Der Hallstätter Gletscher
Der Hallstätter Gletscher 2017 | Bild: Johannes Horak

Das Vermessen von Gletschern

Im Verlauf des 20. Jahrhunderts haben Gletscher einiges an Volumen verloren – das ewige Eis ist weniger geworden und ihre Zungen haben sich zurückgezogen. In diesem Artikel wird es daher um Gletscher gehen – was sie sind, weshalb die Beschäftigung mit ihnen wichtig ist und wie man feststellen kann, ob sie wachsen oder schmelzen..

Déjà-vu? Im Rahmen unseres Eis und Klima Blogs auf derstandard.at habe ich den ursprünglichen Artikel zum Thema „Gletscher vermessen“ einer größeren Überarbeitung unterzogen. Da mir die neue Variante der alten deutlich überlegen erscheint, habe ich mich entschlossen diese stattdessen online zu stellen.

Was macht ein Quantennanophysiker in den Bergen?

Als Quantennanophysiker beschäftigt man sich nicht unbedingt mit etwas Greifbarem. Da kann man schon, so wie ich, in eine Sinnkrise stürzen. Photonen und Nanopartikel sind zwar faszinierend, aber um einige Größenordnungen weniger tastbar als Gletscher, die sich erwandern und erfahren lassen, und ein ganz konkretes Gebilde im Kopf erzeugen, wenn man über seine Forschung nachdenkt. Allerdings lassen sich auch Gletscher und Atmosphäre physikalisch modellieren, und damit in weiterer Folge die Auswirkungen des Klimawandels besser verstehen. So war die Idee geboren, mich beruflich neu zu orientieren – von Quanten zu Lasern zu Gletschern sozusagen. Natürlich könnte man sich auf den Standpunkt stellen: Warum um Gletscher kümmern, warum diese überhaupt erforschen? Liegen sie doch weit entfernt von dem, wo sich der Alltag für einen großen Teil der Menschheit abspielt. Das ist jedoch nur ein Teil der Wahrheit.

Was sind Gletscher eigentlich?

Intuitiv hat man natürlich eine gute Idee davon, was einen Gletscher ausmacht. Man kann das Ganze allerdings etwas genauer festmachen. 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, für welchen täglich Aufnahmen von Oktober 2015 bis August 2017 gemacht wurden – die Aufnahmen bei schlechter Sicht wurden entfernt. Dieser wurde von der ZAMG veröffentlicht und zeigt den Hufeisenbruch der Pasterze:

Auch wenn er unveränderlich erscheint, ein Gletscher ist ständig im Wandel. Abgesehen vom Fließen finden noch andere Prozesse statt. Er kann Masse gewinnen (Akkumulation) oder aber Masse verlieren (Ablation).

Akkumulation besteht im wesentlichen aus Schnee, eventuell Lawinen und, wenn es kalt genug ist, Regen, der gefriert. Der Schnee kann hierbei als fester Niederschlag fallen oder per Wind auf den oft in einer Senke liegenden Gletscher verfrachtet werden. Über die Jahre hinweg verdichtet er sich dann immer weiter, wird zu Firn und letztlich zu Eis. Hinter der Ablation stecken hingegen Schmelze, Verdunstung und Sublimation. Letztere ist der direkte Übergang von Eis in Wasserdampf, was vor allem bei tropischen Gletschern eine wichtige Rolle spielt. Aber auch das „Kalben“ von Gletschern, die in Seen oder das Meer münden, trägt zum Massenverlust bei, wie folgendes Video eindrucksvoll zeigt:

So gesehen lässt sich ein Gletscher in zwei Zonen einteilen: Die Akkumulationszone liegt in höheren Lagen, in denen der Massengewinn gegenüber dem Massenverlust überwiegt. Die Ablationszone hingegen liegt tiefer und stellt jenen Teil des Gletschers dar, wo der Massenverlust größer ist als der Massengewinn. Die beiden Zonen werden durch die sogenannte Gleichgewichtslinie getrennt.

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 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.

Warum sind Gletscher überhaupt wichtig?

Gletschern kommt in verschiedenen Regionen der Welt eine wichtige Rolle zu. Während sie in Österreich zumeist in touristischem Zusammenhang erwähnt werden, trägt ihr Schmelzwasser in Südamerika zum Beispiel zur Versorgung von Städten und Dörfern mit Trinkwasser oder Elektrizität aus Wasserkraftwerken bei. Entsprechend ist dort auch die Landwirtschaft auf dieses Wassers angewiesen. Dabei wird während der niederschlagsreichen Zeit 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. Dies betrifft nicht nur kleine Dörfer sondern durchaus große Städte wie Quito, wo 2,2 Millionen Einwohner unter anderem auch mit Wasser vom Gletscher des nahen Antisana versorgt werden.

