In the central Alps permafrost can be expected above 2300 m a.s.l., at altitudes where mean annual air temperatures are below -1 °C. Isolated permafrost occurrences can be detected in north-exposed talus slopes, far below the timberline, where mean annual air temperatures are positive. Driving factors are assumed to be a low income of solar radiation, a thick organic layer with high insulation capacities as well as the thermally induced chimney effect.
Aim of this study is to achieve a deeper understanding of the factors determining the site-specific thermal regime, as well as the spatially limited and temporally highly variable permafrost occurrences in vegetated talus slopes.
Three supercooled talus slopes in the Swiss Alps were chosen for investigation. Substantially different characteristics were a central criterion in the selection of study sites. Located in the Upper Engadin, climatic conditions, altitude as well as dimensions of the talus slopes are comparable for the study sites Val Bever and Val Susauna; major differences are rooted in the nature of talus substrate and in humus- and vegetation distribution. Characteristics of the Brüeltobel site, located in the Appenzeller Alps, diverge with regard to climatic conditions, altitude and dimensions of the talus slope; humus- and vegetation compositions are comparable to the Val Susauna site.
Confirmation and characterisation of ground ice is accomplished by the application of electrical resistivity and seismic refraction tomography. The estimation of the spatial permafrost distribution is based on quasi-3D resistivity imaging. For the confirmation of permafrost and the analysis of its temporal variability electrical resistivity monitoring arrays were constructed and installed at all study sites, to allow year-round measurements. In addition to resistivity monitoring, the – up to now – first seismic refraction tomography winter monitoring was conducted at the Val Susauna to analyse the permafrost evolution during the winter half-year. Investigations of the ground thermal regime were based on the analysis of temperature logger data. Besides recording air- and ground surface temperatures, focus was set on the temperature evolution in vents and in the organic layer. To analyse the relationship between permafrost distribution on the one hand and humus- and vegetation distribution on the other hand, an extensive mapping of humus characteristics and vegetation composition was conducted at Val Susauna.
The existence of permafrost could be proven at all study sites. Spatially, permafrost bodies show a narrow transition to neighbouring, unfrozen areas. As observed at Val Susauna, the permafrost distribution strongly correlates with areas with exceptionally thick organic layer, high percentages of mosses and lichens in the undergrowth and dwarf grown trees. The temporal variability of permafrost has proven to be exceptionally high, with the magnitude of seasonal variations distinctly exceeding intra-annual changes. Thereby, the winter season is characterised by a significant supercooling. During snowmelt a growth in volumetric ice content is induced by refreezing of percolating meltwater on the supercooled talus.
The results confirmed the fundamental influence of the chimney effect on the existence and temporal variability of permafrost in talus slopes. Divergences in the effectiveness of the thermal regime were detected between the study sites. These are based on differences in the nature of talus material, humus characteristics and vegetation composition.
During summer, the organic material is usually dry at the daytime, inducing a high insulation capability and a protection of the subsurface against high atmospheric temperatures. Bouldery talus slopes typically show an organic layer that is fragmented by large boulders, which induces a strongly reduced insulation capability and allows an efficient heat exchange by convective airflow and percolating precipitation water. In the winter half-year, the thermal conductivity of the organic layer increases massively under moist or frozen conditions, allowing an efficient, conductive cooling of the talus material. The convective cooling in bouldery talus slopes affects an earlier onset and a higher magnitude of supercooling than under consistent humus conditions. Here, conductive heat flow is dominant and the cooling in autumn is buffered by a prolonged zero curtain. The snow cover has proven to be incapable of prohibiting an efficient supercooling of the talus slope in winter, almost independent from thickness. / In den zentralen Alpen kann oberhalb einer Höhe von 2300 m ü NN, bei mittleren Jährlichen Lufttemperaturen von weniger als -1 °C mit Permafrost gerechnet werden. Isolierte Permafrostvorkommen können jedoch in nordexponierten Hangschutthalden bei positiven Jahresmitteltemperaturen bis weit unterhalb der Waldgrenze gefunden werden.
Ziel dieser Arbeit ist es ein tieferes Verständnis des Faktorenkomplexes zu erreichen, der das standortspezifische, kleinräumige thermale Regime bedingt und damit die räumlich begrenzten, zeitlich hochvariablen Permafrostvorkommen in Hangschutthalden unterhalb der Waldgrenze steuert und ermöglicht.
