Firn und Eis in grossen Höhen

Jürg Alean, Bülach

Kalter Firn Seit rund zehn Jahren ist der Colle Gnifetti in der glaziologischen Fachliteratur keine unbekannte Grosse mehr [7]. Glaziologen und Klimatologen aus der Schweiz und der Bundesrepublik Deutschland haben ihn regelmässig besucht, ihn vermessen, mit Radioecholo-ten durchleuchtet, durchbohrt und seinen Firn und sein Eis analysiert. Wie kam die rund V* km2 grosse Firnfläche zu dieser Berühmtheit?

Kernbohrungen im grönländischen und antarktischen Eis hatten ergeben, dass dort Klima-Informationen gleichsam im Eis abgespeichert sind. Der abgelagerte Schnee enthält viel Luft. Bei der Umwandlung zu Firn und schliesslich zu Eis bilden sich kleine Luftblasen, die solange eingeschlossen bleiben, bis das Eis schmilzt. Holt man Eisproben aus grosser Tiefe, erhält man sehr altes Eis. Auf dem grönländischen Inlandeis gelang es erstmals, Eis zu fördern, das nicht nur während, sondern sogar vorder Würm-Kaltzeit als Schnee niederging, also vor rund 100000 Jahren. Anhand der Gaseinschlüsse, von Verunreinigungen ( angewehter Staub ) und Isoto-penverhältnissen können die Klimabedingungen der letzten hunderttausend Jahre und mehr rekonstruiert werden - allerdings handelt es sich dabei um die Klimabedingungen von Grönland.

Die Eisschilde Grönlands und der Antarktis sind aber weit von den die Atmosphäre ver-schmutzenden Ballungszentren der Bevölkerung und Industrie entfernt. Tiefgefrorene Daten über klimatische Veränderungen und insbesondere über die zunehmende Luftverschmutzung wurden auch in alpinen Firnge- Die tagelange Warterei auf Flugwetter im August 1981 hatte auch ihr Gutes: Auf der 2200 m hohen Alp Täsch konnten wir uns ein wenig an die Höhenluft akklimatisieren. Dann endlich war es soweit. Schnell vertrieben wir ein paar Kühe, luden Kameras und packten Kisten in den Armeehelikopter, der uns dann innerhalb allzu kurzer Minuten in die gleissende Hochgebirgswelt des Monte Rosa hinaufbeförderte. Zwischen Signalkuppe ( 4554 m, darauf die Capanna Margherita, höchstgelegene Hütte der Alpen, Abb. 1 ) und Zumsteinspitze ( 4563 m ) wurden wir auf dem flachen Firnsattel des Colle Gnifetti ( 4452 m, Abb. 2 ) abgesetzt. Bei strahlendem Sonnenschein begann die Feldarbeit.

1 Blick von der Zumsteinspitze über den Colle Gnifetti zur Capanna Margherita auf der Signalkuppe ( rechts oben ). Das Pegelmessnetz ist an den Spuren im Firn zu erkennen ( Juli 1981 ).

bieten vermutet. Wichtig wäre es vor allem, aus dem vor Jahrzehnten und Jahrhunderten abgelagerten Firn den Zustand der Atmosphäre vor Beginn der Industrialisierung und vor Beginn der direkten Messungen in der Luft dokumentieren zu können. Dazu muss dieser Firn aber möglichst sein. Weshalb?

Gletscherforscher nennen Eis dann kalt, wenn es permanent kälter als die Schmelztemperatur ist. Sehr kalte Firnschichten schmelzen nicht auf, und es gibt kein Versickern von Schmelzwasser ( Perkolation ) in tiefere Schichten. Nur so bleiben die sukzessiven Ablagerungen ungestört erhalten. Kalter Firn existiert in den Alpen nur etwa ab 3600 m Höhe. Exposition, Firndichte und Gletscherform spielen dabei noch eine Rolle [1, 4]. Allerdings erreichen die Firntemperaturen auf ebenen Flächen erst etwa auf der Höhe des Colle Gnifetti oder des Mont-Blanc-Gipfels ( Abb. 5 ) derart niedrige Werte, dass selbst im Sommer kaum Perkolation auftritt: beim Colle Gnifetti rund -15° in mehreren Metern Tiefe; entsprechend etwa der Jahresdurchschnitts-temperatur an der Firnoberfläche.

