Quelle: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) 22. März 2024.

22. März 2024 – Obwohl die beiden riesigen Eisfelder in den Anden Südamerikas mit rund 16.000 Quadratkilometern eine Fläche von der Größe Thüringens bedecken, ist über diese Patagonische Eiskappe recht wenig bekannt. Das versucht ein Team um Dr. Johannes Fürst vom Geographischen Institut der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) gerade zu ändern. Mit den vorhandenen, eher spärlichen Daten und neuesten Methoden hat die Gruppe das Volumen der beiden Eisfelder auf 5351 Kubikkilometer im Jahr 2000 neu eingeschätzt. In diesen beiden Eiskappen steckt demnach vierzigmal mehr Eis als in allen Gletschern der europäischen Alpen zusammen. Ihre Erkenntnisse haben die Forscher im Fachmagazin Communications Earth & Environment veröffentlicht.

Die Patagonischen Eisfelder stellen die Gletscher Europas also weit in den Schatten. Das zeigen bereits ihre riesigen Ausdehnungen: Schon das Nördliche Patagonische Eisfeld ist ungefähr 120 Kilometer lang und an manchen Stellen 50 bis 70 Kilometer breit. Das Südliche Patagonische Eisfeld hat mehr als die dreifache Fläche und erstreckt sich bei einer durchschnittlichen Breite von 30 bis 40 Kilometern rund 350 Kilometer von Nord nach Süd. Im Durchschnitt sind die Eismassen dort mehr als 250 Meter dick und damit rund fünfmal mächtiger als die Gletscher der europäischen Alpen.

Dazu kommt ein außergewöhnliches und zum Teil extremes Klima. Ähnlich wie in Mitteleuropa wehen die Winde auch in diesen Regionen Südamerikas oft von West nach Ost und tragen so feuchte Luft von den Ozeanen ins Land hinein. Der entscheidende Unterschied liegt in den Anden, die sich in Südamerika von Norden nach Süden erstrecken und so mit Höhen von oft weniger als 3000 Metern im Süden und teilweise 6000 Metern in den subtropischen und tropischen Regionen die feuchten, vom Pazifik hereinströmenden Luftmassen zum Aufsteigen zwingen. Dabei kühlen sie ab, können weniger Feuchtigkeit halten, und es beginnt je nach Höhenlage und Jahreszeit zu regnen oder zu schneien.

In den Regionen zwischen der Pazifikküste und den Anden fallen daher jährlich oft mehr als 3000 Millimeter Niederschlag. Jeder Quadratmeter Boden bekommt daher im Jahr 3000 Liter Regen, Schnee und Hagel ab. Im Vergleich erhalten Städte wie Nürnberg mit etwa 550 und München mit rund 930 Litern recht wenig Niederschlag. Westlich der Anden im Süden Chiles wächst daher in einem meist kühlen Klima ein dichter Regenwald, in dem nur sehr wenige Menschen leben. In den Hochlagen der Berge regnen sich die Wolken dann ab, und die Winde bringen dann in die Gebiete östlich der Anden relativ trockene Luft. Dort erstreckt sich daher über viele hundert Kilometer eine karge Steppenlandschaft, die ebenfalls nur dünn besiedelt ist.

Die beiden Patagonischen Eisfelder liegen also in einer recht abgelegenen Weltregion, in der deutlich weniger Klima- und Geodaten gemessen werden als zum Beispiel in Mitteleuropa. Obendrein streiten Argentinien und Chile seit langem über den Verlauf der Grenze, und ausgerechnet im Bereich der Südlichen Patagonischen Eiskappe haben sie diesen Konflikt auf Eis gelegt und damit große Teile der Gletscherflächen praktisch zu einem nur sehr schwer zugänglichen Niemandsland erklärt. Was geographische Messungen dort fast unmöglich macht.

