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PERMOS
Permafrost im Gebirge
Was ist Permafrost?
Permafrost ist ein wichtiges, thermisches Phänomen im Untergrund das in kalten Polar- und Hochgebirgsregionen weit verbreitet ist. Permafrost ist definiert als Untergrundmaterial, welches das ganze Jahr eine Temperature bei oder unter 0 °C aufweist.
Permafrost ist ein wichtiges, thermisches Phänomen im Untergrund das in kalten Polar- und Hochgebirgsregionen weit verbreitet ist. Permafrost ist definiert als Untergrundmaterial, welches das ganze Jahr eine maximale Temperatur von 0 °C aufweist. Permafrost ist in Hochgebirgsregionen zu finden.
Permafrost findet man in allen Arten von Untergrund (wie Fels, Sediment oder Boden) und kann unterschiedliche Mengen an Eis (0–100%) und organischem Material (0–100%) enthalten. In den Schweizer Alpen verbirgt sich der Permafrost typischerweise in Schutthalden- und Felswänden oberhalb der Baumgrenze. Im Lockermaterial wie Schutthalden und Blockgletscher können mächtige Eislinsen von mehreren Metern Dicke existieren. In steilen Felswänden ist Eis meist nur in Poren und Klüften zu finden. Organisches Material ist im Hochgebirge – wenn übrhaupt – nur in sehr geringen Mengen im Permafrost zu finden, da sich dieser oberhalb der Baumgrenze befindet, wo keine Vegetation wachsen kann.
Das Auftreten von Permafrost hängt von der Temperatur an der Bodenoberfläche ab. Diese wird von den lokalen klimatischen Bedingungen (der Oberflächen-Energiebilanz) bestimmt. Die oberste Schicht des Bodens taut im Sommer jeweils auf und wird als Auftauschicht (englisch «active layer») bezeichnet. Am unteren Ende der Auftauschicht – dem Permafrostspiegel – beginnt der eigentliche Permafrost, der bis zur Permafrostbasis reicht. Die Mächtigkeit des Permafrosts reicht in den Schweizer Alpen von wenigen Dekametern an der unteren Grenze des Permafrostvorkommens bis zu mehreren hundert Metern unter den höchsten Berggipfeln. In den kältesten Polarregionen kann der Permafrost bis in eine Tiefe von 1.7 km reichen.
Die Temperatur an der Bodenoberfläche (Ground Surface Temperature, GST) ist der wichtigste Faktor, der das Vorkommen und die Entwicklung von Permafrost bestimmt. Die GST resultiert aus der Energiebilanz an der Bodenoberfläche und ist während der schneefreien Jahreszeit hauptsächlich von der Lufttemperatur und der Sonneneinstrahlung bestimmt. Dauer und Mächtigkeit der Winterschneedecke sind ebenfalls zentrale Faktoren, da eine genügend mächtige Schneedecke den Untergrund von den Bedingungen in der Atmosphäre isoliert. Die GST bestimmt zu einem grossen Teil die Temperatur des Permafrosts. Für unsere Analysen berechnen wir typischerweise die Jahresmitteltemperature an der Bodenoberfläche (Mean Annual Ground Surface Temperature, MAGST). In komplexer Gebirgstopographie kann die MAGST über kurze Entfernungen erheblich variieren, was zu einer hohen räumlichen Variabilität des Permafrostvorkommens führt. Zum Beispiel kann der Unterschied in der MAGST zwischen steilen Süd- und Nordhängen auf gleicher Höhenlage bis zu 8 °C betragen. Die GST kann auf kleinem Raum von wenigen Metern einige Grad Celsius variieren. d
Die oberste Schicht im Boden über dem Permafrost taut jeweils im Sommer auf und gefriert im Winter wieder zu – die sogenannte Auftauschicht. Die Mächtigkeit dieser Auftauschicht (Active Layer Thickness, ALT) beträgt in kontinuierlichem Polarpermafrost typischerweise mehrere Dezimeter und in den Gebieten nahe der Permafrostgrenze in den Alpen mehrere Meter. Die ALT variiert von Jahr zu Jahr als Folge von kurzfristigen Klimaschwankungen, wie z.B. der Schneeverhältnisse im Winter, der Intensität der sommerlichen Erwärmung oder der winterlichen Abkühlung. Die jährlichen Variationen sind geringer für eisreichen Permafrost als für Felsgebieten mit geringem Eisgehalt.