Sowohl der Mont Blanc als auch der Monte Rosa verraten ihren kalten Firn in einem interessanten Phänomen weitab der Gipfelregionen: Der zu Gletschereis gewordene Firn schliesst besonders viele Luftblasen ein und Materialtransport anlässlich der Feldkampagne im August 1981. Hinter dem Helikopter der südexponierte Hang der Zumsteinspitze, oberhalb des Piloten der Grenzgipfel und ganz rechts das Nordend 123 3 Flugbild des Grenzgletschers aus der Nähe des Colle Gnifetti: In der hochgelegenen und kalten Firnregion entsteht blasenreiches Gletschereis, das im Zungenbereich wieder zum Vorschein kommt. Der unterste Abschnitt des Grenzgletschers ( genau im Bildzentrum ) ist deshalb heller als der von rechts aus einem weniger hohen Firngebiet da-zufliessende Gornergletscher.

fliesst beim Mont Blanc durch den Glacier de Bossons und beim Monte Rosa durch den Grenzgletscher/Gornergletscher talwärts. Im Bereich der tiefliegenden Gletscherzungen kommt das kalte, durch ( trockene Metamorphose ) entstandene Eis wieder an die Oberfläche. Beide Zungen sind auffällig weiss, heller als die der Nachbargletscher und heller auch als ihre eigenen, auf mittlerer Höhe gelegenen Abschnitte ( Abb. 3 und 6 ). Da der Grenz-/Gor-nergletscher im Zungenbereich sehr flach ist, bilden sich zusätzlich reizvolle Schmelzwas-serlöcher von bis über 100 m Durchmesser ( Abb.4 ). Hätte das Eis nicht eine Temperatur von deutlich unter 0 °C, das Schmelzwasser würde einen Ausgang durch den Gletscher finden. Bohrungen ergaben in diesem Bereich Eistemperaturen von immer noch -2 bis -3 °C [3]. Im Eis versickerndes Wasser gefriert und dichtet Löcher ab.

Kalt genug ist er also, der Firn des Colle Gnifetti. Abgeklärt werden musste nun aber noch, ob Schnee dort überhaupt in genügenden Mengen liegen bleibt.

Geringe Schneeablagerung Dem Laien ist der Zusammenhang bekannt: je höher, desto grosser die Schneemenge. Alpinisten erfahren hin und wieder, dass hier jedoch eine obere Grenze besteht. Besonders im Winter zeigt Blankeis an exponierten Stellen in grosser Höhe, dass nur wenig Schnee liegen bleibt. Der Neuschnee wird Verblasen. Es kann sogar vorkommen, dass bei stürmischem Wind die bestehende Schneedecke abgetragen wird ( Abb. 7 ). Am Colle Gnifetti wurde schon beobachtet, wie bei Sturm qua-dratmetergrosse Windharschplatten weggerissen wurden.

Akkumulationsmessungen aus grossen Höhen sind selten. Auf dem Jungfraufirn des Grossen Aletschgletschers und am Mont Blanc wurden auf rund 3500 m ü. M. im Mittel etwa 3 Meter Wasseräquivalent ( WE ) Jahreszuwachs registriert ( Wasseräquivalent: man denkt sich die Schneeschicht geschmolzen, so dass Dichteunterschiede keine Rolle spielen und damit die Werte mit denen des flüssigen Niederschlages im Tiefland direkt verglichen werden können ). In noch grösserer Höhe nimmt die Akkumulation rasch ab. Auf 4300 bis 4800 m sind Werte von rund einem halben Meter WE typisch, also etwa die Hälfte des Niederschlages im Schweizer Mittelland [4]!