Dazu kommt noch ein weiteres Problem: Die Niederschläge nehmen mit jedem Meter zu, den die Luftmassen an der Westflanke der Anden in die Höhe steigen. In den Gipfellagen und auf den beiden Patagonischen Eisfeldern schneit es daher sehr große Mengen. „Wir wissen allerdings nicht, wieviel Niederschlag dort tatsächlich fällt“, erklärt FAU-Forscher Johannes Fürst. Dort oben kommen nämlich so große Mengen, dass eine Wetterstation kaum dauerhaft betrieben werden könnte, weil in dieser abgelegenen Weltregion Störungen zumindest nicht rasch behoben werden können. Und weil die riesigen Schneemassen dort immer wieder Teile oder gar die gesamte Mess-Station zerstören könnten.

Ob dort also 10.000 oder vielleicht sogar 30.000 Liter Niederschlag im Jahr auf jeden Quadratmeter fallen, ist weitgehend unbekannt. „Spekulationen über den maximalen Schneefall reichen von weit über 30 Metern bis hin zu 100 Metern pro Jahr“, sagt Johannes Fürst. „Das sind unvorstellbare Mengen.“ Weil sich dort oben aus diesen Schneemassen mit der Zeit das Eis der Gletscher bildet, wären solche Zahlen wichtig, um die Vorgänge besser zu verstehen. Sicher ist jedenfalls eines: Die riesigen Niederschlagsmengen versorgen die Eiskappe laufend mit sehr viel Nachschub, der bald wieder talwärts fließt.

Das wiederum lässt die Gletscher, die aus den Patagonischen Eiskappen kommen, sehr rasch strömen. Während sich das Eis in den europäischen Alpen nur selten hundert Meter im Jahr nach unten schiebt, überschreiten die meisten Gletscher der Patagonischen Eisfelder dieses Tempo. Etliche von ihnen fließen sogar mit mehr als einem Kilometer im Jahr talwärts, einige erreichen sogar ein Tempo von mehreren Kilometern im Jahr. So hohe Geschwindigkeiten sind sonst nur von den Gletschern bekannt, die aus den mit Abstand größten Eiskappen der Erde über Grönland und über der Antarktis strömen.

Obendrein verlieren die Gletscher der Patagonischen Eisfelder nach Studien von Matthias Braun vom Institut für Geographie der FAU im Klimawandel jedes Jahr auch noch durchschnittlich einen Meter Eisdicke. Auch das ist ein rekordverdächtiger Wert und ein guter Grund dafür, die Patagonischen Eiskappen möglichst gut im Auge zu behalten und mit den Methoden der modernen Wissenschaft zu vermessen. Genau das hat Johannes Fürst jetzt in enger Zusammenarbeit vor allem auch mit chilenischen Forschungsorganisationen getan. Dabei hat die Gruppe die vorhandenen, oft nur spärlichen Messungen vor Ort mit den deutlich gröberen Satelliten-Daten verglichen. Damit wiederum lassen sich die Ergebnisse aus dem Weltraum kalibrieren und so auch die Eisdicken in abgelegenen Regionen ohne Vor-Ort-Daten besser abschätzen.

So gewinnt man auch Daten vom Boden unter dem Eis. Damit aber kann man viel besser einschätzen, wie schnell ein Gletscher in Zukunft schwinden dürfte. So kann sich unter dem Eis zum Beispiel eine Mulde im Gelände verbergen. Zieht der Gletscher sich zurück, kann sein Schmelzwasser diese Vertiefung zu einem See auffüllen. Endet dort die Eisfront, kann das relativ warme Wasser den Gletscher von unten angreifen. Dadurch kann oben mehr Eis abbrechen und so den Rückgang des Gletschers weiter beschleunigen.

