Gletscherfließen und Eisverformung: Die Physik des fließenden Eises
Eis fließt. Das ist eine Tatsache, die im Alltag kontraintuitiv erscheint — Eis kennt man als starres, sprödes Material —, aber auf den Zeitskalen von Jahrzehnten und Jahrhunderten verhält sich Eis wie eine hochviskose Flüssigkeit. Ein Gletscher bewegt sich, weil das Eis unter dem Gewicht der darüber liegenden Massen verformt wird und sich dabei vorwärtsbewegt; weil das Eis an seiner Basis über das Felsbett gleitet; und weil manchmal sogar das Sediment unter dem Eis verformt wird. Die Physik dieser Prozesse erklärt nicht nur, warum Gletscher sich bewegen, sondern auch, warum manche schneller fließen als andere, warum Gletscherspalten entstehen, und was mit Gletschern passiert, wenn die Temperaturen steigen.
Das Verständnis der Gletscherdynamik ist eine Voraussetzung für die Vorhersage des künftigen Verhaltens von Gletschern und Eisschilden unter dem Klimawandel.
Plastische Verformung: Das Kriechfließen
Die grundlegende Fließbewegung von Gletschern wird durch plastische Verformung im Innern des Eises erzeugt. Eis ist ein polykristallines Material — es besteht aus Millionen kleiner Eiskristalle, die zusammengewachsen sind. Unter anhaltenden Scherspannungen, die durch das Gewicht des überlasteten Eises erzeugt werden, verformen sich diese Kristalle durch Dislokationsbewegungen im Kristallgitter: Atome verschieben sich entlang bevorzugter Gleitebenen, ohne dass der Kristall bricht.
Dieser Prozess wird durch das Glen'sche Fließgesetz beschrieben, das Ende der 1950er Jahre vom britischen Glaziologen John Glen auf der Basis von Laborexperimenten formuliert wurde. Es besagt, dass die Verformungsrate des Eises exponentiell mit der angewandten Scherspannung zunimmt — kleiner Zuwachs der Spannung, großer Zuwachs der Fließrate. Außerdem ist warmes Eis, das nahe am Druckschmelzpunkt ist, erheblich weicher und leichter verformbar als kaltes Eis.
Dieses Fließen durch interne Verformung ist am größten nahe der Basis des Gletschers, wo die Scherspannung durch das Gewicht des darüber liegenden Eises am höchsten ist. Die Fließgeschwindigkeit nimmt von der Basis nach oben hin ab — die Gletscherbewegung ist typischerweise an der Oberfläche am schnellsten.
Basales Gleiten
Der zweite wesentliche Fließmechanismus ist das Gleiten an der Basis. Wenn die Temperatur des Eises am Felsbett den Druckschmelzpunkt erreicht — also die Temperatur, bei der Eis unter dem jeweiligen Überlagerungsdruck flüssig wird —, entsteht ein dünner Wasserfilm zwischen Eis und Fels. Dieser Film wirkt als Schmiermittel und ermöglicht ein schnelleres Gleiten.
Warme (polytherme oder temperierte) Gletscher gleiten deshalb erheblich schneller als kalte (polare) Gletscher. In den Alpen und in Island fließen temperierte Gletscher, die an ihrer Basis flüssiges Wasser führen, mit Geschwindigkeiten von einigen Dezimetern bis zu mehreren Metern pro Tag. Kalte Gletscher in der zentralen Antarktis oder in Spitzbergen bewegen sich nur wenige Zentimeter pro Jahr.
Das basale Gleiten wird auch durch Regelation ermöglicht: Wenn Eis auf eine Felserhöhung trifft, erhöht sich lokal der Druck, was den Druckschmelzpunkt absenkt und das Eis schmilzt. Das Schmelzwasser fließt um den Hindernis herum, gefriert wieder auf der Leeseite, wo der Druck geringer ist, und gibt dabei Schmelzwärme ab, die wiederum für das Schmelzen vor dem nächsten Hindernis verfügbar ist. Dieser Wärmepumpeneffekt des Regelation ermöglicht das Gleiten über Felsunebenheiten.
Subglaziale Sedimentdeformation
In Gletschern, die auf einem Untergrund aus weichem Sediment — Till oder Geschiebemergel — liegen statt auf hartem Fels, gibt es einen dritten Fließmechanismus: die Deformation des subglazialen Sediments selbst. Wenn das Porenwasser im Sediment durch den Überlagerungsdruck des Eises unter Druck gesetzt wird, verliert das Sediment einen Teil seiner Scherfestigkeit und kann verformt werden.
Dieser Mechanismus wurde erstmals an den schnellen Ice Streams der Westantarktis als wichtig erkannt: Diese Eismassen fließen mit Geschwindigkeiten von Hunderten von Metern pro Jahr über weiche Sedimentuntergründe, wesentlich schneller als durch basales Gleiten oder interne Deformation allein erklärbar wäre. Die Sedimentdeformation liefert möglicherweise einen erheblichen Teil dieser Bewegung.
Geschwindigkeit und Variabilität
Die Fließgeschwindigkeit von Gletschern variiert erheblich. Kleine Alpengletscher bewegen sich typischerweise einige Dezimeter bis wenige Meter pro Tag. Schnelle Outlet-Gletscher Grönlands wie der Sermeq Kujalleq erreichen Geschwindigkeiten von 40 bis 50 Metern pro Tag. Surge-Gletscher erleben Phasen, in denen sie sich für kurze Zeiträume um das Zehnfache oder mehr ihrer normalen Geschwindigkeit bewegen.
Diese Surge-Ereignisse werden durch eine plötzliche Änderung der subglazialen Hydrologie ausgelöst: Wenn das subglaziale Drainagesystem kollabiert und durch ein weniger effizientes verteiltes System ersetzt wird, steigt der basale Wasserdruck schlagartig an, was eine dramatische Beschleunigung des Gleitens bewirkt.
Konsequenzen für die Gletscherform
Die Fließmechanismen prägen direkt die Form eines Gletschers. Wo ein Gletscher sich ausbreitet oder über eine Steilstufe fließt, entstehen die bereits beschriebenen Gletscherspalten durch Zugspannung. Wo das Eis gestaucht wird, zum Beispiel wenn ein schnell fließender Gletscher in ein flacheres Gebiet eintritt, bilden sich Druckgrate und Foliation — eine eisigkristalline Bänderung des Eises, sichtbar als helle und dunklere Schichten.
Das Verständnis dieser Prozesse ist für Glaziologen entscheidend, die Fließmodelle entwickeln, um das Verhalten von Eisschilden unter zukünftigen Klimabedingungen vorherzusagen. Je präziser die Modelle die Fließmechanismen abbilden, desto genauer werden die Projektionen des Meeresspiegelanstiegs.
Auf der Karte lassen sich sowohl schnelle als auch langsam fließende Gletscher weltweit erkunden und miteinander vergleichen.