Vorlesun­g Permafro­st (Prof. Lieb) - eine Lernzusa­mmenfass­ung

Permafrost- Lieb

1. Einführung

1.1 Definition:

Lithosphärenmaterial (Gesteinshülle), das während der Dauer von mindestens einem Jahr Temp. Unter 0° C aufweist.

Charakteristikum ist also die Temperatur von 0°C oder weniger! Gletschereis zählt definitionsgemäß nicht zum Permafrost.

Zeitfrage: meistens länger als ein oder 2 aufeinander folgende Sommer à meist Jahrhunderte .

Permafrost ist demnach ein thermisches Phänomen (unabhängig vom Wassergehalt im Boden) Der Temperaturzustand von <= 0C° wird als kryotisch bezeichnet. à Unteschied zw. Temperaturunterschied und Wasserunterschied.

Permafrost ist meist an der Erdoberfläche unsichtbar und seine Existenz nur indirekt über Indizien erkennbar. Diese sind besonders deutlich, bei eisübersättigten Permafrost(Volumen des Eises im Untergrund übersteigt das Porenvolumen desselben Materials im trockenen Zustands).

1.2 Grundbegriffe

Begriffe:vertikale Gliederung

Permafrostkörper: Die ganzjährig in kryotischen Zustand verbleibende Schicht des Untergrundes.

Permafrostbasis: Unterkante des Permafrostkörpers

Permafrostspiegel: Oberkante des Permafrostkörpers

PF-Mächtigkeit: Quantitative Angabe der Dicke des PF-Körpers.

Auftauschicht: Im Sommerhalbjahr sich entwickelnde Schicht über dem Permafrostkörper, die >0°C temperiert ist.

Talik: Schicht mit permanent akryotischen Temperaturzustand, die entweder innerhalb oder außerhalb des Permafrostkörpers liegt.

Begriffe : horizontale Gliederung

Kontinuierlicher Permafrost: Mehr als 90% der Fläche des betr. Gebietes sind von Permafrost unterlagert.

Diskontinuierlicher Permafrost: 50-90% unterlagert ; Hochgebiergspermafrost ist meist diskontinuierlich.

Sporatischer Permafrost: 10-50 %

Inselhafter Permafrost: Einzelvorkommen .

Begriffe: Permafrostdynamik

Aktiver Permafrost: in jeden Winter wird die sommerliche Auftauschicht abgebaut.

Inaktiver Permafrost: Sommerliche Auftauschicht ist größer als die Eindringtiefe des Winterfrostes.

Permafrost-Degration: Prozess des Abbaus von Permafrost (Mächtigkeit und horizontale Verbreitung)

Permafrost- Aggradation: Prozess des Aufbaus von Permafrost.

Reliktischer Permafrost: Stammt aus kälteren erdgeschichtlichen Perioden( untermeerischer Permafrost)

2. Rahmenbedingungen für Permafrost

2.1 Permafrost als klimagesteuertes Phänomen

Wechslewirkung zw. Permafrost und Klima. à Klimaindikator

Zentrale Einflussgröße ist dabei die Enegiebilanz an der Erdoberfläche! Energiebilanz für Permafrost ist meist negativ. Q+L+V+B=0

Im Hochgebirge spielen Exposition und Schatten eine wochtige Rolle, in den hohen Breiten der niedere Einfallswinkel der Sonnenstrahlung.

Permafrost und Lufttemperatur hängen von der Strahlungsbilanz abà Gliederung!

Aspekt Permafrost- Schnee( eng mit dem Klimaelement Wind verbunden):

• Fehlende oder geringe Schneedecke im HerbstàAuskühlung des Untergrundes à günstig für Permafrost
• Lange Schneedecke im Frühjahr verzögert Erwärmung des Untergrundes à Permafrost fördernd.

2.2 Die Bedeutung .....[Volltext lesen]

Anstieg der Isothermenà Anstieg der Permafrost Untergrenze on N nach S ( planetarischer Formenwandel)

Ebenfalls unterliegt die Permafrost Untergrenze einen w-ö Formenwandel!

