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Gletscher — eine besondere geologische Formation
Markus Aellen, VAW/ETH Zürich
Einleitung Sammelbegriffe wie Biosphäre ( Lebewelt ), Atmosphäre ( Lufthülle ), Hydrosphäre ( Was-serhülle ) oder Lithosphäre ( Gesteinshülle ) sind gebräuchliche und allgemein bekannte Bezeichnungen für entsprechende Gesamtbe-reiche unseres Planeten. Weniger bekannt sind die Begriffe Kryosphäre ( Eishülle ) und Chionosphäre ( Schneehülle ), mit denen gelegentlich ein Fachgelehrter in gleicherweise alle natürlichen Vorkommen an Eis bzw. Schnee auf der Erde pauschal zusammenfasst. Auf dem Papier sind solche Pauschalbe-reiche leichter auseinanderzuhalten als in der Natur, wo sie sich in vielfältiger Weise überschneiden und durchdringen. In der Kryosphäre durchschneiden sich die vorgenannten anderen Sphären. In Gebieten, in denen die Atmosphäre auf Frosttemperaturen gekühlt ist, wird Wasserdampf ausgefällt als fester Niederschlag ( Reif, Hagel, Schnee ), der sich auf der Erdoberfläche als lockere Schicht ( Schneedecke ) ablagert, mit der Zeit verdichtet und als körnig festgefügte Lage ( Firn ) im Stapel der übereinandergelagerten Schichten weiter verfestigt zu felsig harter Masse ( Gletschereis ). In diesen gesteinsartigen Bildungen halten sich pflanzliche und tierische, der frostigen Umgebung angepasste Lebewesen auf, namentlich Algen ( oft erkennbar als
Die Kryosphäre im weiteren Sinn umfasst auch die Chionosphäre ( Schneehülle ) und wird wie diese - in Eis und Schnee sind grosse Vorräte des lebenswichtigen Rohstoffs Süsswasser gespeichert - vorwiegend im Zusammenhang mit Fragen des Kreislaufs oder des Haushalts des Wassers auf der Erde, also im Rahmen der Hydrosphäre, erforscht und beschrieben. Ebensogut kann sie - das ist weder neu, noch abwegig oder revolutionär - als Teilbereich der Lithosphäre behandelt werden. Dementsprechend kann man das Eis als gesteinsbildendes Mineral, aus Eis aufgebaute Bildungen als Gesteine und - wie der Titel dieses Aufsatzes anzeigt - Gletscher als besondere Gesteinsverbände, als geologische For- mationen, betrachten und sie als solche darstellen, was nachfolgend in stark vereinfachender Weise versucht ist. Lehrbücher oder Nachschlagewerke, die Gletscher ausdrücklich als geologische Formationen bezeichnen, sind allerdings ebenso selten zu finden wie solche, die Schnee, Firn, Gletschereis und andere Eisbildungen als Gesteine beschreiben. Weniger selten sind solche, die das Eis in der Liste der gesteinsbildenden Minerale aufführen.
Gesteinsbildung Gesteine treten in unermesslicher Vielfalt an Arten und Formen auf, die in ebenso vielfältiger Weise unterschiedlich entstanden sind. Um die verwirrliche Fülle überschaubar zu machen, unterteilt der Geologe die Gesteine aufgrund ihrer Entstehung in drei Hauptgruppen: Erstarrungs-, Ablagerungs-und Umwandlungsgesteine. Aus Eis entstandene gesteinsartige Bildungen, wie sie in der Einleitung beschrieben sind, lassen sich in diese Hauptgruppen ohne weiteres einordnen. Folgt man weitergehenden Gliederungen der Hauptgruppen in Untergruppen und Klassen, in denen besondere Entstehungsbedingungen berücksichtigt sind, bereitet die Einordnung der aus Eis zuweilen allerhand Schwierigkeiten, die im Rahmen dieses Aufsatzes nicht eingehend erörtert sind.
Erstarrungsgesteine ( magmatische Gesteine ) Diese entstehen durch Verfestigung flüssiger Schmelze ( Magma ), die aus dem glutheissen Erdinnern in die kühlere feste Erdkruste aufsteigt, in den Vulkangebieten stellenweise an der Erdoberfläche austritt. Je nach der Tiefe, in der die Schmelze zum Gestein erstarrt ( kristallisiert ), werden Tiefengesteine ( Plutonite: Granit, Gabbro u.v.a .) unterschieden von Ergussgesteinen ( Vulkanite: Lava, Basalt u.v.a. ). Schmelze dringt oft in Klüfte und Spalten der verfestigten Gesteine ein, wo sie zu Ganggesteinen erstarrt oder in Hohlräumen die begehrten regelmässig gestalteten Kristalle der Kluftminerale ( z.B. Bergkristall ) auskristallisieren lässt. Die Schmelze, aus der gesteinsartige Eisbildungen erstarren, ist das Wasser, das - wenn überhaupt - nur zu einem sehr geringen Teil aus dem Erdinnern stammt. Aus Wasser erstarrte ( Gesteine ) sind ausser den Eisdecken auf Gewässern, die als Meereis in Polargebieten Jahre überdauern können, auch manche auf oder in Gletschern vorkommende Bildungen wie aufgefrorene Eisschichten ( Aufeis ) oder ausgefrorenes Wasser in Spalten ( Blaubänder ). Sie bilden ein exogenes ( aussenbürtiges, d.h. an der Erdoberfläche entstandenes ) Gegenstück zu den aus Magma entstandenen endogenen ( innenbürtigen, dem Erdinnern entstammenden ) Erstarrungsgestei-nen, namentlich zu den an der Erdoberfläche oder unterirdisch in Felsspalten erstarrten Ergussgesteinen. Ähnlichkeit mit Mineralklüften haben Rauhreifbeläge, die an den Wänden trockener Gletscherspalten oder natürlicher ( und künstlicher ) Eisgrotten häufig auftreten.
