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Eis unter der Lupe Wissenschaftlicher Blick ins Herz der Eisfälle
Gefrorene Wasserfälle faszinieren, stabil sind sie aber nicht immer. Ja, sie verschwinden mitunter über Nacht. Forscher aus Grenoble haben frei stehende Eisfälle unter die Lupe genommen. Die Resultate dieser Pionierstudie sind zwar nicht überraschend aber interessant, vor allem fürs Eisklettern.
Am Abend war sie noch da, die Säule aus massivem Eis. Am Morgen war der Eisfall verschwunden, spurlos. Was war passiert? Warum kollabierte er in einer einzigen Nacht? Eigentlich müsste Eis zurückbleiben. Die «free-standings» sind nur etwas für versierte Eisfallkletterer, die senkrechten Gebilde sind oben und unten mit dem Fels verbunden, haben aber keinen Kontakt mit dem Fels daneben. Sie stehen frei. Und sie können jederzeit in sich zusammenfallen, das macht das Klettern hier so delikat. Die Eisfälle stehen wegen der Temperaturschwankungen unter Spannung, die Schläge der Kletterer mit den Eisgeräten verstärken diese.
Ein Pionierprojekt
Mit dem Ziel, diesen Phänomenen auf die Spur zu kommen, haben Forscher des Laboratoire de Glaciologie et de Géophysique de l’Environnement de Grenoble ein Forschungsprojekt aufgegleist, das in dem Bereich eine Premiere ist.1 Begleitet von Experten der Kletterszene und einem Glaziologen, haben sie wissenschaftliche Antworten auf die Fragen der Eisfall-kletterer gesucht. Wie fest ist die Säule? Welches sind die Faktoren, die sie zum Kollabieren bringen? Wann ist es sicher, an der Säule zu klettern? Drei frei stehende Eisfälle in grosser Höhe wurden ausgewählt, man wollte sicher sein, dass sie den ganzen Winter hindurch Eis bildeten. Die Wahl fiel auf die Eisfälle «Nuit Blanche» und «Shiva Lingam» im Tal des Glacier d’Argentière und auf die «Cascade de Rovenaud» im Valsavarenche in Italien.
In der vier Jahre dauernden Forschungsphase (2006–2010) wurden Messsonden für Druck und Temperatur und automatische Fotokameras installiert; dazu wurden während des ganzen Winters Proben entnommen.
Progressives Wachstum
Aufschluss über das Wachstum der Eisfälle lieferten Fotos, welche die vom Glaziologen Luc Moreau installierte Kamera geschossen hatte, Messungen der Temperatur von Eis und Luft und die Proben. Es zeigte sich, dass sich Eisfälle durch das Zusammenwachsen von zahlreichen dickeren und dünneren Stalaktiten bilden. Die Struktur, die daraus entsteht, ist von Kanälen durchzogen, durch die das Wasser fliessen kann. Die Gesamtstruktur wächst progressiv in Abhängigkeit zur Gesamtsumme der Minustemperaturen, dem sogenannten Kältepotenzial. Dieses Wachstum verläuft aber nicht linear, nach etwa einem Monat kommt es zu einer Sättigung. Sie erklärt sich folgendermassen: Je mehr das Volumen des Gebildes zunimmt, desto stärker wird auch der Bereich mit dem zirkulierenden Wasser von der kalten Umgebungsluft isoliert, weil Eis ein sehr guter Wärmeisolator ist. Sobald das Wasser die Oberfläche nicht mehr erreicht, hat der Eisfall keine oder fast keine «Nahrung» mehr. Er hört auf zu wachsen. Allerdings kann eine neue Wachstumsphase beobachtet werden, wenn örtliche Rissbildungen ermöglichen, dass das Wasser wieder an die Oberfläche gelangt.
Ein oft abruptes Ende
Während das Wachstum langsam vor sich geht ist, kann die Zerstörung urplötzlich erfolgen. Auf den Bildserien der Fotokameras ist zu sehen, dass oben an der Eissäule horizontale Risse auftreten. Diese Risse können auf eine mechanische Einwirkung durch Zug zurückgeführt werden, der auf den Eisfall wirkt. Aber woher kommen diese Zug-kräfte? Das Gewicht der Eissäule selber «zieht» zwar am oberen Verankerungspunkt, aber die Zugkraft ist zu klein, um solche Risse zu verursachen. Das Gleiche gilt natürlich auch für das Gewicht eines Kletterers, der im Eisfall hängt.