Schließlich folgt die Permafrostuntergrenze auch dem zentral- peripheren Formenwandel innerhalb der einzelnen Gebirgssysteme mit einem Anstieg zu deren Zentrum hin. Nordalpen: 2300-2400 m ; Zentralalpen: 2500-2600 m

Beziehung Permafrost Untergrenze- Schneegrenze wird durch das Kryosphären Modell von HABERLI veranschaulicht:

3 Areale:

A: Stufe oberhalb der Schneegrenze à weithin vergletschert ! Apere Bereiche stehen unter Permafrost-Bedingungen.

B: Permafrost und meist auch Gletscherfrei

C: Zw. Permafrost und Schneegrenze fällt reichlich Lockersediment an das unter Permafrostbedingungen zu Krichprozessen neigt( Blockgletscher).

4 Stufen von Frostverhältnissen nach GORBUNOV:

• Permafrost- Höhenstufe
• Höhenstufe mit jahreszeitlicher Bodengefrornis
• Höhenstufe mit periodisch kurzfristiger Bodengefrornis
• Frostfreie Höhenstufe

4. Methoden der Permafrostforschung

4.1 Morphologische Erscheinungsformen

Geomorphologische Erscheinungen an der Erdoberfläche, die als Leitformen des Permafrostes gelten!

Im wesentlichen 4 Leitformen: Blockgletscherà Hochgebirgspermafrost und Eiskeile, Pingos und Palas in den hohen Breiten !

Eiskeile: mehrere Meter tief in den Boden ziehende Eisadern. Bilden sich bevorzugt im Feinmaterial im kontinuierlichen Permafrost, einige dezimeter Breit und bis ca. 25 Meter tief. Treten vergesellschaftet auf ( Eiskeilnetzen) Sie bilden sich an Frostrissen, die sie in den Untergrund fortpflanzen. Feuchtigkeit tritt ein und gefriert bzw. sublimiert dort.

Pingos: gehören zur Gruppe der Frosthügel, die durch Gefrierprozesse im Untergrund bzw. durch Anreicherung von Untergrundeis entstehen. Existieren ganzjährig; Inneres aus Massiveis das meist unter einer Bodendecke liegt. Durchmesser von 20-300m und Höhen um die 10 Meter; Geschlossenes-System-Pingos (Leitformen eines kontinuierlichen Permafrostes) und Offene.....

Temperatur von Quellen spiegelt die thermischen Bedingungen des jeweiligen Einzugsgebietes wider. Messungen gegen Ende des Sommers bei maximaler Ausaperung. Messung unmitterlbar am Quellaustritt: 0-1°C à Permafrost wahrscheinlich; 1-2°C Permafrost möglich!

Bodentemperaturmessungen:

Sind durch das meist grobblockige Substrat erschwert!

GIS- gestützte Modellierung der Permafrost-Verbreitung

Weitere indirekte Methoden: Hinweise durch Vegetationsbedeckung in den Alpen: diskontinuierlicher Permafrost und geschlossene Vegetation schließen sich aus!

Fazit: Niemals mit einer Methode alleine Arbeiten

4.3 Erfassung der Eigenschaften von Permafrost

technisch, personell und finanziell höchst aufwendige geophysikalische Methodenà Forschungsprojekte!

Seismik, Geoelektrik, Georadar, Elektromagnetik, Gravimetrie, Bohrlöcher

5. Blockgletscher, Leitformen des Hochgebirgs-Permafrostes

5.1 Erscheinungsbild

Definition: Blockgletscher sind dauernd gefrorene Schuttmassen, die langsam Berghänge hinunterkriechen!

Definitionen bezieht sich auf die Eigenschaft FORM ( erinnern an Lavaströme), Material ( Lockerschutt) und Prozess ( gravitative Kriechbewegung eisü.....

Fossile Blockgletscher: Vorzeitformen ohne Permafrost und ohne Bewegung

Inaktivierung erfolgt durch Permafrostdegradion oder durch Erlahmen der Bewegung. Bewegung aktier Blockgletscher beruht auf plastischer Deformation des Eisgehaltes. Messbare jährliche Bewegung im dm- Bereich.

