Permafrost-Messung: «Wie bei einem Löffel in einer Teetasse»

Ein Schweizer Forscher hat eine Methode entwickelt, mit der sich bestimmen lässt, wie schnell Wärme im Permafrost in die Tiefe vordringt. So lassen sich Veränderungen in Gebirgsregionen frühzeitig zu erkennen und damit Instabilitäten und Felsstürze besser beurteilen.

Quelle: Montage: Jeannette Nötzli / Samuel Weber / SLF)

Bohrloch am Fusse des Hörnligrates am Matterhorn. Die Grafik zeigt einen Schnitt durch den Untergrund mit grünem Serpentinit. Bis zu sechzig Meter gehen die Bohrlöcher des SLF im Permafrost in die Tiefe.

Herr Weber, Sie haben untersucht, wie schnell sich Temperaturen im Permafrost ausbreiten. Ist das wichtig?

Auf jeden Fall. Wir bestimmen, wie gut der Fels die Temperatur leitet, das ist eine materialspezifische Eigenschaft. Wenn wir verstehen, wie rasch Temperaturänderungen in die Tiefe vordringen, können wir viel zuverlässiger einschätzen und besser modellieren, wie sich der Permafrost (siehe Kasten) im Klimawandel entwickelt. Dies ist wichtig, denn dieses Wissen hilft letztlich auch, Veränderungen in hochalpinen Regionen und mögliche Auswirkungen auf Naturgefahren frühzeitig zu erkennen.

Was ist das Besondere an Ihrer Arbeit?

Für Permafrost lagen bisher nur Literaturwerte und wenige Laborergebnisse zur Temperaturleitfähigkeit vor. Werte aus dem Feld, direkt gemessen im Permafrost, gab es nicht. Das Besondere an unserer Methode ist, wir müssen nicht aufwendig Gesteinsproben sammeln und analysieren, um Dichte, Wärmekapazität oder Wärmeleitfähigkeit zu bestimmen. Stattdessen genügen die Temperaturverläufe in Bohrlöchern im Permafrost über die Tiefe und die Zeit. Daraus leiten wir direkt die Temperaturleitfähigkeit des Materials ab, basierend auf einer physikalischen Gleichung, der Wärmeleitungsgleichung, und deren Lösung. Wir haben dies für alle Tiefen der 29 Bohrlöcher des Schweizer Permafrostmessnetz PERMOS bestimmt und dabei Unterschiede zwischen Geländeformen wie Blockgletscher, Schutthalden und Felswänden festgestellt.

Das klingt kompliziert!

Man kann sich das vorstellen wie bei einem Löffel in einer Teetasse. Ist er aus Metall, ist er nach Sekunden spürbar heiss. Einer aus Holz benötigt viel länger, also Minuten. Das jeweilige Material nimmt die Temperatur unterschiedlich schnell auf und leitet sie unterschiedlich schnell weiter. Im Fels ist das ähnlich. Granit leitet Wärme typischerweise rund doppelt so schnell wie Schiefer.

Quelle: Grafik: Samuel Weber / SLF

Je nach Anteil von Luft, Wasser und Eis in Hohlräumen im Fels ändert sich die thermische Leitfähigkeit. An der gelben Spitze, bei reiner Luft, geht es am schnellsten, ist nur Eis vorhanden (dunkelviolette Ecke unten links), breitet sich Wärme besonders langsam aus.

Das bedeutet?

Die Wärme gelangt im Granit deutlich schneller in die Tiefe. Der Prozess läuft in Schiefer auch ab, aber eben deutlich langsamer. Folglich gibt es Unterschiede, wie schnell klimatische Veränderungen in der Tiefe ankommen.

Felswände aus Granit drohen also früher zu kollabieren als solche aus Schiefer?

So ist das zu vereinfacht formuliert. Die Wärme ist nur ein Faktor bei diesen Prozessen. Aber unsere Erkenntnisse fliessen nun in Modelle ein. Auf dieser Grundlage lassen sich präzisere Aussagen treffen – sowohl zum Wärmetransport im Fels als auch zu den Eigenschaften des vor Ort vorhandenen Materials.

Wie das?

Physikalisch gesehen beschreibt die Temperaturleitfähigkeit das Verhältnis zwischen der Temperaturveränderung mit der Zeit und mit der Tiefe. Wir vergleichen dann die modellierten Temperaturen basierend auf der bestimmten Leitfähigkeit mit den gemessenen Werten. Dabei haben wir auch Anomalien gefunden. Die sind wichtig, denn sie weisen auf zusätzliche Effekte hin. Denn im Permafrost ist nicht nur Fels vorhanden, sondern häufig auch Luft, Eis und Wasser. Wir erkennen an den Anomalien, zum Beispiel, wenn Wasser in die Tiefe gelangt, da das infiltrierte Wasser Wärme viel schneller transportiert. 

Interessant ist auch, dass sich die Temperatur in Schutthalden langsamer ausbreitet als im Fels. Dort befinden sich viel mehr Luft, Wasser und Eis zwischen dem Gestein. Alle drei stehen in einem klaren Zusammenhang.

In welchem?

Ihr Verhältnis bestimmt, mit welcher Geschwindigkeit sich die Temperatur in einem Gemisch aus diesen drei Komponenten sowie einem Gestein ausbreitet (siehe Grafik). Luft hat eine hohe Temperaturleitfähigkeit und beschleunigt den Vorgang, Wasser und Eis bremsen. Verändert sich Temperaturleitfähigkeit nun über die Zeit, kann dies einen Hinweis auf die Zusammensetzung der drei Komponenten im Hohlraum sein.

Was ist … Permafrost?

Permafrost ist Boden wie Fels, Schutt oder Moräne, der durchgehend Temperaturen unter 0°C aufweist und daher ständig gefroren ist. Rund fünf Prozent der Fläche der Schweiz besteht aus Permafrost, in der Regel in kalten und hochgelegenen Schutthalden und Felswänden oberhalb von 2500 Metern über dem Meeresspiegel.

(Interview: Jochen Bettzieche / SLF News)