Der FAU-Glaziologe und sein Team haben daher gute Gründe, die Patagonische Eiskappe auch vor Ort zu vermessen. Dabei fliegen sie mit einem Helikopter über den Gletscher und messen mit Radar-Strahlen die Tiefe des Eises bis auf wenige Meter genau. Und verbessern so die Daten dieses sehr dynamischen Eises kräftig. Solche Daten aber sind für die Klimaforschung sehr wichtig, weil die Patagonischen Eisfelder mit steigenden Temperaturen sehr rasch Eis verlieren. Da mit jedem Meter Fahrt mit einem Benzin- oder Diesel-Auto langfristig ein Zuckerwürfel Gletschereis schmilzt, will Johannes Fürst diese Eisfelder gut im Auge behalten, um gefährliche Entwicklungen besser als bisher einschätzen zu können.

Publikation:
https://www.nature.com/articles/s43247-023-01193-7
pdf: https://www.nature.com/articles/s43247-023-01193-7.pdf

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• Klimawandel

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Quelle: TU Dresden.

15. März 2022 – Jede und jeder kennt die Anekdote von Newton und dem Apfel. Da die Gravitation eine Wechselwirkungskraft ist, wird die Erde auch von dem Apfel angezogen. Damit ist klar, dass auch kleine Massenänderungen zu einer Veränderung des Schwerefelds führen.

Um diese kleinen Änderungen aufzuspüren, war ein Team aus deutschen und argentinischen Wissenschaftlern im südlichen Patagonien, in der argentinischen Provinz Santa Cruz unterwegs. Wissenschaftler der TU Dresden (TUD), des Bundesamts für Kartographie und Geodäsie (BKG) Leipzig, der Universidad Nacional de La Plata (UNLP) und des Argentine-German Geodetic Observatory (AGGO) haben die fünfwöchige Messkampagne Anfang März 2022 beendet und danach die mehr als 2.700 km lange Rückfahrt von El Calafate nach La Plata angetreten.

Im südlichen Patagonien, im Grenzgebiet zwischen Argentinien und Chile, befindet sich mit den Patagonischen Eisfeldern die größte zusammenhängende Eismasse auf der südlichen Hemisphäre außerhalb Antarktikas. Diese Eisfelder sind erheblichen Massenverlusten ausgesetzt, die größtenteils auf den Klimawandel, aber auch auf die natürliche Klimavariabilität und andauernde dynamische Ausgleichsvorgänge seit dem letzten glazialen Maximum zurückzuführen sind. Welche Anteile diesen verschiedenen Ursachen tatsächlich zugeschrieben werden können, ist eine der wichtigen offenen Fragen, zu denen aktuell geforscht wird und dieses Projekt einen Beitrag liefern soll.

Diese Massenänderungen erreichen eine Größenordnung von bis zu einem Fünftel der Antarktischen Eismassenverluste und bewirken sowohl eine Veränderung des Schwerefelds als auch Deformationen der Erdkruste. Letztere äußern sich in einer Krustenhebung von bis zu 4 cm pro Jahr, ermittelt durch vorhergehende Messungen der TUD-Wissenschaftler. Erschwert wird die Detektion dieser resultierenden Änderungen aber durch eine komplizierte tektonische Situation: Ungefähr 150 km nordwestlich des Nördlichen Patagonischen Eisfelds treffen drei tektonische Platten aufeinander. Wo die divergente Plattengrenze zwischen der Antarktischen und Nazca-Platte unter die Südamerika-Platte abtaucht (subduziert), öffnet sich ein Asthenosphären-Fenster, was zu außergewöhnlichen, bisher nur unzureichend verstandenen Massenumverteilungen im Erdinneren führt.

