The discontinuous mountain permafrost zone is characterized by its heterogeneous distribution of frozen ground and a small-scale variability of the ground thermal regime. Large parts of these areas are covered by glacial till and sediments that were exposed after the recession of the glaciers since the 19th century. As response to changed climatic conditions permafrost-affected areas will lose their ability as sediment storage and on the contrary, they will act as source areas for unconsolidated debris. Along with modified precipitation patterns the degradation of the discontinuous mountain permafrost zone will (temporarily)
increase its predisposition for mass movement processes and thus has to be monitored in a differentiated way.
Therefore, the spatio-temporal dynamics of frozen ground are assessed in this study based on results obtained in three glacier forefields in the Engadin (Swiss Alps) and at the Zugspitze (German Alps). Sophisticated techniques are required to uncover structural differences in the subsurface. Thus, the applicability of advanced geophysical methods is tested for alpine environments and proved by the good 3D-delineation of a permafrost body and by the detection of detailed processes in the active layer during snow melt. Electrical resistivity tomography (ERT) approaches (quasi-3D, daily monitoring) reveal
their capabilities to detect subsurface resistivity changes both, in space and time. Processes and changes in regard to liquid water content and ice content are observed to exist at short distances even though the active layer is not subject to a considerable thickening
over the past 7 years. The stability of the active layer is verified by borehole temperature data. No synchronous
trend is recognized in permafrost temperatures and together with multi-annual electrical resistivity data they indicate degradation and aggradation processes to occur at the same time. Different heat transfer mechanisms, especially during winter, are recognized by means of temperature sensors above, at, and beneath the surface. Based on surface and borehole temperature data the snow cover is assessed as the major controlling factor for the thermal regime on a local scale. Beyond that, the debris size of the substrate, which modifies the snow cover and regulates air exchange processes above the ground, plays a crucial role as an additional buffer layer. A fundamental control over the stability of local permafrost patches is attributed to the ice-rich transient layer at the base of the active layer. The refreezing of melt water in spring is illustrated with diurnal ERT monitoring data from glacier forefield Murtèl.
Based on these ERT and borehole temperature data a conceptual model of active layer processes between autumn and spring is developed. The latent heat that is inherent in the transient layer protects the permafrost beneath from additional energy input from the surface as long as the refreezing of melt water in spring prevails and sufficient ice is build up each spring. Permafrost sites without a transient layer show considerably higher
temperatures at their table and are more prone to degradation in the years and decades ahead. As main investigation area a glacier forefield beneath the summits of Piz Murtèl and Piz Corvatsch in the Swiss Engadin was chosen. It is located west of the well-known
rock glacier Murtèl. Here, a permafrost body inside and adjacent to the lateral moraine was investigated and could be delineated very well. In the surrounding glacier forefield no further indications of permafrost occurrence could be made. Geophysical data and temperature values from the surface and from a permafrost borehole were compared with long-term data from proximate glacier forefield Muragl (Engadin). Results from both
sites show a considerable stability of the active layer depth in summer while at the same time geophysical data demonstrate annual changes in the amount of liquid water content and ice content in the course of years.
A third investigation area is located in the German Alps. The Zugspitzplatt is a high mountain valley with considerably more precipitation and thicker snow cover compared to both Swiss sites. In close proximity to the present glacier and at a large talus slope beneath the summit crest ground ice could be observed. The high subsurface resistivity values and comparable data from existing studies at the Zugspitze may indicate the presence of sedimentary ice in the subsurface of the karstified Zugspitzplatt. Based on these complementary data from geophysical and temperature measurements as
well as geomorphological field mapping the development of permafrost in glacier forefields under climate change conditions is analyzed with cooperation partners from the SPCC project. Ground temperature simulations forced with long-term climatological data are modeled to assess future permafrost development in glacier forefield Murtèl. Results suggest that permafrost is stable as long as the ice-rich layer between the active layer and
the permafrost table exists. After a tipping point is reached, the disintegration of frozen ground starts to proceed rapidly from the top. / Die Zone des diskontinuierlichen Gebirgspermafrosts in den Europäischen Alpen ist durch das kleinräumige Auftreten von gefrorenem Untergrund und eine hohe Variabilität des thermischen Regimes gekenn\-zeichnet. Weite Bereiche dieser Zone sind mit glazialen Sedimenten und Felsschutt bedeckt, die mit dem Abschmelzen der Gletscher seit Mitte des 19.~Jahrhunderts freigelegt wurden. Im Zuge von klimatischen Veränderungen werden Gebiete, in denen Permafrost auftritt, ihre Funktion als Sedimentspeicher verlieren und stattdessen als Sedimentquelle für Lockermaterial wirken. Zusammen mit Änderungen im Niederschlagsregime kann sich dadurch die Disposition für Massenbewegungen (zeitweilig) erhöhen, so dass differenzierte Beobachtungsstrategien dieser lokalen Permafrostvorkommen erforderlich sind.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die raum-zeitliche Dynamik von Permafrost in drei Gletschervorfeldern im Engadin (Schweizer Alpen) und an der Zugspitze (Deutsche Alpen) untersucht. Um strukturelle Unterschiede im Untergrund zu erkennen ist der Einsatz von modernen, sich ergänzenden Techniken und Methoden unbedingt erforderlich. Mit der genauen dreidimensionalen Abgrenzung eines Permafrostkörpers sowie der Beobachtung von aktiven Prozessen während der Schneeschmelze in der Auftauschicht, konnte die Anwendbarkeit der geophysikalischen Methoden in unzugänglichem alpinen Gelände unter Beweis gestellt werden. Insbesondere die elektrische Widerstandstomographie (ERT), basierend auf einem quasi-3D Ansatz und einem täglichen Monitoring, erlaubt eine detaillierte Untersuchung von Widerstandsveränderungen (räumlich und zeitlich). Obwohl die Mächtigkeit der Auftauschicht über die letzten 7 Jahren kaum variierte, konnten Prozesse und Veränderungen im Permafrost beobachtet werden.