Die Temperaturschwankungen im an der Oberfläche am größten und werden beim Eindringen in den Untergrund mit zunehmender Tiefe abgeschwächt und zeitlich verzögert. Zum Beispiel erreichen Temperaturschwankungen eine Tiefe von etwa 10 m mit einer Verzögerung von etwa einem halben Jahr und in dieser Tiefe sind nur noch saisonale Schwanken messbar. Ab einer bestimmten Tiefe sind auch die saisonalen Schwankungen nicht mehr messbar und die Temperaturänderungen spiegeln langfristige klimatische Veränderungen. Die Eindringtiefe der jährlichen Temperaturschwankung wird als Tiefe der ZAA (Zero Annual Amplitude) bezeichnet. Hier sind die saisonalen Temperaturschwankungen kleiner als 0.1 °C. In den Schweizer Alpen liegt die ZAA typischerweise bei einer Tiefe von etwa 15–20 m.
Permafrost ist wichtig! Er ist ein guter Klimaindikator. Negative Temperaturen im Untergrund sowie Eisvorkommen im Boden verändern seine geotechnischen Eigenschaften. Erfahren Sie mehr:
In den Schweizer Alpen ist Permafrost und seine Veränderungen nicht nur wichtig als Klimaindikator, sondern auch für die Ökosysteme sowie für das Management der Berggebieten in Bezug auf Naturgefahren, Infrastruktur und Landnutzung im Allgemeinen. Die Erwärmung oder Auftauen des Permafrosts kann die Stabilität steiler Bergflanken reduzieren und schliesslich zu einer Zunahme von Felssturz- und Murgangaktivitäten führen.
Murgang aus der Front des Ritigrabens (oben, SLF-Kamera), der die Kantonsstrasse im Mattertal (unten) erreicht hat.
In den Schweizer Alpen ist Hochgebirgs-Infrastruktur wie Hütten, Lawinenschutzbauten oder Seilbahnen nicht selten auf Permafrost gebaut. Die Bedingungen des dauerhaft gefrorenen Bodens müssen beim Planen und Bauen in Permafrostgebiet berücksichtigt werden. Die zunehmende Mächtigkeit der Auftauschicht, die Erwärmung des Permafrostes oder die schnelleren Kriechbewegungen können Bauwerke zusätzlich belasten, was zu erhöhten Unterhaltskosten oder einer kürzeren Lebensdauer führen kann.
In den Polarregionen ist hat die Bedeutung des Permafrosts und der Auswirkungen seiner Erwärmung einen anderen Fokus. Hier leben die Menschen auf dem Permafrost und nutzen ihn seit Generationen zur Lagerung von Nahrungsmitteln. Aufgrund der Erwärmung und des Auftauens des Permafrosts können auf diesem Untergrund erstellte Gebäude, Straßen und Pipelines sich verformen und instabil werden. Anders als in den Bergregionen der mittleren Breiten, wächst die Vegetation in den arktischen Tundragebieten auch auf Permafrostböden, in denen aus diesem Grund grosse Mengen an organischem Material gespeichert sind. Wenn der Permafrost auftaut, können Kohlenstoff und Methan in die Atmosphäre gelangen. Als Treibhausgase haben können diese die aktuelle Klimaerwärmung weiter verstärken.
Das folgende Webvideo von SRF Kultur veranschaulicht und fasst zusammen, was Permafrost im Gebirge ist, wo er vorkommt und warum wichtig für uns ist:
In den Schweizer Alpen zeigen alle Beobachtungen von PERMOS über die letzten zwei Jahrzehnte einen konsistenten Trend von anhaltender Permafrosterwärmung und -degradation. Die Permafrosttemperaturen unterhalb der ZAA haben zugenommen, die Mächtigkeit der Auftauschicht hat sich vergrössert, der Eisgehalt im Untergrund hat abgenommen und die Blockgletscher kriechen schneller.
Wenn Sie mehr über Permafrost im Gebirge – oder über Permafrost in den Polargebieten – lesen und stöbern möchten, finden Sie hier eine Zusammenstellunge von Links und Publikationen.
- «Schnee, Gletscher und Permafrost erklärt»: informatives Kryosphärenportal der Akademie für Naturwissenschaften Schweiz (in de, fr, it).