Als wichtigste Größe wurde der Schwerewert an acht Messpunkten bestimmt, von der Atlantikküste in Puerto San Julian bis zum östlichen Rand des südpatagonischen Eisfelds mit dem Glaciar Perito Moreno als bekanntestem Gletscher. Dafür wurde ein Absolutgravimeter des Typs Micro-g LaCoste FG5 eingesetzt, mit dessen Hilfe es möglich ist, die Schwerebeschleunigung mit einer extrem hohen Genauigkeit von nahezu einem Milliardstel der Erdschwere zu bestimmen. Ergänzt werden diese Messungen durch Relativschweremessungen mit einem Scintrex CG5-Gravimeter zur Bestimmung von lokalen Schweregradienten und Anschlüssen an Sicherungspunkte bzw. Punkte des argentinischen Schwerenetzes (RAGA) sowie durch präzise GPS-Messungen zur Bestimmung der Krustendeformation. Eine Besonderheit stellen Wasserstandsmessungen mittels GPS-Reflektometrie an den großen patagonischen Seen und der Atlantikküste dar: Die indirekt empfangenen, an der Wasseroberfläche reflektierten Signale der GPS-Satelliten werden in der Auswertung dazu genutzt, die Höhe des Wasserspiegels und damit den Gravitationseffekt von Füllstandsänderungen des jeweiligen Gewässers zu bestimmen.

„Um die Schwereänderungen aufgrund der Massenverluste zu detektieren, ist nach dieser bereits zweiten mindestens eine weitere Messkampagne notwendig“, sagt Thorben Döhne, Doktorand an der Professur für Geodätische Erdsystemforschung, verantwortlich vor allem für die Relativschweremessungen. „Allerdings stellen die Wetterbedingungen, vor allem mit den heftigen, andauernden Winden, und die nicht immer einfachen logistischen Umstände, z.B. beim Transport von Mensch und Material über unbefestigte Straßen und Furten, besondere Herausforderungen an ein solche Messkampagne“, berichtet Andreas Richter, ehemals an der TU Dresden und nun an der UNLP tätig. Die Forscher hoffen, indem sie die absolut gemessenen Schwereänderungen und die mittels GPS bestimmten Krustendeformationen ins Verhältnis setzen, neue Einsichten in die Struktur des Erdinneren und die Natur der beobachteten Deformationsprozesse zu gewinnen. „Außerdem wird es helfen, die an der Erdoberfläche durchgeführten, also bodengebundenen Messungen mit satellitengeodätischen Messungen der Massenbilanz und Höhenänderung der Patagonischen Eisfelder zu verknüpfen“, ergänzt Döhne.

Das Forschungsvorhaben „Gravimetrische Bestimmung der Reaktion der festen Erde auf Eismassenänderungen in Süd-Patagonien“ wird gemeinsam von Mirko Scheinert (TU Dresden) und Axel Rülke (BKG Leipzig) geleitet und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft durch eine Sachbeihilfe finanziert.

Dank
Die beteiligten Wissenschaftler bedanken sich ausdrücklich für die Unterstützung durch die Universidad Nacional de La Plata, Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas (Dekan: Prof. Raúl Perdomo), das Argentinisch-Deutsche Geodätische Observatorium (Wissenschaftlicher Direktor: Prof. Claudio Brunini), das Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) sowie das Instituto Geográfico Nacional (Direktor: Sergio Cimbaro).

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• Klimawandel

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Quelle: DLR.

Auf lokaler Ebene, in den tropischen Regionen zwischen Bolivien und Venezuela, sichert das Schmelzwasser der Gletscher die Trinkwasserversorgung während der Trockenzeit. Die grundlegenden Daten über die Massenveränderung der Gletscher sind jedoch nicht einfach zu beschaffen. Dabei tragen die Massenverluste global gesehen auch zum Anstieg des Meeresspiegels bei. Wie ein neues Analyseverfahren unter Verwendung von TanDEM-X-Daten zeigt, gilt das vor allem für Patagonien.