Abhängig von der Topographie des Gletschers kann es durch dessen Abschmelzen auch unmittelbarere Risiken für menschliche Siedlungen geben. Durch dieses können sich vermehrt Eisstauseen bilden, die, wenn sie ausbrechen, ihren Wasserinhalt talwärts ergießen – mit ernsthaften Auswirkungen für in ihrer Bahn liegende besiedelte Gebiete und Infrastruktur. Auch dies ist kein hypothetisches Szenario. So barst am 4. August 1985 der Gig-Tsho-Gletschersee in der Khumbu-Region des Himalayas. Die Folgen waren katastrophal: Es gab vier Todesfälle, ein neu errichtetes Wasserkraftwerk wurde zerstört, 14 Brücken und 30 Häuser fortgerissen sowie Kulturland vernichtet.

All das sind Gründe, warum es unabdingbar ist zu verstehen, wie sich Gletscher in Zukunft entwickeln werden. Dies liefert einerseits eine Entscheidungsgrundlage für den eventuellen Bau künstlicher Wasserreservoirs, die dazu dienen sollen, potentiellen Knappheiten entgegenzusteuern – oder kann helfen, Katastrophen durch Eisstauseen zu antizipieren oder deren Auswirkungen gering zu halten.

Letztlich sind Gletscher aber noch zu einem Symbol für etwas Anderes geworden: Sie zeigen besonders anschaulich den Einfluss von Klimaveränderungen auf unsere Erde. Diese Veränderungen können natürliche Ursachen haben, wie das Ende der Kleinen Eiszeit Anfang des 20. Jahrhunderts, und menschengemachte, die sich für einen Großteil des Abschmelzens in der jüngeren Vergangenheit verantwortlich zeichnen. Besonders eindrucksvoll ist ein Bildvergleich – siehe unten – im Fall der Pasterze im Jahr 1920 (links) und 2012 (rechts). Die Zunge hat sich seitdem um mehr als einen Kilometer zurückgezogen, auch die Dicke des Eises ist geringer geworden.

1920: Alpenverein/Laternbildsammlung; 2012: Alpenverein/N. Freudenthaler, Gletscherbericht 2016. Die Bilder wurden von mir leicht angepasst um den Überlapp zwischen Felsregionen zu verbessern.

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 dem Ende des 19. Jahrhunderts systematisch gesammelt. Aber auch aus historischen Aufzeichnungen, alten Fotografien oder Gemälden lässt sich rekonstruieren, wie sich die Zunge im Lauf der Jahre verändert hat. Die Datenreihen reichen in einigen Fällen mehrere hundert Jahre zurück. Über markante Punkte im Gelände und Kartenmaterial kann auf diese Weise relativ genau nachvollzogen werden, wo sich die Gletscherzunge zum Zeitpunkt der Bilder befand. Regelmäßige Aufnahmen von derselben Stelle 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, die anzeigen, in welchem Jahr der Gletscher noch bis dorthin reichte. Von der Tafel mit der Aufschrift 1894 aus ist er gar nicht mehr sichtbar, erst ab jener mit dem markierten Jahr 1938 lässt sich der Beginn des Hintereisferners hinter der nächsten Talbiegung erahnen.

Der Hintereisfernern in den Ötztaler Alpen

Die Gletscherzunge des Hintereisferners (2016)

Gletscher ziehen sich weltweit zurück

Es gibt noch andere Methoden, um eine etwas konkretere Idee von der Entwicklung des Gletschers zu erhalten. Die Position und Form der Gletscherzunge können auch mittels Maßband, GPS oder einer Kombination aus beidem bestimmt werden.

Letztlich ergibt sich aus dem Vergleich zwischen den Messungen in verschiedenen Jahren 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. Speziell in Österreich haben die Gletscher seit ihrer letzten Maximalausdehnung in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts etwa 60 Prozent ihrer Fläche verloren.

In der folgenden Grafik ist die Entwicklung von drei ausgewählten Gletschern in Österreich 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 verschieden und hängt von lokalen Gegebenheiten ab.

Der Rückgang dreier ausgewählter Österreichischer Gletscher

Der Rückgang dreier ausgewählter Österreichischer Gletscher

Die Massenbilanz eines Gletschers

Nur aus der Längenänderung ergibt sich aber zunächst ein unvollständiges Bild. Auch der wissenschaftliche Wert mit Hinblick auf das Prozessverständnis ist eher gering. Ein direktes Signal dafür, wie ein Gletscher auf die Wetterverhältnisse innerhalb eines Jahres reagiert, lässt sich erst aus der Massenbilanz ableiten.

Die Massenbilanz eines Gletschers ist quasi Buchhaltung: Bilanz = Massenzunahme – Massenabnahme. Positive Werte bedeuten eine Zunahme an Masse, negative eine Abnahme. Hier können satellitengestützte Messmethoden bereits einen guten Eindruck verschaffen, diese alleine sind aber zur Zeit noch nicht ausreichend. Die Genauigkeit, mit der ein Satellit die Höhe der Gletscheroberfläche bestimmen kann, ist ein limitierender Faktor, sowie der Umstand, dass die Dichte der oberflächennahen Schichten nur auf direktem Weg bestimmt werden kann.