Im Hinblick auf Analysen von Firnproben vom Colle Gnifetti hat dies Vor- und Nachteile: Geringer Firnzuwachs bedeutet, dass Bohrungen schon in geringer Tiefe in Bereiche recht hohen Firnalters vordringen [8]. Andererseits führt die gelegentlich massive Winderosion an der Oberfläche dazu, dass nicht aller Niederschlag erhalten bleibt. Somit schien es auch kaum aussichtsreich, das Alter von Firnschichten durch Abzählen von Jahreshorizonten bestimmen zu wollen, wie es auf mittelhoch gelegenen Firngebieten durchaus möglich ist ( vgl. Abb. 8 ). Die Akkumulationsverhältnisse im Detail zu untersuchen war unsere Aufgabe bei der Feldkampagne 1981 [1,4].

.> Dazu wurden an mehreren, durch Messstangen markierten Stellen Schneeschächte ausgehoben und die Schichtfolge genauer analysiert. An zusätzlichen Stellen wurden einfachere Bohr- und Rammsondierungen durchgeführt. Bald zeichnete sich ein verblüffendes Bild ab: An der Südwestflanke der Zumsteinspitze war der Firnzuwachs um ein Vielfaches höher ( bis rund 1 m WE, d.h. eine etwas über 2 m mächtige Firnschicht ) als an der Nordostseite der Signalkuppe ( bis weniger als 0,1 m WE oder etwa 1A m mächtige Schicht ).

Die Erklärung des Phänomens ergaben die Beobachtungen der Firnstratigraphie, der Das blasenreiche und somit sehr helle Eis der Grenzgletscherzunge ist im Innern rund -2 bis -3°C kalt, da es in einer sehr hoch gelegenen Firnregion entstand. Wegen der tiefen Eistemperaturen kann das Schmelzwasser nicht leicht abfliessen, und es bilden sich die für diesen Gletscher charakteristischen Schmelzwasser- Rammsondierungen und der Temperaturmessungen: Während auf der Seite der Zumsteinspitze zahlreiche, zum Teil mächtige Eisschichten vorkamen, fehlten diese auf der Seite der Signalkuppe. Gleichzeitig war die Firntemperatur hier in 2 m Tiefe mehr als 5 °C tiefer als auf der Seite der Zumsteinspitze. Offenbar bewirkt die am Südwesthang stärkere Sonneneinstrahlung im Hochsommer gerade noch genug Schneeschmelze zur Bildung von Eisschichten, am Nordosthang hingegen nicht oder nur selten. Die Eisschichten des südwestexponierten Hanges der Zumsteinspitze schützen in der Folge den abgelagerten Schnee vor Winderosion. Am nordostexponierten Hang fehlt dieser Schutz, die Abtragung ist stärker. Die Folge ist das für Flachlandbewohner ungewohnte Phänomen: den grössten permanenten Firnzuwachs erhält auf dieser Höhe nicht der schattige Nord-, sondern der warme Südhang.

Anders als auf tiefer gelegenen Firnflächen dürfte auf grossen Höhen nicht der Winter, sondern der Sommer die Zeit des grössten Schneezuwachses sein: Der Niederschlag fällt ohnehin ganzjährig als Schnee ( gelegentlich sicher auch in Form von Graupeln ). Die grösste Wahrscheinlichkeit, dass dieser bei relativ hohen Temperaturen verpappt oder gar unter Eisschichten versiegelt wird, besteht natürlich in der wärmsten Jahreszeit.

Hängegletscher Ein kurzer Exkurs zu anderen Viertausendern: Geringe oder grosse Akkumulation auf Hängegletschern bestimmt deren Massenumsatz: je mehr Firnzuwachs ein Hängegletscher erhält, desto mehr Eis kann an seiner Unterseite in Form von Eislawinen abbrechen. Eine laufende Beobachtung der Eislawinentätigkeit des südlichen Hängegletschers des Mönch ( Abb. 10 ) erlaubte, rückwärts rechnend, seine Massenbilanz ohne Firnzuwachsmessungen zu bestimmen ( vgl. [2] ). Durchschnittlich dürfte sie bei grössenordnungsmässig 2 m WE liegen. Eine ähnliche, allerdings wesentlich ungenauere Berechnung für den Hängegletscher an der Nordostflanke des Bishorns ( Abb. 11 ) ergab einen viel kleineren Wert im Bereich von 1A bis Y m WE. Die zwei Hängegletscher liegen etwa gleich hoch, allerdings ist derjenige am Mönch im unteren Teil deutlich flacher. Dies begünstigt die Ablagerung von Neuschnee und kleineren Schneelawinen aus dem oberen Wandbereich. Zudem liegt das Bishorn in einem niederschlagsärmeren Gebiet als der Mönch. Teilweise dürften aber höhere Firntemperaturen und zahlreichere, erosionshemmende Eisschichten den grösseren Massenumsatz des südlichen Hängegletschers am Mönch erklären.