Ablagerungsgesteine ( Sedimen te ) Diese entstehen an der Erdoberfläche durch Abbau ( Verwitterung, Abtrag ) bestehender Gesteine und Aufbau ( Ablagerung, Ausscheidung ) neuer Gesteine aus den Verwitterungsprodukten. Chemische und mechanische Vorgänge sind beim Abbau wie beim Aufbau wirksam. Die Verwitterungsprodukte werden, teils im Wasser gelöst, teils als Bruchstücke aller Korngrössen vom Staubkorn bis zum hausgrossen Felsblock, über kürzere oder längere Strecken verfrachtet, als Flugsand im Wind, als Schwebstoff oder Geschiebe im Wasser, als Blockschutt in Bergstürzen, Murgängen, Trübeströmen oder Gletschern, bevor sie auf Festland als kontinentales Sediment abgelagert, im Meer als marines Sediment ausgeschieden oder abgesetzt werden. Bruchstücke werden in lose geschütteten, oft schichtförmigen Haufen abgelagert als Lockergestein ( z.B. Sand, Kies ), das sich mit der Zeit, unter zunehmender Last überlagerter jüngerer Schichten verdichtet und verfestigt zu hartem Trümmergestein ( klastisches Sediment: z.B. Sandstein, Konglomerat ). Aus gelöstem Material entstehen durch Ausfällung chemische Sedimente ( z.B. Kalk, Dolomit ), durch Verdunstung Salzablagerungen ( z.B. Steinsalz ) und andere Verdunstungsgesteine ( Evaporite: z.B. Anhydrit, Gips ), durch massenhaftes Auftreten schalen-, skelett- oder krustenbildender Lebewesen organische Sedimente ( z.B. Muschelkalk, Korallenriffe, Algen-stöcke ), die ebenfalls schichtweise abgelagert oder aufgebaut und übereinandergestapelt sind. Rückstandsgesteine entstehen bei un-vollständigem Abräumen des Verwitterungsschuttes im Abtragungsgebiet. Sie geben Hinweise auf die ehemalige Verbreitung früher vorhandener Gesteinsbildungen. Von den eis- zeitlichen Gletschern mitgeführtes Gestein aus den Alpen ist in einzelnen Blöcken ( Findlinge, erratische Blöcke ) oder wallförmigen Haufen ( Moränenwälle ) am damaligen Eisrand in den Voralpen, im Jura und im Mittelland abgelagert worden. Als Verwitterungsrückstand dokumentiert es noch heute die Ausdehnung der abgetragenen Eiszeitgletscher.
Die Ablagerung der Schneedecke und deren Verfestigung zu Firnschichten sind die Anfangsstadien im Aufbau der Gletscher. Schnee und Firn sind festländische, den Trümmergesteinen vergleichbare Sedimente. Schnee kann wie andere feinkörnige Lockergesteine ( z.B. Löss, Wüstensand ), die durch Wind verfrachtet und umgelagert werden, auch als äolisches ( von Äolus, dem Windgott der alten Griechen verblasenes ) Sediment bezeichnet werden. Die ( akademische ) Frage, ob der aus der Atmosphäre ausgefällte Schnee als Verwitterungsprodukt oder als Witterungs-rückstand zu betrachten sei, ist ausserhalb der Lithosphäre abzuklären und wird hier offen gelassen. Die Verfestigung von Schnee zu Firn ist der Verfestigung anderer Lockergesteine, etwa von Sand zu Sandstein, nur dann vergleichbar, wenn sie - wie in polaren Gletschern - bei tiefen Temperaturen in trockenen Schichten abläuft. Andernfalls ist sie -wie in alpinen Gletschern - durch Schmelz- und Ge-frierprozesse beschleunigt und erzeugt einen grobkörnig-kristallinen Firn, der als Umwand-lungsgestein zu betrachten ist.
Umwandlungsgesteine ( metamorphe Gesteine ) Diese entstehen bei gebirgsbildenden Vorgängen, die mit Verschiebungen und Verformungen in grossräumigen plattenförmigen Bereichen der Erdkruste ( Plattentektonik ) verbunden sind. Dabei werden die erfassten Gesteine im Schichtverband verbogen ( Faltung ), zerbrochen ( Brüche ), verschoben ( Überschiebung ) und dadurch oft in tiefere Bereiche der Erdkruste abgesenkt, wo sie wesentlich höheren Drücken und Temperaturen ausgesetzt sind als im Entstehungsgebiet. Mit steigenden Drücken und Temperaturen wird auch ihr inneres Gefüge in zunehmendem Masse verändert. Diese innere Umwandlung ( Metamorphose ) geht mehr oder weniger weit über die normale, durch den Überlagerungsdruck erzeugte Verfestigung ( Diagenese ) hinaus.
