche unter den richtigen Bedingungen ausbrechen können mit der Folge, dass sich Wassermassen talwärts ergießen mit katastrophalen Auswirkungen für in der Bahn liegende <a href=“https://www.baunat.boku.ac.at/fileadmin/data/H03000/H87000/H87200/4Veranstaltungen/5.2_Dussaillant_paper.pdf“>besiedelte Gebiete oder Infrastruktur</a>.
Neue Formulierung: Durch dieses bilden sich vermehrt Eisstauseen welche, wenn sie ausbrechen, ihren Wasserinhalt talwärts ergießen mit katastrophalen Auswirkungen für in der Bahn liegende <a href=“http://hydrologie.org/redbooks/a218/iahs_218_0319.pdf“>besiedelte Gebiete oder Infrastruktur</a>.
Als treibende Mechanismen hinter Hinter Ablation stecken hingegen Schmelze, Verdunstung und Sublimation.
Aber auch das „abkalben“ „Kalben“ , was vor allem von Gletschern, die in Seen oder das Meer münden bekannt ist, tragen trägt zum Masseverlust bei.
Die ursprüngliche Graphik die das Kalben illustrieren sollte war dazu nicht geeignet da die gezeigten Eisblöcke nicht notwendigerweise von diesem Phänomen herrühren musste. Das Video illustriert das nun besser.
Als Faustregel gilt, dass um so Je höher die Gleichgewichtslinie am Gletscher diese liegt, desto ungünstiger ist dies für diesen eher verliert der Gletscher an Masse.
Der Gletscher verliert an Dicke und/oder die Zunge zieht sich zurück.
Letztlich ist es eben aber diese Größe welche am meisten Information darüber offenbart, wieviel ein Gletscher zunimmt oder abnimmt.
Eine direktere direkte Methode um diese zu messen ist, es, zu vermessen, wieviel „Dicke“ verloren oder gewonnen wird. Fotos von der Sonnenfinsternis und mehr
Wann erscheint Winds of Winter? Fitten von Datensätzen
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