Sogar folgende Spekulation ist denkbar: Bei einer ( beispielsweise durch CO2-Zunahme in der Atmosphäre verursachten ) Klimaerwärmung könnten hochgelegene Hängegletscher einen höheren Firnzuwachs bekommen und auf diesen schliesslich mit verstärkter Eislawinentätigkeit reagieren. Doch zurück auf den Boden der Realität auf dem Colle Gnifetti.

Datierung von Bohrkernen Die Messungen am Pegelnetz zeigten zwar eine interessante Verteilung des Firnzuwachses. Es ist jedoch keineswegs garantiert, dass die Situation von 1980/81 typisch ist. Tatsächlich war der Zuwachs im folgenden Jahr 1981/82 viel kleiner, an den meisten Pegeln sogar negativ: die Erosion war grosser als die Firnbildung. Somit kann man keinen sicher bekannten Wert des Firnzuwachses in die Tiefe eines Bohrkerns extrapolieren, um sein Alter zu bestimmen. Auch ist es durchaus möglich, dass sich die Ablagerungsverhältnisse im Lauf der Jahrzehnte änderten. Wie datiert man also Bohrkerne?

Kernbohrungen auf dem Colle Gnifetti wurden 1976, 1977 und 1982 durchgeführt ( Abb.9 ). 1976 gelang eine Bohrung bis auf 33 m Tiefe. 1982 wurde an zwei Stellen, bei 66 m bzw. 124 m, das Felsbett erreicht. Die geförderten Bohrkerne wurden in Proben zerlegt, an denen unter anderem folgende Messungen durchgeführt wurden:

- Dicke und Häufigkeit von Eisschichten ( Hinweis auf hohe Temperaturen),elektrische Leitfähigkeit,pH-Wert ( Säurekonzentration),Staubkonzentration,Sauerstoffisotopenverhältnisse ( Hinweise auf Temperaturen),Häufigkeit bestimmter Elemente und Radikale ( z.B. Blei),Tritiumkonzentration.

Tritium ist ein radioaktives ( und damit auch leicht nachweisbares ) Isotop von Wasserstoff, das bei Wasserstoffbombentests in der Atmosphäre erstmals in grossen Mengen während der fünfziger und sechziger Jahre freigesetzt wurde. Entsprechend den vorausgehenden Explosionen nimmt die Tritiumkonzentration auf drei Firnhorizonten jeweils um etwa eine Grössenordnung zu. Die Horizonte von 1953, 1958 und 1962 konnten so eindeutig fixiert werden ( der tragische Reaktorunfall von Tschernobyl hat zu einem neuen, markanten Tritiumhorizont 1986 geführt, der im Juli 1986 u.a. auf dem Colle Gnifetti erstmals registriert wurde; vgl. [6] ).

Von den Horizonten von 1953, 1958 und 1962 aufwärts gerechnet, ergab sich ein mittlerer Firnzuwachs von etwa 0,3 m WE in guter Übereinstimmung mit den Durchschnittswerten aus den Schneeschachtmessungen. Zusätzlich abgesichert sind diese Datierungen durch die Profile der Staubkonzentrationen. Markante Staubhorizonte konnten klar den durch meteorologische Beobachtungen dokumentierten Saharastaubfällen ( 1938, 1947, 1977 ) zugeordnet werden. Somit geht die Datierung bereits fast ein halbes Jahrhundert zurück und kann mit einer gewissen Verlässlichkeit bis vor die Jahrhundertwende extrapoliert werden.

Saharastaubfälle scheinen übrigens rund zwei Drittel der Staubniederschläge auf dem Colle Gnifetti auszumachen [9]. Markante Ereignisse können vom Alpinisten unmittelbar nachher an der rötlich oder gelblich gefärbten Schneeoberfläche ( vgl. QH IV/78, S. 160 ) oder später an Spaltenwänden in Firngebieten als gefärbte Horizonte erkannt werden ( Abb. 8 ).