Schieferung, Fältelung, Einregelung, Kornwachstum und Umkristallisation sind einige typische, durch Metamorphose erzeugte Veränderungen, die teils von blossem Auge, teils nur unter dem Mikroskop wahrnehmbar sind. Schwache Metamorphose verändert das umgewandelte Gestein wenig. Bei starker Metamorphose wird es teilweise umgeschmolzen zu Mischgestein ( Migmatit ), im Extremfall vollständig umgeschmolzen zu Aufschmel-zungsgestein ( Anatexit ), das von magmati-schem Erstarrungsgestein kaum zu unterscheiden ist. Umwandlungs- und Erstarrungsgestein ist häufig in einer Gruppe zusammengefasst und als Kristallingestein dem ( unmeta-morphen ) Sediment- oder Schichtgestein gegenübergestellt. Kristallines Gestein ist als Grundgebirge überall verbreitet. Sedimentgestein ist als Deckgebirge über weite Gebiete abgetragen und nur stellenweise erhalten geblieben. Umgewandelte Erstarrungsgesteine werden als orthokristalline ( echt, seit eh und je kristalline, in diesem Sinne ) Gesteine von den parakristallinen ( unecht, auf Umwegen kristallin gewordenen ) Gesteinen unterschieden, die als Sediment entstanden und nachträglich umgewandelt sind. Im Aufbau der Gletscher durch die Umwandlung von Schnee zu Firn und Eis vollzieht sich die Metamorphose vom Sediment zum Parakristallin bei sehr geringen Drücken ( unter 500 Bar ) und niedrigen Temperaturen ( unter 0 Grad ) in geringer Tiefe ( bis 4000 Meter ) und auf kleinem Raum innert kurzer Zeit ( Tagen bis Jahrzehnten ) der jüngsten Vergangenheit und laufend in der Gegenwart. Die vorgängig angedeute- ten und viele andere typische Erscheinungen der Gesteinsumwandlung sind in zahllosen Abwandlungen an jedem Gletscher erkennbar. Dazu gehört vor allem auch die generelle Gliederung mit sedimentären Deckschichten im Oberbau, hochmetamorphen Kristallinmassen im Unterbau. Zu den Besonderheiten der Gletscher im Zusammenhang mit der Gesteinsbildung gehört der Umstand, dass sich aufbauende und abbauende Vorgänge in zeitlich und räumlich eng begrenzten veränderlichen Bereichen und in häufigem Wechsel ablösen. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, den Aufbau und den Abbau eines räumlich begrenzten Gesteinskörpers zu messen und bilanzmässig zu vergleichen. Vorwiegend aufbauende Vorgänge im Nährgebiet führen zu einer ständigen Erneuerung des Oberbaus ( Firngebiet ). Vorwiegend abbauende Vorgänge im Zehrgebiet regeln die Begrenzung des Unterbaus ( Zungengebiet ).
Minerale und Gesteine Gesteinsartige Bildungen aus Eis entstehen in der Natur - wie oben dargestellt - in ebenso vielfältiger und grundsätzlich gleicher oder ähnlicher Weise wie andere Gesteine. Und wie diese lassen sie sich in die vorbeschriebene Gliederung nur dann einordnen, wenn die Ent- Abb.4und 5 Bei grossem Kälteunter-schied ( Boden/Schnee, Schnee/Luft ) wachsen Eiskristalle als Oberflächenreif in blätterförmi-ger ( Abb. 4 ), als Tiefenreif in becherförmiger ( Abb. 5 ) Eigengestalt.
stehungsweise tatsächlich bekannt ist. Dies trifft in vielen Fällen keineswegs zu. Daher braucht der ordnungsliebende Sammler wie der Fachgelehrte weitere Möglichkeiten, Gesteine voneinander zu unterscheiden und gruppenweise zusammenzufassen. Genaue Beobachtung und Beschreibung der äusseren Erscheinung, des inneren Gefüges, der stofflichen Zusammensetzung und weiterer Besonderheiten jedes Gesteins bieten zahlreiche Möglichkeiten zu systematischer Gliederung. Jede Eigenheit ist irgendwie verknüpft mit den Entstehungsbedingungen und gibt einen Hinweis auf die Entstehungsgeschichte. Hinsichtlich seiner Entstehung ist ein Gestein erst dann genau bestimmbar, wenn alle seine Eigenheiten schrittweise mit sämtlichen verfügbaren, z.T. sehr aufwendigen, Untersuchungsmethoden erkundet sind. Die äussere Erscheinung ist an Merkmalen wie z.B. Farbe, Schichtung, Schieferung, Klüftung, Faltung, Fältelung, Korngrösse, Mineralbestand, Dichte, Härte, Festigkeit weitgehend von blossem Auge ( makroskopisch ) erfassbar oder mit einfachen Mitteln und Methoden von Hand messbar. Nur mit starker Vergrösserung ( mikroskopisch ) erkennbar sind die Feinheiten des inneren Gefüges, der Art und Anordnung der mineralischen Bestandteile. Mit chemischen und physikalischen Verfahren ( Analysen ) wird die stoffliche Zusammensetzung aufgeschlossen, wird das Gestein in seine mineralischen und chemischen Bestandteile zerlegt, werden Materialeigenschaften wie Schmelzbarkeit, Löslichkeit, elektrische, magnetische oder akustische Leitfähigkeit u. v. a. ermittelt. In der Beschreibung eines Gesteins sind üblicherweise dessen wichtigste Merkmale aufgezählt. In den nachstehenden - bei weitem nicht vollständigen - Beschreibungen der häufigsten im Gletscher vorkommenden aus Eis sind einige gemeinsame Merkmale wie Farbe, Mineralbestand und Chemismus ausgeklammert und vorgängig besprochen.