Die direkteste und genaueste Methode ist also, zu vermessen wie viel „Dicke“ verloren oder gewonnen wird. Aus diesem Grund wandern zweimal jährlich Glaziologen und Freiwillige auf etwa 13 ausgewählte Gletscher in Österreich – circa 170 weltweit –, bohren dort Löcher, versenken Stäbe und dokumentieren, wie weit bereits zuvor „verpflanzte“ Pegelstäbe wieder aus dem Eis ragen – dazu gibt es hier eine Fotogalerie.

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 die 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 Masse anzuessen, um den Sommer zu überdauern.

Die gebohrten Löcher können verschieden tief sein, üblich sind zehn Meter. 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 Stab nun aus dem Eis herausragt – dies zeigt direkt wie viel Eis abgeschmolzen ist. Im folgenden Bild ist rechts im Vordergrund ein solcher Stab zu sehen, im Hintergrund wird ein frisches Loch gebohrt. Aus den freiliegenden Segmenten lässt sich ablesen, dass an dieser Stelle etwa zwei Meter Eis abgeschmolzen sind. Aus früheren Messungen weiß man auch, ob zum Beispiel beim letzten Besuch bereits die Hälfte eines Stabes frei lag, dies wird anhand der geführten Aufzeichnungen entsprechend korrigiert.

Ein aus dem Eis ragendes Segment eines Messstabes.

Ein aus dem Eis ragendes Segment eines Messstabes.

Hintereisferner: Keine Gletscherzunahme seit den 80ern

In der Akkumulationszone verkompliziert sich das Prozedere etwas. Um festzustellen, wie viel 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 eine Schneesonde verwendet oder einen Schneeschacht gräbt, bis man auf Eis oder den Oberflächenhorizont des Vorjahres stößt. Eine schweißtreibende Angelegenheit, denn die notwendige Tiefe des Schachts kann mitunter mehrere Meter betragen. Die Dichte wird durch das Abwägen einer Schnee- oder Firnprobe eines definierten Volumens ermittelt.

Nach jeder Messkampagne werden die Messungen an verschiedenen Punkten am Gletscher auf den gesamten Gletscher hochgerechnet. Letztlich lässt sich aus den gewonnenen Daten die über die Gletscherfläche ermittelte Massenänderung über Jahre hinweg für jedes Jahr darstellen. In der Abbildung weiter unten ist eine solche Massenbilanzreihe für den Hintereisferner in den Ötztaler Alpen zu sehen. 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 Massenbilanzen haben sich ins Negative verschoben. Die Gletscher verschwinden, Jahr für Jahr bleibt ein bisschen weniger von ihnen übrig. In manchen Regionen der Welt werden die Konsequenzen stärker spürbar sein als in anderen, aber sie sind da. Um ihnen vorbeugen zu können, ist es unerlässlich Gletscher und ihre Umgebung besser zu verstehen. Da sich jedes Modell an der Realität messen muss, ist die Vermessung von Gletschern ein wichtiges Unterfangen.

Die Massenbilanzreihe des Hintereisferners. Positive Werte bedeuten eine Zunahme, negative Abnahme.

Die Massenbilanzreihe des Hintereisferners. Positive Werte bedeuten eine Zunahme, negative Abnahme.

Wissenschaftlich an einem für die Gesellschaft wichtigen Thema zu arbeiten, und zwar nicht nur im Büro oder in dunklen Labors, sondern hin und wieder auch an Feldarbeiten auf Gletschern teilzunehmen, ergibt insgesamt ein schönes Jobprofil. Damit verschwand auch still und leise die Ursache für meine Neuorientierung – die Sinnkrise.

Links

Verschiedene Datensätze für Gletscher: World Glacier Monitoring Service
Datensatz Gletscherlängenänderung: Website von P.W. Leclercq
Website der Forschungsgruppe: Ice and Climate
Alpenverein Österreich – Gletscherbericht 2016

Literaturhinweise

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Bradley, Raymond S., et al. „Threats to water supplies in the tropical Andes.“ Science 312.5781 (2006): 1755-1756. International Centre for Integrated Mountain Development, and Pradeep Mool. Glacial lakes and glacial lake outburst floods in Nepal. International Centre for Integrated Mountain Development, 2011.
Kuhn, M., et al. „Measurements and models of the mass balance of Hintereisferner.“ Geografiska Annaler: Series A, Physical Geography 81.4 (1999): 659-670.
Leclercq, P. W., et al. „A data set of world-wide glacier length fluctuations.“ Cryosphere Discussions 7.5 (2013).
Marzeion, Ben, et al. „Attribution of global glacier mass loss to anthropogenic and natural causes.“ Science (2014): 1254702.
Vuichard, Daniel, and Markus Zimmermann. „The 1985 catastrophic drainage of a moraine-dammed lake, Khumbu Himal, Nepal: cause and consequences.“ Mountain Research and Development (1987): 91-110.
Yamada, T., and C. K. Sharma. „Glacier lakes and outburst floods in the Nepal Himalaya.“ IAHS Publications-Publications of the International Association of Hydrological Sciences 218 (1993): 319-330.

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