Im Eis registrierte Umweltverschmutzung Gerade der Mineralstaubanteil der Eisproben kompliziert nun aber auch eine wichtige Frage im Zusammenhang mit den Bohrkernen: Geben die datierten Bohrproben Auskunft über die Luftzusammensetzung vor Jahrzehnten? Teilweise neutralisieren die Mineralien natürlicher Herkunft den vom Menschen verursachten Säureanteil im Eis. Es konnte aber gezeigt werden, dass während der letzten Jahre zwar der Staubanteil der Firnproben anstieg, der Säuregehalt aber ebenso. Somit ist auch der Schnee in der klaren Höhenluft des Colle Gnifetti künstlich versauert.

Im weiteren ergab die Analyse der Firnproben eine mindestens dreifache Zunahme des Schwefelgehaltes der Niederschläge auf dem Colle Gnifetti während der letzten 100 Jahre ( entsprechende Zunahme in einem grönländischen Bohrkern: Faktor 2 ). Genauere Aussagen über die Veränderungen der Luftzusammensetzung auf der Höhe des Colle Gnifetti erfordern allerdings noch weitergehende Untersuchungen. Beispielsweise ist noch unklar, inwieweit die touristischen Aktivitäten die Schneequalität beeinflussen ( u.a. Helikopter-landungen !).

Spurenelemente wie Schwefel, Arsen, Antimon, Selen, Zink und Brom wurden in grossen Firnproben aus oberflächennahen Schichten gesammelt und mit Messungen auf der Hochalpinen Forschungsstation Jungfraujoch verglichen. Es zeigte sich, dass die Luft des Colle Gnifetti deutlich sauberer ist als die des fast 1000 m tiefer gelegenen Jungfraujoches. Somit ergeben sich interessante Hinweise auf den vertikalen Schadstofftransport in der Atmosphäre.

Aus der hohen Gipfelregion des Mont Blanc fliesst der steile Glacier de Bossons gegen Chamonix. Seine Zunge verrät wie der Grenzgletscher tiefe Eistemperaturen durch ihre ausserordentlich helle Farbe. Anders als beim Grenzgletscher bilden sich jedoch wegen des grossere n Gefälles keine Schmelzwasserseen. Juli 1982 Jahrtausende altes Eis?

Hundertjähriges Eis liegt auf dem Colle Gnifetti in weniger als 50 m Tiefe. Der längste Kern misst jedoch 124 m. Kann man damit noch weiter in die Klimageschichte zurückblicken?

Dass überhaupt so altes Eis immer noch auf dem Colle Gnifetti zu finden ist, liegt an seiner geometrischen Form. Im Zentrum seiner Sat-telfläche fliesst das Eis weder gegen die Monte-Rosa-Ostwand nach Italien noch über den Grenzgletscher gegen Zermatt hin ab. Die Eisschichten werden lediglich durch Druckzunahme und seitliche Dehnung in grösserer Tiefe immer dünner. Somit gibt es auf dem Sattel theoretisch einen Punkt, auf dem das Eis für immer liegen bleibt. Wo dieser Punkt liegt, hängt aber wesentlich von der Form des Gletscherbettes ab. Dieses bestimmt auch, zusammen mit der Form der Firnoberfläche, wie das Eis von den Flanken der Signalkuppe und der Zumsteinspitze ( mit ihren sehr verschiedenen Firnzuwachsraten, siehe oben ) in den Ort der Bohrkernentnahme hineinfliesst.

9 Bei der Kampagne 1982 wurde das Eis des Colle Gnifetti bis zum Gletscherbett durchbohrt. Die Winde vorne links hebt und senkt den Bohrer, der von der Person im Schneeschacht gehalten wird.

Die geometrischen Verhältnisse und das Ak-kumulationsmuster auf dem Colle Gnifetti sollten es in Zukunft erlauben, immerhin rund 300 Jahre altes Eis aus der ( Kleinen Eiszeit ) noch mit einiger Genauigkeit zu datieren. Die untersten Eisproben dürften sogar Jahrtausende alt sein.

