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Ständig gefrorener Untergrund, sogenannter Permafrost, ist in den Schweizer Alpen hauptsächlich oberhalb der Baumgrenze anzutreffen. Verschiedenste Materialien (Fels, Schutthalden, Moränen etc.) können gefroren sein, wobei Permafrost an der Oberfläche meist nicht direkt sicht- und messbar ist. Es gibt allerdings Landformen, die auf das Vorhandensein von Permafrost hindeuten, beispielsweise Blockgletscher. Permafrost reagiert empfindlich auf Änderungen der Lufttemperatur und der Schneebedeckung.
Als Permafrost bezeichnet man Untergrund, dessen Temperatur in der Tiefe während mindestens zwei Jahren in Folge nicht über 0 °C steigt. Permafrost liegt unter einer bis zu mehreren Metern mächtigen Schicht, die im Sommer auftaut und im Winter wieder gefriert – der sogenannten Auftauschicht. Die Temperaturschwankungen sind an der Oberfläche am grössten und werden mit zunehmender Tiefe kleiner und verzögert. Ab ca. 20 Metern Tiefe sind keine saisonalen Schwankungen mehr messbar.
Permafrost existiert verborgen in Felswänden, Berggipfeln oder in Lockergestein verschiedenster Ausprägung (Schutthalden, Moränen, etc). Eine typische Landform des Gebirgspermafrosts sind Blockgletscher: Diese aus groben Blöcken und Eis bestehenden Schuttmassen kriechen unter dem Einfluss der Schwerkraft mit einer Geschwindigkeit von Dezimetern bis Metern pro Jahr talwärts. In polaren Regionen kann Permafrost eine Mächtigkeit von Kilometern erreichen und sich kontinuierlich über sehr grosse Gebiete erstrecken. Im Alpenraum kommt Permafrost nicht flächendeckend vor und erreicht typischerweise eine Mächtigkeit von einigen Dekametern bis zu wenigen hundert Metern. Gemäss Modellstudien sind gut 5 % der Schweizer Landesfläche Permafrost. Dies entspricht heute etwa der doppelten von Gletschern bedeckten Fläche.
Permafrost Messnetz
Das Schweizer Permafrost-Messnetz (PERMOS) koordiniert die langfristigen Permafrost-Messungen in der Schweiz. PERMOS wurde in den 1990er Jahren von mehreren Forschungsinstituten aufgebaut und ist seit 2000 als operationelles Messnetz in Betrieb. Es wird vom Bundesamt für Umwelt BAFU, der MeteoSchweiz im Rahmen von GCOS Schweiz und der Akademie der Naturwissenschaften Schweiz SCNAT finanziell unterstützt. PERMOS hat die Aufgabe, den Zustand und die Veränderungen des Gebirgspermafrosts in der Schweiz zu dokumentieren. Die folgenden Partner führen die Messungen durch: Universitäten Lausanne, Fribourg und Zürich, ETH Zürich, Fachhochschule Südschweiz SUPSI, und WSL-Institut für Schnee- und Lawinenforschung SLF.
Messgrössen
Derzeit werden an ca. 30 Standorten Messungen zur langfristigen Dokumentation des Zustands und der Veränderungen im Permafrost durchgeführt. Folgende Messgrössen werden dabei erhoben:
Temperaturen im Untergrund und an der Bodenoberfläche:
An 16 Standorten mit Bohrlöchern von bis zu 100 Metern Tiefe werden kontinuierlich Temperaturprofile gemessen. Diese erlauben die Beobachtung von langfristigen Temperaturveränderungen des Permafrosts, aber auch der maximalen Mächtigkeit der jährlichen Auftauschicht. Zur Dokumentation der räumlichen Variabilität der Temperaturverhältnisse werden dazu an über 250 Punkten Oberflächentemperaturen (in 5-10 cm Tiefe) gemessen. Viele dieser Zeitreihen wurden ursprünglich im Rahmen von Forschungsprojekten initiiert und umfassen heute 10–20 Jahre. Die längste Messreihe der Schweiz, das Temperaturprofil im Blockgletscher Corvatsch-Murtèl (seit 1987), ist auch im internationalen Vergleich sehr lang und bedeutsam.
Änderungen des Eisgehalts:
An vier Standorten wird regelmässig der elektrische Widerstand im Boden als 2D-Profil gemessen. Zeitreihen elektrischer Widerstände erlauben Rückschlüsse über Veränderungen im Eis- und Wassergehalt im Boden. An Standorten mit Temperaturbedingungen nahe beim Schmelzpunkt zeigen sich mit dieser Methode Veränderungen im Untergrund selbst dann, wenn die Untergrundtemperaturen bei 0 °C verharren (während der Schmelze von Eis, welche sehr viel Energie braucht). Die umfangreichste Messreihe stammt vom Schilthorn, wo seit 1999 mehrmals jährlich ein solches zweidimensionales Geoelektrik-Profil gemessen wird.
Blockgletschergeschwindigkeiten:
Die Kriechgeschwindigkeit von Blockgletschern gibt Hinweise auf die thermischen Verhältnisse im Untergrund und hilft das Prozessverständnis im Zusammenhang mit dem Sedimenttransport zu verbessern. Auf 16 Blockgletschern werden mindestens einmal jährlich Messmarken mit DGPS oder Tachymeter eingemessen. Die meisten dieser Zeitreihen umfassen heute 10–15 Jahre an Daten. Auf vielen Blockgletschern sind zudem permanente GPS installiert, die auch saisonale Bewegungsschwankungen dokumentieren. Mit Luftbildern lassen sich die historischen Bewegungsraten für viele Blockgletscher bis in die Mitte des 20. Jahrhunderts zurückverfolgen. Solche Luftbildflüge werden im Rahmen des Schweizer Kryosphären-Monitorings weiterhin periodisch durchgeführt.
Beobachtung von Felsstürzen:
Da Veränderungen im Permafrost auch die Stabilität von Felswänden beeinträchtigen können, beteiligt sich PERMOS an der Erfassung von Felsstürzen in der Felssturzdatenbank des SLF.
Permafrostverbreitung in der Schweiz
Die Hinweiskarte der potenziellen Permafrostverbreitung in der Schweiz stellt die Gebiete dar, in denen der Boden möglicherweise ganzjährig gefroren ist.