- «Permafrost – eine Einführung»: Webseite des Alfred Wegener Instituts in Potsdam (in de), mit Fokus auf Permafrost in den Polargebieten.
- International Permafrost Association: Auf der Webseite der wichtigste Organisation für die Permafrostforschung sind viele Informationen zu finden (in englisch).
- Frozen Ground and Permafrost: Übersicht und Einführung zu Permafrost des National Snow and Ice Data Center in den USA (in englisch).
- Permafrost Glossary: Erklärung der Permafrost Grundbegriffe durch die United States Permafrost Association (USPA, in englisch).
- Frozen-Ground Cartoons: die einfache Art, über Permafrost und Permafrostforschung mehr zu erfahren. Und: er taut !! (in vielen Sprachen erhältlich, u.a. in de).
- Haeberli, W., Noetzli, J., and Vonder Muehll, D. 2023. Using borehole temperatures in knowledge transfer about mountain permafrost: The example of the 35-year time series at Murtèl-Corvatsch (Swiss Alps). Journal of Alpine Research/Revue de géographie alpine, 111-2.
- Noetzli, J. 2020. Permafrost in den Alpen – Langzeitbeobachtung und Entwicklung über zwei Jahrzehnte. In: Lozán, J. L., Breckle, S.-W., Escher-Vetter, H., Grassl, H., Kasang, D., Paul, F. und Schickdorff, U. (Hrsg.). Warnsignal Klima: Hochgebirge im Wandel, 166–173, Hamburg, Wissenschaftliche Auswertungen, doi.org/10.2312/warnsignal-klima.hochgebirge-im-wandel.03.
- Pellet, C., and Noetzli, J. 2020. Réchauffement du pergélisol en Suisse: 20 ans de mesures. GEOAgenda, 3, 10–14.
- Noetzli, J. and Phillips, M. 2019. Mountain permafrost hydrology. Hydro-CH2018 Project. Commissioned by the Federal Office for the Environment (FOEN), Bern, Switzerland, 18 pp, doi.org/10.16904/slf.1.
- Vonder Muehll, D., Noetzli, J., and Roer, I. 2008. PERMOS – a comprehensive monitoring network of mountain permafrost in the Swiss Alps. Proceedings of the 9th International Conference on Permafrost, Fairbanks, US, 1869–1874.
WO GIBT ES PERMAFROST?
Permafrost existiert in den Polargebieten und Hochgebirgsregionen. Er findet sich auf etwa 20% der Landfläche der nördlichen Hemisphäre und etwa 3-5% der Fläche der Schweiz.
Permafrost existiert in den Polargebieten und Hochgebirgsregionen. Er findet sich auf etwa 20% der Landfläche der nördlichen Hemisphäre und etwa 3-5% der Fläche der Schweiz.
Permafrost kommt in allen Polar- und Hochgebirgsregionen der Welt vor und ist auf der Nordhalbkugel in der Arktis am weitesten verbreitet (vor allem in der hohen Arktis von Kanada und Russland). In den kälteren Regionen ist der Permafrost kontinuierlich (d. h. unter 90 bis 100 % der Fläche), während Permafrost in wärmeren Gebieten oder im Gebirge typischerweise diskontinuierlich (50 bis 90 %) oder sporadisch (0 bis 50 %) auftritt.
In der Schweiz ist der Permafrost meist sporadisch oder diskontinuierlich und wird auf 3–5% der Landesfläche geschätzt. Der grösste Teil des Permafrostes befindet sich oberhalb von 2600 m ü. M. mit Temperaturen zwischen –3 und 0 °C. Als thermisches Phänomen unter der Oberfläche ist Permafrost in der Landschaft meist nicht direkt sichtbar.
Anhand einiger typischer Landschaftsformen oder Charakteristiken der Umgebung lässt sich jedoch das Vorhandensein von Permafrost erkennen. Am häufigsten findet man Permafrost in Schutt- oder Geröllhalden, in Moränen, Felswänden und in zerklüftetem Gestein. Der beste Indikator für ds Vorkommen Permafrost im Gebirge sind Blockgletscher. Blockgletscher sind geomorphologische Landformen, die aus einer Mischung aus Eis, Schutt und Felsen bestehen und sich aufgrund des Permafrosteises hangabwärts bewegen. Dabei bilden sie zungenförmige Landformen. Blockgletscher sind keine eigentlichen Gletscher!