Üblicherweise müssen die Wissenschaftler die Gletschermassenänderungen vor Ort vermessen – problematisch bei großen und unzugänglichen Gebieten. Allein die patagonischen Eisfelder haben eine Gesamtfläche von fast 18.000 Quadratkilometer und liegen an der Grenze zwischen Chile und Argentinien in den Anden. Alternativ geben Schwerefeld-Messungen per Satellit Aufschluss über die Massenbilanz. Eine Methode, die sich jedoch nicht für Gletscher in tropischen Regionen mit geringer Eisbedeckung eignet. TanDEM-X bietet nun die Möglichkeit die Massenbilanz von Gletschern per Radarfernerkundung zu bestimmen – mit einem einheitlichen Messverfahren und so genau wie nie zuvor. Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) haben eine spezielle Verarbeitungsmethode entwickelt und konnten damit aus den Radardaten erstmals ein detailliertes Bild der Massenänderungen sämtlicher Gletscher Südamerikas gewinnen.

Ganze Gletscher verschwunden
Die FAU-Studie zeigt, dass die patagonischen Eisfelder die größten Verluste erlitten haben – Neben den Massenverlusten der großen Eisfelder sind bereits ganze Gletscher verschwunden. Zwischen 2000 und der Zeitspanne 2011-2015 schrumpfte das patagonische Inlandeis jährlich um rund 17,4 Gigatonnen. Das entspricht einem Rückgang von 19,3 Kubikkilometer pro Jahr und übertrifft selbst den Massenverlust von Gletschern, die in den Tropen liegen. Die Analyse der TanDEM-X-Daten bestätigt vorangegangene Untersuchungen und offenbart nun eine dramatische Entwicklung, wie sie bislang nur für Gebiete in Bolivien und Peru bekannt war.

Die TanDEM-X-Geländemodelle erfassen Höhenunterschiede mit einer Genauigkeit von einem Meter. So lassen sich selbst einzelne Gletscher präzise untersuchen. Die FAU-Geographen aus den Bereichen Fernerkundung und Geoinformation sowie physikalische Klimatologie um Prof. Dr. Matthias Braun und Dr. Tobias Sauter nutzen diese Daten aus dem Zeitraum 2011-2015 und verglichen sie mit Aufnahmen der Shuttle Radar Topographie-Mission aus dem Jahr 2000. Aus der Differenz berechneten sie, in einem komplexen Verfahren, zunächst die Höhenveränderungen der Gletscher und daraus die Veränderungen der Gletschermasse. Dank der hochauflösenden TanDEM-X Daten und der neuen Verarbeitungsmethode war es den FAU-Forschern somit erstmals möglich, die großen patagonischen Inlandeisflächen getrennt von den umliegenden Gletschern zu analysieren. Die Ergebnisse der weitreichenden Studie wurden im Fachmagazin „Nature Climate Change “ veröffentlicht und finden möglicherweise Eingang in den nächsten Bericht des Weltklimarats.

Fortsetzung TanDEM-X und Tandem-L
Derzeit läuft eine Aktualisierung des globalen Geländemodells der TanDEM-X-Mission – die Erlanger Forscher hoffen daher, von diesen Daten in Zukunft noch mehr profitieren zu können. Sie möchten ihre Analysen auch auf andere Regionen ausdehnen und vor allem zeitlich fortschreiben. Eine weitere Hoffnung der Geographen ruht auf Tandem-L, der Nachfolgemission zu TanDEM-X. Ziel von Tandem-L ist es, die Landmasse der Erde im Wochenrhythmus abzubilden. Im L-Band-Frequenzbereich von 23,6 Zentimeter könnten die Radarsignale der neuartigen Satelliten durch die Vegetation durch und in den Erdboden hineindringen. So sollen Radar-Tomographische-Aufnahmen ein Bestandteil der Tandem-L-Mission sein, um eine noch genauere Erfassung der Gletschermassen zu ermöglichen. Künftig könnten die FAU-Wissenschaftler die Gletschergebiete in Südamerika zeitlich und räumlich hochgenau beobachten und weitere wertvolle Erkenntnisse daraus erarbeiten.

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