Minerale sind die kornförmigen, in sich einheitlichen ( homogenen ) Bauteile, aus denen die Gesteine zusammengesetzt sind. Auf Kluftflächen sind sie oft als regelmässig gestaltete Kristalle aufgewachsen. Die Eigengestalt der Kristalle, begrenzt durch geometrische, nach bestimmten Symmetrieregeln angeordnete Flächen, ist typisch für das Mineral. Ihre Symmetrie ist begründet in der festen, gitterförmigen Anordnung der chemischen Bauteile, die als Atome oder Moleküle im Kristallgitter eingebaut sind. Im Gestein sind die Mineralkörner mosaikartig aneinandergefügt oder ineinander verzahnt und oft durch eine zementartige Füllung der porenförmigen Zwischenräume verkittet. Meistens fehlt ihnen die Eigengestalt der Kristalle, da sie als Bruchstücke abgelagert wurden oder sich beim Auskristallisieren gegenseitig behinderten.
Typische Eigenschaften, in denen sich Minerale unterscheiden und nach denen sie bestimmt werden, sind neben Kristallform und Symmetrie auch Farbe, Glanz, Härte, Spaltbarkeit, Bruch, spezifisches Gewicht, optische und andere Eigenschaften. In der Regel werden Minerale geordnet nach ihrer chemischen Zusammensetzung, die sie ja verkörpern als feste Form, in der chemische Stoffe in der Natur ( auch ausserhalb der Lithosphäre, z.B. als Nierensteine, Schneckenhäuser, Kesselstein ) auskristallisieren und unter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen beständig sind. Dazu gehören wenige Elemente wie z.B. Gold, Schwefel oder Kohlenstoff, der je nach Entstehung als Kohle, Graphit oder Diamant unterschiedlich ausgebildet ist. Grösstenteils sind es chemische Verbindungen, vor allem solche des Sauerstoffs ( Oxyde ), Salze und Erze ( Halogenide, Sulfide, Sulfate, Silikate, Karbonate, Phosphate usw. ). Wie Quarz ( Siliziumoxyd SiO2 ), das häufigste aller Minerale, gehört auch das Mineral Eis ( Wasser-stoffoxyd H20 ) zu den Sauerstoffverbindun-gen. Weitere Gemeinsamkeiten von Quarz und Eis sind die farblose Klarheit des reinen Kristalls, weisse Farbe des trockenen pulver-förmigen Minerals, schlechte Spaltbarkeit, spröde Schlagfestigkeit und sechszählig axiale ( hexagonale ) Symmetrie der Kristallformen. Im Unterschied zu den für Quarz typischen stengeligen und nadeligen Vollprismen sind sternförmige, oft skelettartig verzweigte Gebilde ( Dendriten, Schneesterne ) und becherförmige Hohlprismen ( Schwimmschnee ) häufige und charakteristische Eigengestalten des Eiskristalls. Die unterschiedliche Ausbildung der Eiskristalle in verschiedenen Schneeschichten hat massgebenden Einfluss auf die Festigkeit und die Tragfähigkeit der Schneedecke. Sie ist bekanntlich im Zusammenhang mit der Entstehung von Schneelawinen von grosser praktischer Bedeutung. Besonderheiten des Minerals Eis, in denen es sich von den meisten andern Mineralen unterscheidet, sind wie die geringe Dichte ( geringer als die des Wassers ), die niedrige Gefrier-oder Schmelztemperatur und die schlechte Wärmeleitfähigkeit von entscheidender Bedeutung vor allem für die Lebewelt, oder sie sind wie die plastische Verformbarkeit unter andauernder Druckbelastung, die begünstigt ist durch die schichtförmige Struktur des Kristallgitters, massgebend vor allem für das Fliessen des Eises im Gletscher.
Wie der trockene Pulverschnee erscheinen uns auch andere feinkörnige, poröse und trockene Eisgesteine in reinem Weiss. Das kalte Eis des Grenzgletschers z.B. ist nicht nur kälter ( um 3-4 Grad ), sondern - weil trockener, feinerkörnig und poröser - auch sichtlich weisser als das temperierte ( auf Null Grad erwärmte ) Eis im angrenzenden Gornergletscher. Nässe und beigemengte staubförmige Fremdstoffe wie Flugsand, Vulkanasche, Blütenpollen, Algen, Rauch, Russ und andere Aerosole bewirken ein Nachdunkeln des weissen Schnees zu grauem Schnee oder Verfärbungen zu gelbem oder rotem Schnee. In den Alpen sind gelbe oder rote Schneelagen häufig durch Wüstenstaub aus der Sahara verfärbt. Beim Schmelzen werden die Staubteilchen an der Schneeoberfläche angereichert. Gegebenenfalls werden sie als trüber Schmutzhorizont ( Sommerschicht ) im Firn eingebettet und bleiben als deformierte Schichtstruktur oft auch im Gletschereis sichtbar. Abschmelzen von Firn und Eis führt zu weiterem Anreichern staubförmiger Rückstände in einem schmierigen Belag aus schwärzlichem Schlamm ( Kryokonit ), der sich in Vertiefungen der Eisoberfläche, oft in typischen Schmelztrichtern ( Kryokonitlöchern ) Abb. 6 Schnee, der den Sommer überdauert, wird als Firn ( : fernjähri-ger, letztjähriger Schnee ) eingeschichtet. Winterschneedecke 1963 mit Wächtenbehang, Firnschichten 1959-1962 im Ebenfluhfirn. An vereisten Sommerhorizon- ten ( Schmelzoberflächen ) ausgesickertes Schmelzwasser ist in schichtweise aufgereihten Eiszapfen erstarrt. Die Wächte ist eine typische Windablagerung ( äolisches Sediment ).