Um die Felsbettgeometrie und Eisbewegung zu messen, hatten wir 1981 mit einem Radioecholot Eisdickenmessungen durchzuführen ( vgl. QH IV/82, S. 173 ). Mit Theodolit und elektronischem Distanzmessgerät wurde die Verschiebung der im Vorjahr eingesetzten Markierstangen gemessen. Die topographische Vermessung ergab einen nicht geplanten Zusatzerfolg: Wegen der unerwartet hohen Firnakkumulation an der Flanke der Zumsteinspitze waren einige Stangen eingeschneit. Durch Einmessen der Vorjahresposition und Abschätzen der Jahresbewegung des Eises ( wenige Meter ) konnten wir sie lokalisieren und wieder ausgraben.

Drei Tage Feldarbeit auf 4450 m Höhe und bei entsprechend reduziertem Sauerstoffangebot ist anstrengend, und das Kopfweh will nie so recht aufhören. Belohnt wurden wir jedoch täglich durch strahlend blauen Himmel mit Fernsicht den Alpen entlang vom Monte Viso bis zum Adamello-Massiv. Bei Windstille war die Strahlungswärme in den Schneeschächten so intensiv, dass hemdärmlig gearbeitet wurde ( nicht alle Feldkampagnen auf dem Colle Gnifetti waren von solchem Wetterglück gesegnet ). So sehr war ich von der Atmosphäre und Aussicht unseres angetan, dass ich den Abstieg über den Grenzgletscher nur ungern antrat. Doch das Grün und die Blumenpracht am Gornergrat waren ein würdiger Empfang zurück aus der Welt von Schnee und Eis.

Literatur 1. Alean, J., Haeberli, W. und Schädler, B. ( 1983 ): Snow accumulation, firn temperature and solar radiation in the area of the Colle Gnifetti core drilling site ( Monte Rosa, Swiss Alps ): distribution patterns and interrelationships. Zeitschrift für Gletscherkunde und Glazialgeologie 19, Heft 2, S. 131-147 2. Alean, J. ( 1985 ): Eislawinen. , QH III, S.121-132 3. Blatter, H. und Haeberli, W. ( 1984 ): Modelling temperature distribution in Alpine glaciers. Annals of Glaciology 5, S. 18-22 4. Haeberli, W. und Alean, J. ( 1985 ): Temperature and accumulation of high altitude firn in the Alps. Annals of Glaciology 6, S. 161-163 5. Haeberli, W. et al. ( 1983 ): Accumulation characteristics on a cold, high-alpine firn saddle from a snow-pit study on Colle Gnifetti, Monte Rosa, Swiss Alps. Journal of Glaciology 29, No. 102, p. 260-271 6. Haeberli, W. et al. ( 1987 ): The signal from the Chernobyl accident in high-altitude firn areas of the Swiss Alps. Symposium on Ice Core Analysis, Bern 1987 7. Oeschger, H. et al. ( 1977 ): First results from Alpine core drilling projects. Zeitschrift für Gletscherkunde und Glazialgeologie 13, Heft 1/2, S. 193-208 10 Der südexponierte Hängegletscher des Mönch hat einen verhältnismässig grossen Massenumsatz ( vgl. Abb. 11 ). Bedeutende Firnakkumulation führt zur Bildung grosser Eismengen, die als Eislawinen auf den Jungfraufirn niedergehen. Flugaufnahme 5. Juli 1982, Eislawine vom 3. Juli 1982 8. Schotterer, U. et al. ( 1985 ): Information on paleo-precipitation on a high-altitude glacier, Monte Rosa, Switzerland. Zeitschrift für Gletscherkunde und Glazialgeologie 21, S.379-388 9. Wagenbach, D. et al. ( 1983 ): A long-term aerosol deposition record in a high altitude Alpine glacier. WMO Technical Conference on Observation and Measurement of Atmospheric Contaminations ( tecomac ), Wien 1983 11 Wegen seiner grösseren Neigung, wohl aber auch wegen tieferer Firntemperaturen hat der Hängegletscher in der Nordostflanke des Bishorns kleinere Massenumsätze als der Hängegletscher am Mönch.