Die Stabilität der Auftauschicht im Untersuchungszeitraum wird durch Temperaturmessungen in den Bohrlöchern bestätigt. Die Permafrosttemperaturen zeigen einen gleichlaufenden Trend. Zusammen mit den mehrjährigen ERT-Daten unterstreicht dies die Variabilität in der Zusammensetzung des Untergrunds in Bezug auf den jeweiligen Anteil von flüssigem bzw. gefrorenem Wasser.
Mit Hilfe von Temperatursensoren oberhalb, auf und unterhalb der Erdoberfläche konnten verschiedene Wärmetransportprozesse, insbesondere im Winter, beobachtet werden. Auf Grundlage dieser Temperaturdaten wird die Schneedecke als der größte Einflussfaktor auf das thermische Regime des Untergrundes auf lokaler Ebene angesehen. Zusätzlich spielt die Größe des vorhandenen Schuttmaterials eine wesentliche Rolle, da zum einen die Schneedecke verändert und zum anderen die Luftaustauschprozesse an der Oberfläche stark reguliert werden. Dies bestätigt die bereits bekannte mikroklimatische Wirkung von grobem Blockschutt.
Maßgeblich für die Stabilität der Auftauschicht ist der eisreiche Übergangsbereich zwischen Auftauschicht und Permafrost. Tägliche ERT-Daten aus dem Gletschervorfeld Murtèl zeigen das Wiedergefrieren von Schmelzwasser in diesem Bereich im Frühjahr. Auf Grundlage von Bohrlochtemperaturen und ERT-Daten wurde ein konzeptionelles Modell der Prozesse innerhalb der Auftauschicht für den Zeitraum Herbst bis Frühjahr erstellt. So lange der Eiszuwachs im Frühjahr dominiert, schützt die eisreiche Schicht durch die ge\-speicherte latente Wärme den Permafrost vor zusätzlichem Wärmeeintrag. Standorte mit einem niedrigen Eisgehalt an der Permafrosttafel unterliegen damit in größerem Maße dem Einfluss des Wärmetransports und sind in den kommenden Jahren und Jahrzehnten stärker anfällig für Degradationserscheinungen.
Hauptuntersuchungsgebiet ist ein Gletschervorfeld unterhalb der Gipfel von Piz Murtèl und Piz Corvatsch im Schweizer Engadin westlich des gut untersuchten Blockgletscher Murtèl. Hier wurde ein Permafrostkörper am Rande bzw. innerhalb der Lateralmoräne untersucht und die Abgrenzung des Untergrundeises detektiert. Im übrigen Gletschervorfeld konnte Permafrost nicht nachgewiesen werden. Die geophysikalischen Daten und Temperaturdaten von der Oberfläche bzw.~aus einem Permafrostbohrloch wurden mit langjährigen Messreihen aus dem Gletschervorfeld Muragl (ebenfalls im Engadin) verglichen. Die Ergebnisse an beiden Standorten zeigen eine gewisse Stabilität der jährlichen Auftauschicht. Zur gleichen Zeit zeigen die geophysikalischen Ergebnisse Veränderungen im Verhältnis von flüssigen Wasser zu gefrorenem Eis im Untergrund an.
Als drittes Untersuchungsgebiet wurde das Zugspitzplateau ausgewählt, ein alpines Hochtal mit deutlich mehr Niederschlag und größerer Schneedecke als an den beiden Standorten im Engadin. Hier konnten in unmittelbarer Nähe zum heutigen Gletscherrand und unter steilen Hangschuttkegeln durch Widerstandstomographie deutliche Hinweise auf Untergrundeis gegeben werden. Feldbeobachtungen und die bekannt hohen Widerstandswerte aus vergleichbaren Untersuchungen am Zugspitzgipfel lassen auf sedimentäres Eis im verkarsteten Untergrund schließen.
Abschließend wurde die zukünftige Entwicklung am Standort Murtèl anhand von Simulationsläufen, die auf langfristigen Energiebilanzdaten von regionalen Klimamodellen beruhen, abgeschätzt. Auf Basis der umfangreichen Daten aus den Geländemessungen und der geomorphologischen Kartierung, wurde mit Hilfe einer Sensivitätsanalyse mit Partnern aus dem SPCC-Projekt die Termperaturentwicklung im Permafrost modelliert. Die Ergebnisse zeigen eine kurzfristige Stabilität des Permafrosts bis ein kritischer Schwellenwert erreicht ist, der vermutlich mit dem Tauen der eisreichen Zone verbunden ist. Nachdem dieser Zeitpunkt überschritten ist, setzt sich die Permafrostdegradation rasch in die Tiefe fort.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:9062 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Rödder, Tobias |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_mit_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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