Gliederung aktiver Blockgletscher in 4 Abschnitte:

• Wurzelbereich: Schuttakkumulation mit Bildung von Permafrost
• Dehnungsbereich: Durch Ausfließen des Blockgletschers erfolgt eine Ausdünnung.
• Stauchungsbereich: charakteristische Gliederung der grobblockigen Oberfläche in transversale Rücken und Senken
• Stirnbereich: Freilegung des schichtigen Aufbaus mit Absturz der groben Blöcke.

5.4 Blockgletscher-verwandte Formen

Blockgletscher im Hochgebirgs-Permafrost fehlen:

• Wenn das Substrat zu feinkörnig ist
• Im extremen Steilrelief
• Im sehr flachen Relief
• Wo Lagen von Gletscher eingenommen werden
• Obergrenze der Blockgeletscher-Verbreitung

Formen die Definition erfüllen, aber anderes Formbild:

• Blockschuttwülste: Frühstadium vom Blockgletschern( auch eigenständig)
• Blockgletscherähnliche Schuttformen: Sammelbegriffe für erkennbare Kriechphänomen ohne markante Ausbildung der typischen Form.
• Stauchmoränen: Form der Interaktion von Gletschern und Permafros.( ähnliche äußere Erscheinung)
• Solifuktionsloben: Beziehung zw. Permafrost und Solifluktion.

6. Die Stellung des Permafrostes im Umweltsystem

6.1 Perm.....

Oberflächengewässer im Permafrost:

Seen:

• Thermokastseen: entstehen durch Setzung des Materials infolge des Ausschmelzens von Eislinse oder Massiveis im Permafrost.
• Seealiks: sind Taliks unter Seen
• Oriented Lakes: Seen mit räumlich konstanter Längsachsenausrichtung

Flüsse:

• Flusstaliks
• Beaded streams: verbinden in unregelmäßigen Verlauf kleine Seen à typisch für Eiskeilnetze.
• Aufeis: flächenhaftes Auffrieren von austretendem Wasser an Quellenà Rückstau…Hochwassergefahr!

Grundwasser im Permafrost:

• Suprapermafrostgrundwasser: Wasser in der Auftauschicht
• Subpermafrostwasser: zirkuliert i ungefrorenen Untergrund unterhalt der Permafrostbasis.
• Intrapermafrostwasser: zrkuliert in ungefrorenen Partien( Taliks) innerhalb eines Permafrostkörpers) àWichtige Rolle Permafrost-Degradation.
• Kryopege: Wässer unter 0°C die flüssig sind.

6.4 Gletscher- Permafrost-Interaktionen

Gletscher und Permafrost liegen häufig in enger Nachbarschaftà Interaktionen

Beeinflussu.....

• Veränderung der Oberfläche
• Energiezufuhr aus Gebäuden oder Leitungen
• Veränderung von Grundwasser und Oberwflächengewässern

à Veränderung des Temperaturfeldes im Untergrund:

àVeränderung der Deformierbarkeit und somit Standfestigkeit des Substrates

àFrosthub : Wasser dehnt sich beim Gefriervorgang um 9% aus!

à Auftaubedingte Setzung: Zusammensacken des Substrates zur Setzung

Man Unterscheidet:

• Taubeständiger Permafrost: worin Permafrostdegradation die oben beschriebenen Prozesse nicht bewirkt
• Tauempfindlicher Permafrost: Festigkeit durch PF-Degradation wird geringer!

Vorkehrungen Bauvorhaben bei tauempfindlicheren PM:

• Aktive Bauverfahren: wenn PF-Degradation nicht verhindert werden kann. à harte Methode(Abtragung); sanfte Methode( künstl. Kompaktierung des Mat)
• Passive Bauverfahren: Ventilation unter den Gebäuden erzeugen ; Wärmeabgabe in den Untergrund zu verhindern; aktive Kühlung!

Thermisches Regime verändert sich auch durch Klimawandeàglobale Dimension

Arktische Räume und manche Hochgebirge sind stärker betroffen als im globalen Mittel (0,8K) Sonnblick( 1,7K) 2.Hälfte de.....

7.3 Wohlfahrtswirkungen des Permafrostes

• Stabilisierender Faktor in der Landschaft (Schutthänge und Felswände im Hochgebirge)
• Günstige bautechnische Eigenschaften (künstliches Gefrieren- Tunnelbau)
• Wasserspeichermedium (lokale- regionale Bedeutung)
• Klimaindika.....