Permafrost distribution can be estimated based on modelling studies. It is important to note that permafrost maps show the potential distribution of the subsurface phenomenon and provide a probability, index or alike about its occurrence at a location. However, in-situ measurements are needed for a definitive assessment of permafrost in the subsurface. We provide you with the links to two frequently used maps of the potential permafrost distribution in Switzerland.
Die Hinweiskarte der Permafrostverbreitung in der Schweiz des Bundesamtes für Umwelt (BAFU) aus dem Jahr 2005 basiert auf den in den 1970er Jahren entwickelten und später verfeinerten Faustregeln für die Permafrostverteilung in der Schweiz. Details zur Karte sind auf der Website des BAFU zu finden. Die Karte ist unter folgendem Link zu finden:
Die 2019 erstellte Permafrost- und Bodeneiskarte des SLF unterscheidet zwischen Permafrost im Fels, wo typischerweise nur wenig Eis im Untergrund vorhanden ist, und eisreichem Permafrost im weiter unten liegenden Lockermaterial (Schutthalden und Blockgletscher). Eine Beschreibung der Karte findet man auf der Webseite des SLF oder in der entsprechenden wissenschaftlichen Publikation. Die Karte kann auch in 3D auf maps.wsl.ch betrachtet werden. Hier finden Sie den direkten Link zur Karte:
PERMOS BEOBACHTUNGS-STRATEGIE
Da Permafrost nicht sichtbar ist und sich unter der Oberfläche verbirgt, basiert seine Beobachtungen auf Feldmessungen.
Permafrost reagiert sensitiv auf Veränderungen des Klimas. Daher wird er im Rahmen des Globalen Klimabeobachtungssystems (Global Climate Observing System, GCOS) als essentielle Klimavariable (Essential Climate Variable, ECV) betrachtet. Die ECVs sind ein definierter Satz von Variablen, die für die Beobachtung des Klimawandels auf der Erde zentral sind.
Die Beurteilung der langfristigen Veränderungen des Permafrostes erfordert zuverlässige und vergleichbare Datenreihen, die an repräsentativen Standorten über Jahrzehnte erhoben werden. Solche Datenreihen bilden auch eine wichtige Grundlage für Forschung, Praxis, Behörden und Gesellschaft, um das Verständnis der Permafrostprozesse zu verbessern, die Auswirkungen der Permafrostveränderungen auf Infrastruktur, Naturgefahren und Ökosysteme zu beurteilen oder Modelle zu validieren und zu kalibrieren.
Da Permafrost ein thermisches Untergrundphänomen ist, stützt sich seine Beobachtung in erster Linie auf Feldmessungen. Das PERMOS-Messnetz erhebt Daten zu verschiedenen Beobachtungsgrössen, die sich gegenseitig ergänzen, um ein umfassendes Bild des Zustands und der Veränderungen des Permafrosts in den Schweizer Alpen zu erhalten. Wir messen Temperaturen an der Bodenoberfläche und in der Tiefe in Bohrlöchern, meteorologische Variablen, Veränderungen des Eisgehalts im Permafrost sowie Kriechgeschwindigkeiten der Blockgletscher.
Die Messung von Temperaturen in Bohrlöchern – auch als Permafrosttemperaturen bezeichnet – ist die Grundlage der Permafrostbeobachtung, da dies die einzige direkte Messmethode von Permafrost ist. Permafrosttemperaturen werden an 15 Standorten in 30 Bohrlöchern mit Tiefen von 20 bis 100 Metern gemessen. Ein Logger zeichnet kontinuierlich Temperaturen auf mittels einer im Bohrloch installierten Kette mit Temperatursensoren in verschiedenen Tiefen. Mit den erhobenen Temperaturprofilen kann auch die Mächtigkeit der jährlichen Auftauschicht durch lineare Interpolation zwischen benachbarten Temperatursensoren bestimmt werden. Unsere Empfehlungen und Erfahrungen für die Messung von Permafrosttemperaturen in Bohrlöchern im Gebirge haben wir in einem 2021 erschienenen Artikel zusammengestellt.
Räumlich verteilte Messungen der Temperatur an der Bodenoberfläche (Ground Surface Temperature, GST) ergänzen die Punktinformationen an den Bohrlochstandorten. An 22 unserer Standorte sind jeweils 10–20 Mini-Logger zur Messung der GST installiert. Die Mit diesen Messungen können wir den Einfluss der Topographie und der unteschiedlichen Bodenbedeckung erfassen.