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Abb.7bis10 Wasserdurchlässiger Firn wird undurchlässiges Gletschereis, wenn das Porennetz zwischen den Eiskörnern in schlauchförmige Luftbläschen aufgeteilt ist ( Abb. 7 ). Fortdauernde Umwandlung mit Wachstum der grossen auf Kosten der kleinen Eiskörner komprimiert sie zu kugeligen ( Abb. 8 ), später oval verformten, in die schichtförmige Kristallstruktur der Eiskörner eingeregelten Einschlüssen ( Abb.9 ). Massiger kristalliner Eisfels ist das Endprodukt ( Abb. 10 ).
ansammelt und talwärts zunehmend dunklere Färbung der Gletscheroberfläche bewirkt. In der gleichen Weise reichert sich im übrigen auch der von Lawinen, Steinschlag und Felsstürzen in den Gletscher eingetragene grobka-librige Gesteinsschutt im Abschmelzungsge-biet zu Mittel- und Obermoränen an.
Die meisten Gesteine sind aus mehrerlei Mineralen in unterschiedlichen Anteilen zusammengesetzt, in der Regel aus wenigen Hauptgemengteilen, allenfalls einigen Neben-gemengteilen und etwelchen in spurenhaften Mengen beigefügten Übergemengteilen. Viel weniger häufig, aber keineswegs selten sind Gesteine, die - abgesehen von Übergemengteilen - aus einem einzigen Hauptgemengteil bestehen. Solche ( monomineralischen ) Gesteine kommen namentlich als sedimentäre und davon abstammende parakristalline Bildungen vor wie z.B. jene aus Quarz als lockerer Quarzsand, fester Quarzsandstein und me-tamorpher Quarzit. Bei den monomineralischen sedimentären und parakristallinen Gesteinen lassen sich auch die nachfolgend be- schriebenen, am Aufbau der Gletscher hauptsächlich beteiligten Gesteine aus Eis einordnen.
Gesteine aus Eis Im frisch abgelagerten, flaumig leichten Pulverschnee, dem noch völlig unverfestigten Lockergestein ( Raumgewicht 10-100 kg/m3 ), liegt das Mineral Eis in der Form vor, wie es beim Gefrieren von Wasserdampf in der Atmosphäre auskristallisiert: als sechsstrahlige, oft vielfältig verästelte Schneesterne, die einzeln oder in Flocken zu mehreren ineinander verzahnt niederfallen. Bei trockener Kälte und schwachem Wind entstehen an der Oberfläche blätterförmige Eiskristalle ( Rauhreif ).
Bei starkem Wind und grosser Kälte verfilzen die zerbrechlichen Gebilde alsbald zu dichtgepackten Oberflächenschichten ( Windharsch ) oder werden in dünenförmigen Ablagerungen ( Schneewehen, Sastruggi ) eingerüt-telt und somit trocken verfestigt. Bei Temperaturen nahe am Schmelzpunkt verderben die Schneesterne zu rundlichen Körnern und verdichten ( setzen ) sich zu , einem wenig verfestigten, aber bereits leicht metamorphen Schichtgestein.
Wiederholtes Anschmelzen und Gefrieren bei häufigen Frostwechseln vergröbert die locker gefügten Körner und verbindet ( sintert ) sie zu körnig-kristallinem ( Raumgewicht 400-500 kg/m3 ), einem teil- oder zeitweise verfestigten wasserdurchlässigen Ober-flächengestein, als ( Sulzschnee ) vom Tourenfahrer mehr oder weniger geschätzt ( je nach Zustand des Schnees und persönlicher Vorliebe ). Als Winterschneedecke erscheint und verschwindet das Sediment Schnee samt seinen Umwandlungen bis zum Altschnee jahreszeitlich auch in weiten Gebieten ausserhalb der Gletscher. Als wirtschaftlich genutzter Rohstoff ( Wasserhaushalt, Wintertourismus ), aber auch als Naturgewalt ( Schneelasten, Verwehungen, Lawinen ) ist es in mancher Hinsicht von praktischer Bedeutung. Schnee- und Lawinenkunde ( Nivologie ) befasst sich als eigenständiges Spezialgebiet der Eis- und Gletscherkunde ( Glaziologie ) mit der wissenschaftlichen Erforschung der Schneehülle.
Wo die Winterschneedecke den Sommer überdauert, verhärtet Altschnee zu grobkör-nig-kristallinem ( Raumgewicht 600-850 kg/m3 ), einem porösen, wasserdurchlässigen parakristallinen Hartgestein, in dem die sedimentären Schichtstrukturen ausser in verstürzten Spaltenzonen ( Firnbrüchen ) verhältnismässig wenig gestört sind. Unter der zunehmenden Last der Jahr für Jahr zugefügten Firnlagen wachsen die Eiskörner immer inniger zusammen, bis der anfänglich als Porennetz zusammenhängende Hohlraum zwischen den Körnern sich auflöst in einzelne Gasbläschen.
