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Permafrost
(Dauerfrostboden) Forschung |
Computermodell
simuliert Verbreitung und Entwicklung des Permafrosts
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Eine
gute Prognose hilft Kosten sparen
Wenn
Permafrost in den Alpen taut, leidet die Stabilität von Bauwerken
im Hochgebirge. Um die heutige Verbreitung und die zukünftige Entwicklung
des Permafrosts im Fels abschätzen zu können, haben Wissenschaftler
der Universität Zürich mit Unterstützung des Schweizerischen
Nationalfonds neue Computermodelle und Messmethoden entwickelt.
Die
vielversprechenden Resultate werden dazu beitragen, bei Wartungs- und Sanierungsarbeiten
sowie bei der Planung neuer Bauvorhaben Kosten zu sparen.
Verborgen
in Felswänden und ganzen Gipfelregionen existiert in den Alpen eine
bis zu mehrere hundert Meter dicke Permafrostschicht, in der das ganze
Jahr Temperaturen unter dem Gefrierpunkt herrschen.
Weil der Permafrost
nur über die Temperatur definiert ist, handelt es sich um ein unsichtbares
Phänomen. Der Nachweis seiner Existenz ist daher sehr schwierig.
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Mit
Hilfe von Modellrechnungen ist es Forschenden des Geographischen Instituts
der Universität Zürich nun gelungen, die räumliche Verteilung
und die zeitliche Entwicklung der Oberflächentemperaturen und damit
des Permafrostes in den Felsregionen der Alpen zu bestimmen. Das von Stephan
Gruber und Jeannette Nötzli mit Unterstützung des Schweizerischen
Nationalfonds entwickelte Modell berechnet die Energiebilanz an der Felsoberfläche.
Es basiert auf langjährigen meteorologischen Messreihen und digitalen
Geländemodellen. Weil im Gebirge die Temperaturen in der Nordseite
eines Berges oder steilen Grates auch von der viel wärmeren Südseite
beeinflusst werden, reicht es aber nicht, nur die Oberfläche zu betrachten.
Das Modell kann deshalb mit einem dreidimensionalen Modell gekoppelt werden,
das auch den Wärmefluss im Berg berücksichtigt. "Damit
lässt sich auch die Temperaturverteilung im Untergrund bestimmen»,
erklärt Nötzli.
Ziel
der Wissenschaftler war es, ein Modell zu entwickeln, das die hochkomplizierte
Topographie der Alpen mit ihren vielen Facetten berücksichtigt.
Wie
gut das Modell die Realität abbildet, überprüfen Gruber
und Nötzli mit Hilfe von Sensoren, die seit mehreren Jahren in über
30 Felswänden zwischen 2'500 und 4'500 m ü.M. montiert sind und
die das ganze Jahr über die Temperaturen im Fels messen. "Wir
waren selbst erstaunt darüber, wie gut unsere Modellrechnungen mit
den Messungen im Gebirge übereinstimmten», freut sich Gruber.
Auch Abweichungen haben seine Freude nicht gedämpft - im Gegenteil.
"Die Untersuchung der Abweichungen hilft uns, Neues und oft unerwartete
Zusammenhänge zu lernen und das Modell zu verbessern», erklärt
Gruber.
Die
verwendete Strategie von Messungen und Modellrechnungen erlaubte es zum
ersten Mal, die Ausdehnung und die Temperaturen des Permafrostes in Felswänden
zu quantifizieren. Die Resultate haben deshalb schnell ihren Weg in die
Praxis gefunden: Sie bildeten eine wichtige Grundlage der im Sommer 2006
vom Bundesamt für Umwelt publizierten Karte zur potenziellen Verbreitung
des Permafrosts in der Schweiz. Ziel der Übersichtskarte ist eine
überprüfung und Anpassung der kantonalen Gefahrenkarten.
Permafrost
ist in der Regel ein unspektakuläres Phänomen. Das kann sich
aber ändern, wenn der Fels in steilen Lagen tief auftaut - so geschehen
im Hitzesommer 2003, in dem sich zahlreiche Felsstürze in Permafrostgebieten
der Alpen ereigneten. Da steile Felswände keine isolierende Schneedecke
haben und Eis nur in Gesteinsporen und Spalten auftritt, reagieren sie
sehr schnell auf veränderte Temperaturbedingungen. "Wenn sich
Fels mit eisgefüllten Klüften erwärmt, verringert sich oft
seine Stabilität», erklärt Gruber. Mit Hilfe ihres Modells,
konnten die Forschenden 30 Ereignisse aus dem Jahr 2003 reanalysieren.
Dabei zeigte sich, dass die Felstemperaturen im Bereich der meisten Anrisszonen
nur wenig unter 0°C lagen. "Der grösste Teil der Bruchvorgänge
geht demnach im Bereich des Permafrosts nahe des Gefrierpunkts vor sich»,
sagt Nötzli.
In
den kommenden Jahrzehnten muss mit einer weiteren Erwärmung in Permafrostgebieten
gerechnet werden. Dies hat ökonomische Konsequenzen. Die Abschätzung
der zukünftigen Permafrostentwicklung ist deshalb eine Herausforderung
für die Wissenschaft. Felsstürze, Steinschlag und Bodenverschiebungen
bedrohen Infrastruktur wie Seilbahnstationen oder Berghütten. "Wartungs-
und Sanierungsmassnahmen sowie Planungen von neuen Bauvorhaben werden voraussichtlich
deutlich erhöhte Kosten verursachen», sagt Gruber.
Um mögliche
Probleme frühzeitig zu erkennen und damit Kosten einzusparen, will
das Forscherteam in den kommenden Jahren Techniken und Werkzeuge für
lokale Prognosen über die Permafrostentwicklung verfügbar machen.
Ein wichtiger Schritt dazu, nämlich das Zusammenführen von bestehenden
Klimamodellen mit dem Permafrostmodell, ist ihnen bereits gelungen. Erste
Resultate zeigen, dass sich der Permafrost im steilen Gebirge bei steigenden
Temperaturverhältnissen schnell erwärmt, weil die Wärme
von mehreren Seiten in den Untergrund eindringen kann.
Nicht
alle Auftauprozesse im Permafrost lassen sich aber mit ausreichender Genauigkeit
modellieren. Kritische Stellen im Bereich von Bergbahnen und anderen Infrastrukturen
im Hochgebirge müssen in Zukunft verlässlich und effizient überwacht
werden. Zusammen mit Wissenschaftlern aus dem Nationalen Forschungsschwerpunkt
"Mobile Informations- und Kommunikationssysteme» (NFS MICS)
entwickeln und testen die Forscher deshalb neue Sensoren, die ihre Messdaten
mit drahtlosen Netzwerken über das Internet sofort verfügbar
machen.
Kontakt
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Text: Schweizerischer Nationalfonds 2006
Glaciology
and Geomorphodynamics Group
Physische
Geographie, Geographisches Institut der Universität Zürich |
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Permafrostregion
Grassen, Engelberg OW |
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