Foto: Christophe Lambiel.
Messungen mit elektrische Widerstandstomographie (Electrical Resistivity Tomography, ERT) ermöglichen die Identifikation von Änderungen im Anteil von flüssigen Wasser und Bodeneis innerhalb des Permafrosts. Diese Informationen sind besonders wichtig im eisreichen Permafrost, da Temperaturänderungen während des Auftauens des Eises durch die latente Wärme erheblich reduziert werden. ERT-Messungen werden jährlich entlang von fünf fest-installierten Profilen in der Nähe von Bohrlöchern durchgeführt.
Foto: Christophe Lambiel.
Veränderungen in der Bewegung von Permafrostlandformen wie Blockgletschern sind bezüglich Hangstabilität und Sedimenttransfer sehr wichtig. Weiter liefern sie auch indirekte Informationen über den thermischen Zustand des Permafrosts innerhalb der Landform. Die Blcokgletschergeschwindigkeit (Rock Glacier Velocity, RGV) wurde im Jahr 2021 als ein Produkt der ECV Permafrost aufgenommen. Die RGV wird an 18 Blockgletschern durch jährliche terrestrische Vermessung (Terrestrial Geodaetic Survey, TGS) erhoben. Diese werden durch kontinuierliche GNSS-Aufzeichnungen an 8 Standorten ergänzt werden, die auch saisonale Muster der Bewegungen erkennen lassen.
Foto: Cristian Scapozza.
Direkt an den Bohrlochstandorten gemessene meteorologische Daten sind wichtig, um die Entwicklung des Permafrosts zu interpretieren, die hauptsächlich durch Veränderungen im Oberflächenenergiehaushalt angetrieben wird. Die komplexe Topographie führt zu großen Unsicherheiten, wenn Daten von operativen Wetterstationen extrapoliert werden müssen. Automatische Wetterstationen (Automatic Weather Stations, AWS) mit vollständigen Strahlungsbilanzmessungen sind an 6 Bohrlochstandorten Teil des Messnetzes.
Foto: Andi Hasler.
Felssturzereignisse, die von Permafrostgebieten ausgehen, werden in einer Dokumentation erfasst. Grundlage sind Informationen und Beobachtungen aus unterschiedlichen verschiedenen Quellen (z. B. Bergführer, Kletterer, Behörden oder seismische Signale des Schweizerischen Seismologischen Dienstes).
Foto: Robert Kenner.
Die Beobachtungsstrategie von PERMOS wird laufend evaluiert und bei Bedarf an die neuesten Erkenntnisse aus der Wissenschaft angepasst. Unsere Methoden und Erfahrungen werden dokumentiert und auch auf internationaler Ebene ausgetauscht.
- PERMOS Leitfaden für Temperaturmessungen im Permafrost im Gebirge:
Noetzli, J., Arenson, L.U., Bast, A., Beutel, J., Delaloye, R., Farinotti, D., Gruber, S., Gubler, H., Haeberli, W., Hasler, A., Hauck, C., Hiller, M., Hoelzle, M., Lambiel, C., Pellet, C., Springman, S.M., Vonder Muehll, D., and Phillips, M. 2021. Best Practice for Measuring Permafrost Temperature in Boreholes Based on the Experience in the Swiss Alps. Frontiers in Earth Science 9, 607875, doi.org/10.3389/feart.2021.607875.
- GTN-P Strategy and Implementation Plan (2021–2024)
4-Jahresplan des globalen Permafrostnetzes GTN-P bezüglich Organisation und Umsetzung (in englisch).
- GTN-P Measurement Recommendations and Guidelines
Vorgehen und Empfehlungen für Feldmessungen im Permafrost (Temperaturemessungen und Erhebung der Auftauschicht, in englisch).
- Rock Glacier Velocity as an associated parameter of ECV Permafrost
Grundlegende Konzepte zur langfristigen Beobachtung der Blockgletscher-Geschwindigkeit der IPA Action Group «Rock glacier inventories and kinematics» (in englisch).
BILDERGALLERIE
Klicken Sie sich durch eine Auswahl von Bildern zu Permafrost im Gebirge und den im Rahmen des PERMOS Messnetztes durchgeführten Messungen.
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