Damit ist die Umwandlung zum kompakten, felsig-massiven wasserundurchlässigen Kristallingestein ( Gletschereis ) ( Raumgewicht 850-917 kg/m3 ) im wesentlichen vollzogen, aber keineswegs abgeschlossen. Unter trockenen Bedingungen, wie in den kalten polaren Gletschern mit Eistemperaturen weit unter dem Druckschmelzpunkt ( bis -80 ° C ), dauert die Metamorphose von Schnee zu Gletschereis rund ein Jahrhundert. In temperierten, auf den Druckschmelzpunkt des Eises ( je nach Eisdicke 0 bis -2 ° C ) erwärmten Gletschern milderer Klimazonen läuft sie, durch Tauen und Gefrieren der Oberfläche, Einsickern und Wiedergefrieren von Schmelzwasser in tieferen Schichten beschleunigt, innert weniger Jahre ab. In der Folge dauert sie auch im Gletschereis weiter an. Umkristallisation und Kornwachstum durch Verformung und Bewegung, Aufschmelzen und Wiedergefrieren erzeugen sogar in kleinen flachen Gletschern hochmetamorph kristallines Eis, das in mancher Hinsicht den Aufschmelzungsgesteinen vergleichbar ist, obwohl die ursprünglichen Schichtstrukturen oft noch erkennbar sind. In grossen und steilen Gletschern mit grösseren verformenden Kräften und zusätzlich auftretenden Spannungen durch Gleitbewegung, Rutschungen in Steilstufen oder Pressungen in Talengen können Schieferungs- und Fälte-lungsstrukturen entstehen, wie sie für Mischgesteine typisch sind. In Eisbrüchen oder durch Lawinen geschüttetes blockiges Trümmergestein aus Schnee, Firn oder Eis, meist vermischt mit anderem Gesteinsschutt, regeneriert durch Metamorphose zu konglomeratischem oder brekziösem Gletschereis.
Wie Sand und Sandstein sind Schnee und Firn poröses Gestein, worin das Schmelzwasser ähnlich wie Grundwasser als Sickerstrom abfliesst. An der Grenze zwischen Firn und Eis ( Firngrenze ) tritt es in Hangquellen oder in flachen Schneesümpfen zutage und kann an der Oberfläche auffrieren als . In Spalten aufgefangenes Wasser kann zu klarem, durchsichtigem Eis erstarren, das als ( Blaueis ) das körnige Gletschereis und dessen Strukturen band- oder gangartig durchschneidet. Auf kompaktem Gletschereis fliesst das Schmelzwasser in mäandrierenden Gerinnen an der Oberfläche, bis es durch Spalten in die Tiefe geleitet wird und wie in Karstgestein durch höhlenförmig gewundene Kanäle im Innern oder an der Sohle des Gletschers den Eisrand erreicht. Als Bach- oder Flussquelle entströmt es häufig einem bogenförmigen Torgewölbe ( Gletschertor ). Je nach der Menge des anfallenden Schmelzwassers entstehen im intra-und subglazialen Entwässerungsnetz kurzfristige ( stündliche bis tägliche ) und längerfristige ( jahreszeitliche ) Schwankungen des Wasserdrucks, die massgebend sind für die Gleitbewegung des Gletschers.
Gletscher enthalten stets auch andere Gesteine, die teils während der Ablagerung dem Schnee, teils später dem Eis beigemengt, beim Schmelzen an der Oberfläche angereichert und schliesslich am Gletscherrand abgeladen und als Rückstandsgestein in eisfrei gewordenem Gebiet hinterlassen werden, teils in wallförmig aufgeschütteten Haufen ( Stirn-und Seitenmoränen ), teils als schichtförmig ausgestrichener Belag ( Grundmoräne ) und teils als einzeln abgesetzte Blöcke ( Findlinge ), teilweise durch Schmelzwasser verschwemmt zu Schotterfluren und durch Wind verfrachtet zu Lössablagerungen. Ihre früher erwähnte Bedeutung für die Rekonstruktion der eiszeitlichen Vergletscherungen und Klimaschwankungen ist ausführlich dargestellt in den am Schluss zitierten Übersichtswerken ( vgl. Literaturhinweise ). Dort ist auch gezeigt, wie die im Gletschereis eingeschlossenen Gase und Staubteilchen zusammen mit der atomaren Zusammensetzung des Eises ( Isotopenanteile ) an Bohrkernen aus hochalpinem kaltem Firn und Eis am Colle Gnifetti ( Monte Rosa ) und aus den polaren Eisschilden am Südpol und in 14 Abb. 14 bis 16 Regenglätte bringt Strukturen und Gefüge im Gletschereis zum Vorschein wie hier am Grossen Aletschgletscher, z.B. Faltung ( Abb. 14 ), Schieferung ( Abb. 15 ) oder Bänderung ( Abb. 16 ), wie sie in Mischgesteinen vorkommt.
Grönland untersucht werden, um Einblick in die natürliche, vom Menschen nicht beeinflusste Umwelt zu erhalten und um schlüssige Angaben über das Ausmass der tatsächlich erfolgten Beeinträchtigung zu erarbeiten. Proben vom Colle Gnifetti ( 4500 m ) liefern verlässliche Angaben über Veränderungen der Luft im Alpenraum während der letzten 100 Jahre. In Grönland und in der Antarktis, wo die Schichtfolgen der letzten 130 bzw. 160 Jahrtausende durchbohrt sind, wird die Klimaentwicklung seit der vorletzten Eiszeit für die Umweltforschung zunehmend erkennbar.
