Modellierung schuttbedeckter Gletscher

Schmelzwasser von Gletschern entstammt im Wesentlichen deren Ablationszone. In einigen Gebirgen sind zwischen 40 und 70% der regionalen Ablationsgebiete mit Schutt bedeckt, sodass das Kennen der Rolle von Schuttbedeckung für die Eisschmelzprozesse wesentliche Voraussetzung zur Quantifizierung des Beitrages von Gletschern zum regionalen Wasserhaushalt, zum globalen Meeresspiegelanstieg und zu lokalem Gefahrenpotential ist. Der auf Feldbeobachtungen bauende herkömmliche Wissensstand geht davon aus, dass eine Schuttecke von mehr als einigen Zentimetern Mächtigkeit die Schmelzraten gegenüber jenen auf unbedecktem Eis reduziert und damit in Perioden negativer Massenhaushalte die Gletscherzungen schützt`. Im Gegensatz dazu zeigen Analysen von Satellitendaten Schmelzraten an schuttbedeckten Gletschern, die ähnlich stark oder gar stärker sind, als jene an vergleichbaren schuttfreien Zungen. Die Arbeitshypothese des vorliegenden Projektantrages geht davon aus, dass bisher vernachlässigte Details und Prozesse auf einer schuttbedeckten Eisfläche für die starken Schmelzraten verantwortlich sind. Folgende Arbeitsschritte sind geplant, um die Kenntnisse zu erweitern und ein mehrfach anwendbares Modellsystem zu entwickeln. Erstens wird in einer Evaluierung vorhandener mathematischer Modelle anhand von Laborexperimenten das geeignetste identifizieren, mit dem dann die Sensitivität von Ablation unter einer Schuttdecke in Abhängigkeit von einer Reihe von klimatischen und Schuttbedeckungsfaktoren in tageszeitlicher, saisonaler und jährlicher Auflösung analysiert wird. Daraus werden Faktoren bewertet, die die Modifikation der Ablation durch eine Schuttdecke in der gesamten Bandbreite von Möglichkeiten beschreiben. Zweitens wird der Einfluss von (i) lokalen Oberflächenformen, (ii) der Variabilität der Schuttmächtigkeit und (iii) der Häufigkeit aperer Eisflächen innerhalb der Schuttzone auf eine räumlich gemittelte Eisablation quantifiziert. Drittens werden die zeitlichen Skalen bestimmt, in welchen die Eigenschaften (i) (iii) auf einer schuttbedeckten Gletscherzunge entstehen, indem die Entwicklung eines Ablationsreliefs unter Einbeziehung gravitativer Reorganisation von bedeckten und freien Eisflächen modelliert wird. Zur Modellevaluierung werden mit einem neuartigen Ansatz aus Satellitendaten räumliche Unterschiede und die zeitliche Entwicklung der Beschaffenheit schuttbedeckter Ablationszonen bestimmt. Am Ende werden aus den gewonnene Parametrisierungen der Effekte einer Schuttdecke, ihrer räumlichen Variabilität und deren zeitlicher Entwicklung vertikale Massenbilanzprofile bestimmt und mit einem eisdynamischen Fließlinienmodell gekoppelt um die Fließ- und Schmelzdynamik unter sich zeitlich ändernder Schuttcharakteristik zu untersuchen. In jedem Arbeitsschritt dienen Labor-, Feld- oder Satellitendaten zur Evaluierung der Modellergebnisse. Idealisierte Modellexperimente dienen zur Quantifizierung von Fehlern und Unsicherheiten in den einzelnen Modellschritten um am Ende ein effizientes Modellsystem für Studien zur Bewertung von Schmelzwasserproduktion und Gefahrenpotential von schuttbedeckten Gletscherzungen zur Verfügung zu stellen.

Der weltweite Rückgang der Gletscher führt zu einer zunehmenden Schuttbedeckung der verbleibenden vergletscherten Flächen aus Gestein- und Sandmaterial der umliegenden Felsoberflächen. Diese Schuttbedeckung beeinflusst das Abschmelzen der Eisoberfläche und somit auch die Menge an Schmelzwasser, die von diesen Gletschern in Zukunft zu erwarten ist. Daher und um Vorhersagen über die zukünftige Wasserverfügbarkeit und das Gefahrenpotential in Gebirgsregionen treffen zu können, ist es besonders wichtig ein besseres Verständnis für die Auswirkungen einer sich verändernden Gletscheroberfläche durch die Ablagerung von Gestein und Sand zu erlangen. Im Rahmen dieses Projektes wurde ein verbessertes numerisches Modell entwickelt, mit dem Eisverlust einer Eisoberfläche unterhalb einer Schuttbedeckung unter vorgegebenen Bedingungen berechnet werden können. Zusätzlich wurde das Modell in ein gekoppeltes Land-Atmosphärenmodell integriert. Zur Evaluierung wurde das Modell umfassend an Gletschern in den Alpen getestet, auf denen zahlreiche Messungen zum Vergleich zur Verfügung stehen. Anschliessend wurde es auf das Karakorum angewandt, einer stark vergletscherten Region mit zahlreichen schuttbedeckten Gletschern. Die Simulationen zeigen, dass die Schuttbedeckung einen starken Einfluss auf den Gletschermassenhaushalt hat, reduzierung des gesamten Gletschermassenverlusts in dieser Region. Desweiteren wird im Vergleich zu einer blanken Eisoberfläche die Struktur der im Bergland typischen Talwindsysteme durch eine stärkere Erwärmung der Luft über der Schuttbedeckung beeinflusst. Das Modell ermöglicht ein besseres Verständnis für das Zusammenspiel von Gletschern und Atmosphäre und deren Entwicklung in den kommenden Jahrzehnten.