Subglaziale Hydrologie und Wassertaschen unter dem Eis
Die Oberfläche eines Gletschers verrät wenig von dem, was darunter vorgeht. In der Tiefe — zwischen Eis und Felsuntergrund, manchmal auch tief im Inneren des Eises selbst — existieren Wassermengen, Kanalsysteme und Seen von teils erheblicher Größe. Diese subglaziale Hydrologie ist nicht nur akademisch interessant. Sie bestimmt maßgeblich, wie schnell ein Gletscher fließt, wann und wie stark er sich verformt, und ob er plötzliche Ausbrüche in die Täler darunter produziert.
Das Interesse an der subglazialen Hydrologie hat in den vergangenen Jahrzehnten stark zugenommen, nicht zuletzt weil das Schmelzwasser unter dem Grönlandeis und dem Antarktischen Eisschild als einer der kritischen Faktoren für das Fließverhalten großer Eismassen gilt. Wenn Wasser unter einem Eisschild eingeschlossen und dann freigesetzt wird, können ganze Gletschersektoren plötzlich beschleunigen — mit potenziell weitreichenden Folgen für den Meeresspiegel.
Woher kommt das Wasser unter dem Gletscher?
Das Wasser im subglazialen Bereich stammt aus mehreren Quellen. Schmelzwasser von der Gletscheroberfläche — entstanden durch Sonnenerwärmung und Wärmestrahlung — sickert durch Spalten und Moulins (senkrechte Schmelzwasserschächte) bis auf den Gletscherboden. Dieser Weg ist gut dokumentiert: In manchen Jahren hat die Beschleunigung der Oberflächenschmelze auf dem Grönlandeis durch einen erhöhten Moulindurchfluss die Fließgeschwindigkeit von Gletscherausläufern kurzfristig erhöht.
Eine zweite Quelle ist der Druckschmelzpunkt: Das Gewicht des darüberliegenden Eises erzeugt an der Basis Drücke, die den Schmelzpunkt des Eises absenken. Unter großen Eisschilden ist der Eisdruck so hoch, dass Basaleis selbst bei Temperaturen unter null Grad Celsius flüssig bleibt. Diese druckerzeugte Schmelze, ergänzt durch geothermische Wärme aus dem Erdinneren, speist eine beständige dünne Wasserschicht an der Gletscherbasis.
Subglaziale Kanalsysteme
Das Wasser an der Gletscherbasis fließt nicht diffus, sondern organisiert sich in Netzwerken, die von der Gletscherdynamik abhängen. Zwei Grundtypen von subglazialen Drainagesystemen werden unterschieden: das sogenannte Kanalnetz (englisch: channelized drainage), bei dem das Wasser in wenigen effizienten Tunneln abfließt, und das verteilte System (englisch: distributed drainage), bei dem das Wasser in einem dünnen Film oder durch lose Schotterschichten sickert.
Kanalsysteme sind effizienter — sie transportieren Wasser schnell und entlasten das Eis von übermäßigem Wasserdruck. Verteilte Systeme hingegen bauen höhere Wasserdrücke auf, die die Gleitreibung zwischen Eis und Fels verringern und den Gletscher beschleunigen können. Der Wechsel zwischen diesen Systemen — etwa zu Beginn der Schmelzsaison, wenn plötzlich große Mengen Oberflächenwasser die Basis erreichen und das Kanalsystem noch nicht entwickelt ist — führt zu messbaren kurzfristigen Gletscherbeschleunigungen.
Subglaziale Seen
Unter dem Antarktischen Eisschild wurden seit den 1990er Jahren mehr als vierhundert subglaziale Seen identifiziert, die meisten mittels Radarecholotung von der Oberfläche aus. Der bekannteste ist der Wostok-See in der Ostantarktis, der unter rund vier Kilometern Eis ein flüssiges Gewässer von der Fläche des Ontariosees beherbergt. Das Eis über dem See hat ihn seit Millionen von Jahren von der Atmosphäre und dem Rest der Biosphäre isoliert.
Im Jahr 2012 gelang es russischen Wissenschaftlern erstmals, durch Bohren in den Wostok-See einzudringen — ein technisches und logistisches Meisterwerk, das jahrelange Vorbereitung erforderte. Die entnommenen Wasserproben und das Eis an der Bohrlochwand enthielten Spuren mikrobiellen Lebens, was die Hypothese stützt, dass der See trotz seiner Isolation nicht leblos ist.
Andere bedeutende antarktische Seen — darunter der Ellsworth-See, der Subglaziale Gamburtsev-See und der Recovery-See — wurden seither durch internationale Konsortien untersucht. Einige dieser Seen sind dynamisch: Sie füllen und entleeren sich in Zeiträumen von Jahren bis Jahrzehnten, wobei das Wasser unter dem Eisschild in anderen subglazialen Reservoiren landet.
Jökulhlaups: Plötzliche Ausbruchsfluten
Der eindrucksvollste Ausdruck der subglazialen Hydrologie ist die Jökulhlaup — ein isländisches Wort für Gletscherausbruchsflut. Jökulhlaups entstehen, wenn ein subglaziales Wassersystem oder ein eisgedämmter See plötzlich zusammenbricht und sein Wasser in kurzer Zeit freisetzt. Die Wassermengen können enorm sein: Die größten bekannten Jökulhlaups der geologischen Geschichte, ausgelöst durch das Schmelzen von Gletschern am Ende der letzten Eiszeit, haben Wassermengen in der Größenordnung des Amazonas über kurze Zeiträume abgegeben.
Auf Island sind Jökulhlaups ein bekanntes und gefürchtetes Phänomen, das mit der vulkanischen Aktivität unter den Gletschern zusammenhängt. Der Vatnajökull bedeckt mehrere aktive Vulkane, darunter Grímsvötn, das regelmäßig Ausbrüche verursacht. Ein Vulkanausbruch unter dem Eis schmilzt schlagartig große Wassermengen, die sich in einer subglazialen Depression ansammeln, bis sie schließlich unter dem Eisrand ausbrechen und als verheerende Flut durch die Sandur-Ebene bis zum Meer fließen. Der Jökulhlaup von 1996, ausgelöst durch eine Eruption des Gjálp-Vulkans unter Vatnajökull, setzte in wenigen Stunden eine Wassermenge frei, die dem dreifachen Abfluss des Amazonas entsprach.
Wassertaschen in Bergletschern
Auch in kleineren Bergletschern können sich Wassertaschen bilden. Diese entstehen, wenn Schmelzwasser im Inneren des Gletschers oder an seiner Basis durch undurchlässige Eislagen oder Gesteinsbarrieren aufgestaut wird. Die plötzliche Freisetzung solcher Wassertaschen kann in Gletschertälern zu Sturzfluten führen, die ohne Vorwarnung auftreten.
In den Alpen ist dieses Phänomen unter dem Begriff Gletscherwasserausbruch bekannt. Mehrfach wurden Wanderer und Bergsteiger in alpinen Tälern von Sturzfluten überrascht, die aus dem scheinbar ruhigen Gletschervorfeld kamen. Glaziologische Monitoring-Programme in der Schweiz, Österreich und Norditalien versuchen heute, solche Wassertaschen durch regelmäßige Radarmessungen und GPS-Überwachung frühzeitig zu erkennen.
Für eine geografische Übersicht über Gletscher und glazial geprägte Gewässersysteme weltweit lohnt sich ein Blick auf die interaktive Gletscherkarte.