Gletscher - ein Gesteinsverband, eine geologische Formation Im Gletscher sind die vorbeschriebenen gesteinsartigen Eisbildungen in charakteristischer Weise angeordnet und entstehungsbe-dingt eng und untrennbar miteinander verbunden zu einer räumlich begrenzten, in geologi- sehen Landkarten erfassbaren ( kartierbaren ) Einheit. Nach dieser Beschreibung entsprechen sie ziemlich genau der Definition eines Gesteinsverbandes, den Geologen in ihrer Fachsprache als bezeichnen. In der geologischen Formation treten die Gesteine ( Schnee, Firn, Gletschereis ) in kennzeichnender Weise als Gesteinsverband auf, in dem die zeitliche Abfolge ihrer Entstehung räumlich abgebildet ist. Ungewöhnlich allerdings ist der Umstand, dass sich innerhalb dieses Verbands die Umwandlung vom lockeren Sediment zum hochmetamorphen Kristallin vollzieht. Diese kennzeichnende Eigenheit und vor allem auch die eng begrenzte Beständigkeit und entsprechend grosse Veränderlichkeit der Formation ( Gletscher ) unterscheidet sie als besondere Formation von ( fast ) allen andern geologischen Formationen.
Gletscher sind Lagerstätten nutzbarer und vielfältig genutzter Gesteine aus Eis, der mineralischen Form des lebenswichtigen Rohstoffs Süsswasser. Bergmännischer Abbau von Gletschereis, das vor allem im Gastgewerbe und in Brauereien zu Kühlzwecken verwendet wurde, war zeitweise - vom Anschluss des Alpenraums an das Eisenbahnnetz ( verbesserte Transportmöglichkeiten ) bis zum Anschluss an das elektrische Versorgungsnetz ( Verbreitung des Kühlschranksan zahlreichen Alpengletschern im Gang. Bereits in früherer
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16 15 Zeit haben Gemsjäger ihre Beute, Gastwirte z.B. am Steingletscher ihre Fleischvorräte in Gletscherspalten aufbewahrt. Viel wichtiger als die direkte Nutzung zu Kühlzwecken ist die indirekte Nutzung der Gletscher als Wasserspeicher seit Jahrhunderten für die Landwirtschaft, heute vor allem für die Wasser- und Energiewirtschaft. Ebenso wichtig, in ständig zunehmendem Masse seit etwa 200 Jahren, ist die Nutzung durch das Freizeit- und das Gastgewerbe. Die besondere Formation ( Gletscher ) ist in den Schweizer Alpen immer noch eine sehenswürdige Naturerscheinung, obwohl sie immer mehr nicht nur durch natürlichen Schwund verbraucht, sondern da und 85 »v T " Abb. 20 Spröder Bruch erzeugt unter Zugbelastung Gletscherspalten 20 dort auch durch technische Anlagen als Sportplatz zu allgemeinem Gebrauch erschlossen wird.
Vereisungen der Erdoberfläche Gletscher und andere natürliche Eisbildungen sind heute vorwiegend in den polaren Gebieten Arktis und Antarktis, ausserdem in zahlreichen Gebirgen aller Erdteile - ausser Australiens - verbreitet. In der erdgeschichtlichen Vergangenheit sind Vergletscherungen und andere Vereisungen in Zeitabständen von rund 300 Millionen Jahren und mit Schwankungen um ein Mehrfaches der heutigen räumlichen Ausdehnung verschiedentlich in manchen jetzt unvereisten Gebieten -auch Australiens - aufgetreten. Vor 2 bis 3 Jahrmillionen hat die jüngste Epoche solcher grossräumiger Vergletscherungen eingesetzt. Seither haben sich kalte und warme Perioden, Eiszeiten mit arktischem Klima in polaren bis mittleren Breiten, Zwischeneiszeiten mit ähnlichen Klimazonen wie heute, in regelmässiger Folge nach jeweils 100 bis 120 Jahrtausenden abgelöst. Massgebend für den periodischen Wechsel sind in erster Linie ständige in der Bewegung der Erde ( um ihre eigene Achse und um die Sonne ) auftretende Schwankungen, wie sie ähnlich beim Rotieren eines frei beweglichen Kreisels zu beobachten sind. Sie bestimmen weitgehend die Menge der eingestrahlten Sonnenenergie und damit den Wärmehaushalt an der Erdoberfläche. Ihre Gesetzmässigkeiten werden von den Astronomen erforscht und berechnet. Gemäss den neuesten derartigen Berechnungen ist der Wechsel von der letzten Warmzeit zur nächsten Eiszeit im Gang.
Gegenwärtig herrschen noch warmzeitliche Klimaverhältnisse mit verhältnismässig wenig verbreiteten Eisbildungen. Dabei ist rund ein Neuntel der festen Erdoberfläche mit Gletschern bedeckt. Etwa ein Siebentel ist dauernd vereist mit ganzjährig gefrorenem unver-gletschertem Boden ( Dauer- oder Permafrost ). Im Wechsel der Jahreszeiten schwankt Abb. 21 bis 23 Ebenso ( vgl. Legende zu Abb. 20 ) erzeugt spröder Bruch unter Zugbelastung Eisbrüche ( Abb. 23 ) und Abbruch- oder Kalbungsfronten sowie unter Schlagbelastung Trümmereis ( Abb. 22 ), das zu konglomeratischem Gletschereis regeneriert ( Abb. 21 ).
