Werkzeuge und Feldmethoden der Glaziologie
Glaziologie ist eine Wissenschaft, die sich in ungewöhnlich rauem Terrain bewähren muss. Ihre Messobjekte befinden sich in Höhenlagen, wo Wetterstationen vereisen, Drohnen kämpfen und Menschen in Schlafsäcken schlafen, die eigentlich für deutlich weniger Kälte ausgelegt sind. Die Werkzeuge und Methoden der Glaziologen haben sich in den vergangenen Jahrzehnten dramatisch gewandelt: Von rein manuellen Messungen im Feld hin zu einer hybriden Kombination aus Fernerkündung, automatisierten Stationen und gelegentlichen aber hochwertigen Feldkampagnen. Doch der direkte Kontakt mit dem Eis bleibt unverzichtbar, weil manche Parameter nur vor Ort und mit einfachen Mitteln bestimmt werden können.
Auf der Karte der weltweiten Gletscherstandorte lassen sich die Forschungsgebiete einordnen, auf die sich die hier beschriebenen Methoden anwenden lassen.
Massenbilanzpegel und Schneeschächte
Das einfachste und älteste Werkzeug der Feldglaziologie ist der Ablationspegel: eine Holz- oder Aluminiumstange, die tief in das Gletschereis gebohrt wird. Indem die exponierten Länge des Pegels im Herbst und im Frühjahr gemessen wird, lässt sich direkt ablesen, wie viel Eis zwischen den Messungen verloren (Ablation) oder wie viel Schnee gewonnen (Akkumulation) wurde. Auf gut betreuten Gletschern wie dem Hintereisferner in den Ötztaler Alpen stehen Dutzende solcher Pegel in einem Netz, das die gesamte Gletscherfläche abdeckt.
Ergänzend werden Schneeschächte gegraben: ein vertikaler Einschnitt in die Schneedecke, der die Jahresschichten des Schnees freilegt. Durch Messung der Dichte und Dicke jeder Schicht kann der Glaziologe berechnen, wie viel Wasseräquivalent in der Schneedecke gespeichert ist. Schneesondierungen — das Einstechen einer flexiblen Stange in den Schnee, bis man auf das Vorjahreseis stößt — erlauben rasche Tiefenmessungen ohne aufwendige Grabarbeiten.
Georadar und Eisdickenbestimmung
Das Bodenradar (Ground Penetrating Radar, GPR) ist das wichtigste Werkzeug zur Bestimmung der Gletscherdicke. Ein Sender emittiert elektromagnetische Impulse, die durch das Eis hindurchdringen und am Felsboden reflektiert werden. Aus der Laufzeit des Signals wird die Eisdicke berechnet. GPR-Messungen können von Menschen zu Fuß oder auf Skiern, von Schneemobilen, von Hubschraubern oder von kleinen Flugzeugen durchgeführt werden. Die Methode hat die Grundlage für globale Eisdicken-Datenbanken wie Farinotti et al. 2019 geliefert, die erstmals eine konsistente Schätzung des gesamten Eisvolumens aller Berggletscher der Welt ermöglicht haben.
Die Interpretation der GPR-Daten erfordert Erfahrung: Wasser an der Gletscherbasis, interne Wassertaschen und Sedimentlagen können das Signal abschwächen oder fehlleiten. In Kombination mit Gravitationsmessungen und Eisfließmodellen lassen sich aus GPR-Profilen aber zuverlässige Eisdicken-Karten erstellen.
Automatische Wetterstationen auf dem Eis
Kontinuierliche Messungen auf Gletschern erfordern Stationen, die autonom im Feld arbeiten können. Automatische Wetterstationen (AWS) auf Gletschern messen Temperatur, Feuchte, Windgeschwindigkeit, Windrichtung, kurzwellige und langwellige Strahlungsflüsse sowie oft auch Schneehöhe und Albedo. Aus diesen Messungen lässt sich die Energiebilanz an der Gletscheroberfläche berechnen — also wie viel Energie durch Sonneneinstrahlung, Infrarotstrahlung und turbulenten Wärmeaustausch vom Eis aufgenommen und für die Schmelze verwendet wird.
Die Installation und Wartung von AWS auf Gletschern ist technisch anspruchsvoll: Die Stationen müssen auf dem Eis verankert sein, das sich bewegt und sich verändert; sie müssen Temperaturen von unter minus 40 Grad, Eisregen und starken Winden standhalten; und ihre Akkus müssen den langen polaren oder alpinen Wintern überbrücken können. Moderne Stationen übertragen ihre Daten per Satellit und ermöglichen so eine nahezu Echtzeit-Überwachung des Gletscherklimas.
Fernerkundung: Satelliten und Luftbilder
Seit den frühen 1970er Jahren erlauben Erdbeobachtungssatelliten die Kartierung von Gletscherrändern aus dem Weltraum. Die Landsat-Serie der NASA, die seit 1972 läuft, bietet das längste konsistente Archiv von Satellitenbildern für die Gletscherforschung. Durch die Analyse von Bildreihen lassen sich Gletscherflächen, Zungenlagen und Schneegrenzen über Jahrzehnte verfolgen.
Moderne optische Satelliten wie die Sentinel-2-Reihe des Copernicus-Programms liefern alle fünf Tage Bilder mit 10-Meter-Auflösung — genug, um Veränderungen von Gletscherzungen, das Auftreten von Gletscherseen und Eislawinenereignisse in nahezu Echtzeit zu dokumentieren. Radarbasierte Satelliten wie Sentinel-1 können durch Wolken schauen und Gletscheroberflächen auch im Winter kartieren. Die Interferometrie von Radarbildpaaren (InSAR) ermöglicht zudem die Messung von Gletscherfließgeschwindigkeiten mit Zentimeter-Genauigkeit.
UAVs und Photogrammetrie
Unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs, Drohnen) haben in den letzten zehn Jahren die Gelände-Aufnahme von Gletschern revolutioniert. Eine mit hochwertiger Kamera ausgestattete Drohne kann in einem einzigen Flug ein mehrere Quadratkilometer großes Gletschergebiet mit Zentimeter-Auflösung aufnehmen. Durch Struktur-aus-Bewegung-Algorithmen (Structure from Motion, SfM) werden aus Überlappungsbildern dreidimensionale Punktwolken und digitale Höhenmodelle erzeugt, die für die Massenbilanzkalkulation verwendet werden können.
Der Vergleich von Höhenmodellen aus verschiedenen Jahren erlaubt eine direkte Berechnung der Volumenveränderung eines Gletschers — die sogenannte geodätische Massenbilanz. Die Genauigkeit dieser Methode ist mittlerweile vergleichbar mit direkten glaziologischen Messungen, hat aber den Vorteil, flächendeckend und in kurzer Zeit zu arbeiten.
Bohrungen und Eiskerne
Für tiefe Einblicke in die Geschichte eines Gletschers — und des Klimas, das ihn formte — werden Eiskerne gebohrt. Ein Eiskernohrbohrung durchdringt Meter für Meter die Jahresschichten des Gletschers, bis sie auf dem Felsboden aufsetzt. Jede Schicht enthält eingeschlossene Luftblasen, Isotopensignaturen des Wassereis, Staubteilchen und gelöste Gase, die Informationen über vergangene Temperaturen, Vulkanausbrüche und atmosphärische Zusammensetzungen enthalten. Eiskernarchive aus Grönland, der Antarktis und dem Hochgebirge sind unersetzliche Klimaarchive, die Klimadaten über Hunderttausende von Jahren zurückreichen.