Die Hauptursache der Kräfte, die auf den Eisfall wirken, bis er kollabiert, sind die grossen Temperaturschwankungen. Wie fast alle festen Körper dehnt sich auch Eis aus, wenn es wärmer wird, und zieht sich zusammen, wenn es kälter wird. Wärmeres Eis hat also mehr Volumen als kälteres. Stellt man sich die Eissäule vor, die oben und unten fest mit dem Fels verbunden ist, erkennt man: Das Eis hat keinen Platz, um die Längenänderungen auszugleichen. Wenn sich das Eis nach einer Erwärmungsphase also wieder zusammenzieht, hat das zur Folge, dass auf den oberen Verankerungspunkt Zug-kräfte wirken. Diese Kräfte sind enorm. Eine Überschlagsrechnung zeigt, dass schon ein Rückgang der Eistemperatur um 2 °C reicht, damit die Grenze der Zerreissfestigkeit (ein Wert, der für Eis gut bekannt ist) erreicht wird und es zum Kollaps des Eisfalls kommen kann.
Spektakuläre Beobachtungen
Diese grobe Rechnung wird differenzierter, wenn die Tatsache berücksichtigt wird, dass die Temperatur progressiv, das heisst immer schneller, sinken kann. Hinzu kommt, dass das Sinken der Lufttemperatur nicht sofort auf die gesamte Säule wirkt. Die Kälte dringt langsam ein, was die innere Spannung der Säule erhöht. Bereits bei einer Abkühlung der Luft von 6 bis 8 °C pro Stunde gerät der Eisfall in einen kritischen Zustand. Ein einzelner Pickelschlag reicht dann aus, um die Struktur massiv zu stören.
Unsere Beobachtungen bestätigten diese theoretischen Überlegungen. So kollabierte der Eisfall «Shiva Lingam» in einer Nacht, in der die Temperatur um rund 10 °C fiel(siehe Grafik S. 30).
Gleichzeitig konnte dank den kontinuierlichen Messungen der Drucksonden der Zusammenhang zwischen schnellen Temperaturveränderungen und einer sprunghaften Erhöhung der Spannung im Eis hergestellt werden. Die Messungen haben aber auch gezeigt, dass langsamere Veränderungen der Temperatur keine Überspannung im Eis auslösen.
Erkenntnisse für Eiskletterer
Wie wählt man also einen Eisfall aus, der sicher erklettert werden kann? Besonders vor grossen Temperaturschwankungen muss man sich in Acht nehmen.
Bei einer «Zigarre» – einer Eissäule, die auf ihrer ganzen Länge am Fels befestigt ist – scheinen Spannungen schneller nachzulassen. Ausserdem sind die sogenannten Stalaktiten – Formationen, die nicht auf dem Boden auftreffen – weniger heikel, denn sie haben den Spielraum, ihr Volumen den Temperaturveränderungen anzupassen. Aufgrund der Studie lässt sich nicht sagen, ob die abrupten Veränderungen rund um die Nullgradgrenze kritischer sind als solche bei tieferen Temperaturen, aber theoretisch sollte es bei den ausgelösten Spannungen keine Unterschiede geben. Schliesslich darf man nicht vergessen, dass «kaltes» Eis von Natur aus brüchiger ist als «warmes» Eis (d.h. nahe bei 0 °C), denn Risse in sehr kaltem Eis breiten sich besser aus.
Die Erkenntnisse aus der Studie können nur die Erfahrungen aus jahrelanger Eisfallkletterpraxis ergänzen oder bestätigen. Auch stellen sich neue Fragen. Die zweite Phase des Projekts hat deshalb begonnen. Diesen und nächsten Winter werden Eisfälle untersucht, die tiefer liegen und deshalb instabiler sind. In Zusammenarbeit mit Forschern der Universität Fairbanks wird auch kälteres Eis in Alaska untersucht.