Tabelle I. Verteilung des Wassers auf der Erde Tabelle 2. Verteilung der Gletscher Wasservolumen Mill, km3 Prozent a ) Gesamte Wassermenge:
a ) auf der Erde:
Fläche Eisvolumen Mill, km2 Mill, km3 Prozent Antarktis Grönland übrige Gebiete total b ) in den Alpen:
13.6 30.1 91.5 1.7 2.6 7.9 0.6 0.2 0.6 15.9 32.9 100.0 Gletscherfläche km2 Prozent 1342 46.1 607 20.9 542 18.6 417 14.3 1 0.03 Schweiz Italien Österreich Frankreich Deutschland total 2909 100.0
123 die Schnee- und Eisbedeckung des Festlands zwischen ungefähr einem Viertel der Fläche am Ende des Südwinters und etwa der Hälfte der Fläche am Ende des Nordwinters. Die Ozeane sind auf gut einem Fünftel ihrer Fläche teils ganzjährig, teils jahreszeitlich zugefroren. Etwa ein Drittel dieser Eisfläche besteht aus Meereis ( gefrorenem Meerwasser ), rund zwei Drittel sind belegt mit Gletschereis ( gefrorenem Süsswasser ).
Die gesamte Wassermenge auf der Erde besteht zum weitaus grössten Teil aus Meerwasser ( rund 97 Prozent ). Der geringe Anteil des Süsswassers ( knapp 3 Prozent ) beträgt schätzungsweise 38 Millionen Kubikkilometer ( s. Tabelle la ). Davon sind gut drei Viertel in fester Form oberirdisch gelagert, als Gletschereis vorwiegend in Gletschern dem Festland aufliegend, zum Teil auch in Eisbergen oder in Eisschelfen polarer Gletscher an der Meeresoberfläche schwimmend. Der Rest ist — abgesehen von jahreszeitlichen Eisbildungen -in flüssigem Zustand gespeichert, grösstenteils unterirdisch, als Grundwasser in oberflächennahen Schichten der Lithosphäre. Ober-irdisch, als See- und Flusswasser in Binnengewässern des Festlands, ist knapp 1 Prozent des gesamten Süsswasservorrates aufbewahrt ( Tab. 1b ).
Der bescheidene Beitrag der Alpengletscher zur Gesamtmenge an Gletschereis ( Tab. 2a ) beschränkt sich auf wenige Hundert Kubikkilometer. Das ist ungefähr ein Hundert-tausendstel der gesamten irdischen Eismenge oder etwa ein Tausendstel des Eises, das ausserhalb der Arktis und der Antarktis vorkommt. In den Gletschern der Schweizer Alpen ist nahezu die Hälfte des Alpeneises gespeichert ( Tab. 2b ).
Schlussbemerkungen Im vorliegenden Aufsatz sind Gletscher aus - hierzulande eher ungewohnter - geologischer Sicht dargestellt. Im Bestreben, Ver-wandtschaften zwischen Eisbildungen und Gesteinen, Gletschern und Gesteinsverbän-den aufzuzeigen, sind gemeinsame Merkmale betont. Besondere Eigenheiten, in denen sich Eisgesteine und Gletscher von andern Gesteinen und Formationen unterscheiden, sind zumeist nur angedeutet, wenn nicht ganz weggelassen. Sie sind in zahllosen gletscherkundlichen Arbeiten hervorgehoben und ausführlich erörtert. Solche Eigentümlichkeiten, die an Gletschern der Schweizer Alpen oder anderer Gebirge untersucht werden, sind in den nachstehend zitierten Übersichtswerken allgemeinverständlich dargestellt. Untersuchungen über Zusammenhänge zwischen Gletscherveränderungen und Klimaschwankungen sind seit jeher, und heute mehr denn je, in weltweitem Rahmen Schwerpunkte gletscherkundlicher Forschungsprojekte, zu denen langfristige Gletscherbeobachtungen massgeblich beitragen. In den ebenfalls zitierten Gletscherberichten wird über systematisch erfasste Gletscherveränderungen in der Schweiz seit 1880 jährlich, auf internationaler Ebene seit 1894 mehrjährlich rapportiert.
Literaturhinweise Die Schweiz und ihre Gletscher. Hsg. Schweiz. Verkehrszentrale, Verlag Kümmerly+Frey, Bern 1979 Klima - unsere Zukunft? Hsg. Schweiz. Kommission für Klima- und Atmosphärenfor-schung, Verlag Kümmerly+Frey, Bern 1987 Die Gletscher der Schweizer Alpen im Jahr... / Variations des glaciers suisses en... 1 .109. Jahresbericht in: Echo des Alpes 1881 und 1882, Jahrbuch des SAC 1883-1924, Zeitschrift DIE ALPEN 1924-1989 Fluctuations of glaciers l—V. Internat. Fünf-jahresberichte 1959-1985, Hsg. IAHS ( ICSI ) -UNEP - UNESCO, in Fortsetzung der internat. Jahres- oder Mehrjahresberichte 1894-1958, Hsg. vorm. Internationale Gletscherkommission, 1895-1960 Bildnachweis Les Avalanches CRDP et CDDP de l' Académie de Grenoble, ANENA Grenoble Abb. 2, S.213: Etoile de neige. Cliché E.Pa-haut, CEN-Météo ( Bild Nr. 3 ) Abb.3, S.213: Grains fins arrondis. Cliché F. Delsol, CEN-Météo ( Bild Nr. 25 ) Abb. 5, S. 215: Gobelets. Cliché E. Pahaut, CEN-Météo ( Bild Nr.27 ) Die Schweiz und ihre Gletscher SVZ Zürich, Verlag Kümmerly + Frey Abb. 1, S.213: Auf dem Zwillingsgletscher.
Photo: U. Schotterer, Universität Bern, April 1978 ( Bild Nr.3, S. 110/111 ) Abb. 7 und Abb. 8, S.218: Gaseinschlüsse im Eis. Photo: P. Bucher, Universität Bern, Juli 1975 ( Bilder Nr. 10 und 11, S. 113 )