Drei unterkühlte Hangschutthalden in den Schweizer Alpen wurden zur Untersuchung ausgewählt. Bei der Auswahl wurde im Speziellen auf fundamentale Unterschiede der Standortfaktoren Wert gelegt. Im Unterengadin gelegen sind die klimatischen Bedingungen, Höhenlage sowie die Dimensionen der Hangschutthalden an den Standorten Val Bever und Val Susauna vergleichbar; Eigenschaften des Hangschuttes, Charakteristik der organischen Auflage sowie der Vegetation unterscheiden sich. Der in den Appenzeller Alpen gelegenen Standort Brüeltobel unterscheidet sich in Bezug auf die klimatischen Bedingungen, der Höhenlage und der Ausmaße der Hangschutthalde deutlich, zeigt jedoch eine zum Val Susauna ähnliche Humus- und Vegetationscharakteristik.
Der Nachweis und die Charakterisierung von Untergrundeis basiert auf der Kombination von elektrischer Widerstandstomographie und seismischer Refraktionstomographie. Zur Detektion der räumlichen Verbreitung von Untergrundeis wurden diese Methoden durch quasi-3D Widerstandstomographie ergänzt. Zum Nachweis von Permafrost und zur Analyse seiner zeitlichen Variabilität wurden Monitoringauslagen konstruiert und an den Standorten fest installiert. Widerstandsmessungen wurden ganzjährig durchgeführt. In Ergänzung zu dem Widerstandsmonitoring wurde im Val Susauna erstmalig seismische Refraktionstomographie zum Monitoring der Permafrostentwicklung im Winter durchgeführt. Die Analyse des thermalen Regimes basiert auf der Analyse von Temperaturlogger Daten. Dabei wurden neben Luft- und Bodentemperaturen vor allem die Temperaturentwicklung in den Schloten sowie in der Humusauflage berücksichtigt. Zur Untersuchung des Zusammenhangs der Permafrostverbreitung mit der Humus- und Vegetationscharakteristik wurde im Val Susauna eine Kartierung der Humuseigenschaften sowie der Vegetationszusammensetzung durchgeführt.
An allen untersuchten Standorten konnte Permafrost nachgewiesen werden. Räumlich sind die Permafrostkörper sehr scharf von benachbarten Hangbereichen abgegrenzt. Am Standort Val Susauna konnte ein hoher räumlicher Zusammenhang zwischen der Permafrostverbreitung und Bereichen mit besonders mächtiger Humusauflage, einem hohen Anteil an Moosen und Flechten im Unterwuchs sowie einem ausgeprägtem Zwergwuchs nachgewiesen werden. Die zeitliche Variabilität des Permafrost hat sich an allen Standorten als außergewöhnlich hoch herausgestellt. Dabei übersteigt die Magnitude der saisonalen Variabilität die mehrjährigen Veränderungen deutlich. Das Winterhalbjahr zeigt sich durch eine effiziente Unterkühlung geprägt. Die Schneeschmelze im Frühling steht in Verbindung mit einem deutlichen Eiszuwachs, der durch ein wiedergefrieren des versickernden Schmelzwassers an dem unterkühlten Hangschutt verursacht wird.
Die Ergebnisse haben den fundamentalen Einfluss des Chimney Effekt auf die Existenz und zeitliche Variabilität von Permafrost in Hangschutthalden bestätigt. Unterschiede in der Wirkungsweise des thermalen Regimes konnten herausgestellt werden, die in erster Linie auf die unterschiedliche Ausprägung der Humusauflage, Charakteristik des Hangschutts, und die Vegetationszusammensetzung zurückzuführen sind.
Während des Sommers ermöglicht die sehr geringe thermische Leitfähigkeit der im oberflächennahen Bereich meist recht trockenen organischen Auflage eine ausgeprägte Isolation des Untergrundes gegenüber hohen Außentemperaturen. Die in grobblockigen Hangschutthalden zu findende ungleichmäßige, von Blockmaterial fragmentierte organische Auflage zeigt eine deutlich geringere Isolationsfähigkeit und ermöglicht einen effektiven, Wärmeaustausch durch Konvektion und perkolierendes Niederschlagswasser. Im Winterhalbjahr steigt die thermische Leitfähigkeit des organischen Materials unter durchfeuchteten sowie gefrorenen Bedingungen massiv an und ermöglicht eine effiziente Auskühlung der Hangschutts. Die Unterkühlung in grobblockigen Hangschutthalden zeigt aufgrund des auch im Winter ausgeprägten konvektiven Wärmeflusses eine höhere Magnitude und ein früheres Einsetzen als bei homogenen Humusauflagen, wo konduktiver Wärmefluss dominiert und eine Auskühlung im Herbst durch eine ausgeprägte zero-curtain Periode gepuffert wird. Der Einfluss der Schneedecke auf das thermale Regime ist insgesamt gering; ihre Isolationsfähigkeit ist, annähernd unabhängig von der Schneemächtigkeit, stark reduziert.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:9009 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Schwindt, Daniel |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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