79°N-Gletscher: Wie Schmelzwasser eine Gletscherzunge destabilisiert

Hoch über dem Arktischen Ozean verformt, reisst und hebt sich eine schwimmende Gletscherzunge, während Schmelzwasser durch sie strömt. Das ermöglicht einen seltenen Echtzeitblick darauf, wie ein sich erwärmendes Klima Eis, das lange als vergleichsweise stabil galt, rasch destabilisieren kann.

Eine Gletscherzunge unter Druck

An der abgelegenen Nordostküste Grönlands ist die Nioghalvfjerdsbræ-Eiszunge – besser bekannt als 79°N-Gletscher – zu einem natürlichen Forschungslabor für Klimawissenschafterinnen und Klimawissenschafter geworden. Sie zählt zu nur drei noch bestehenden grossen schwimmenden Gletscherzungen Grönlands. Allein deshalb ist sie für künftige Projektionen des Meeresspiegels bedeutsam.

Seit der Mitte der 1990er-Jahre hat sich die Region deutlich erwärmt. Wärmeres Meerwasser greift den Gletscher von unten an. Gleichzeitig haben steigende Lufttemperaturen Teile seiner Oberfläche saisonal in eine Landschaft aus Teichen und Bächen verwandelt.

Satellitenbilder zeigten 1995 erstmals etwas Neues: einen grossen Schmelzwassersee, der direkt auf der Gletscherzunge lag. Dieser rund 21 Quadratkilometer grosse See steht seither im Mittelpunkt einer detaillierten Studie unter Leitung von Forschenden des Alfred-Wegener-Instituts (AWI) in Deutschland.

„Der See friert nicht einfach zu und wieder auf. Er entleert sich wiederholt in plötzlichen, heftigen Ereignissen, die den Gletscher selbst umgestalten.“

Das Team hat inzwischen sieben grosse Entleerungen dieses einen Sees dokumentiert, vier davon allein in den vergangenen fünf Jahren. Bei jedem Ereignis strömen enorme Mengen Süsswasser durch Risse und senkrechte Schächte im Eis bis zum Gletscherbett und weiter in Richtung Ozean.

Ein riesiger See, der über Nacht verschwindet

Sieben Entleerungen, schneller und ungewöhnlicher

Entleert sich der See, geschieht das rasch – innerhalb von Stunden bis Tagen. Auf Satellitenaufnahmen vor und nach dem Ereignis wird eine leuchtend blaue Wasserfläche plötzlich stumpf und rissig. An der Stelle des ruhigen Wassers erscheint ein komplexes Muster aus Spalten.

Ab 2019 beobachteten AWI-Forschende in diesen Bruchfeldern eine auffällige neue Geometrie: grosse dreieckige Strukturen, die vom entleerten Becken nach aussen strahlen. Diese Merkmale unterscheiden sich von den eher kreisförmigen, senklochähnlichen Mustern, die üblicherweise bei der Entleerung von Oberflächenseen auf anderen Gletschern auftreten.

„Die dreieckigen Bruchfelder wirken wie riesige Trichter und leiten Wasser in Öffnungen im Eis, die mehrere Dutzend Meter breit sind.“

Diese Öffnungen heissen Moulins – senkrechte Schächte, die wie Abflüsse an der Gletscheroberfläche funktionieren und Schmelzwasser direkt zum Untergrund leiten, teils mehr als einen Kilometer tief. Überschreitet der See einen kritischen Pegel, transportieren diese Moulins innerhalb kürzester Zeit gewaltige Wassermengen.

Aufnahmen aus Flugzeugen und von Satelliten zeigen, dass das Wasser auch nach einer grossen Entleerung noch eine Zeit lang durch die Moulins fliesst. Der Gletscher wird somit nicht durch einen einmaligen Schub, sondern durch wiederholte Schmelzwasserimpulse durchspült.

Das ungewöhnliche Verhalten von „lebendigem“ Eis

Die Studie verdeutlicht zudem, dass Eis sich auf nicht immer intuitive Weise verhält. Über Jahre und Jahrzehnte fliesst Gletschereis wie eine extrem zähe Flüssigkeit, auf kürzeren Zeitskalen kann es sich jedoch wie ein elastischer Werkstoff biegen und zurückfedern.

Diese doppelte Eigenschaft erklärt die lange Lebensdauer des dreieckigen Bruchsystems. An der Oberfläche bleiben die Risse über Jahre sichtbar und weitgehend unverändert. Im Inneren des Gletschers zeigen Radarmessungen, dass sich die Kanäle verändern, zusammendrücken und durch das Kriechen sowie Wiedergefrieren des Eises teilweise schliessen, jedoch nicht vollständig verschwinden.

Damit beginnt nicht jede sommerliche Schmelzsaison bei null. Bereits vorhandene Schwachstellen können erneut aktiviert werden, sobald neues Schmelzwasser eintrifft. Das könnte erklären, warum sich der See in den letzten Jahren häufiger entleert hat.

• Viskoses Verhalten: Eis fliesst unter seinem Eigengewicht langsam hangabwärts.
• Elastisches Verhalten: Bei rascher Belastung kann Eis sich verformen, reissen und zurückfedern.
• Ergebnis: langlebige Bruchsysteme, die sich bei steigendem Wasserdruck wieder öffnen können.

Wenn Wasser einen ganzen Gletscher anhebt

Eine verborgene Blase unter dem Eis

Eines der auffälligsten Ergebnisse der AWI-Studie stammt aus feinen Schatten in Luftbildern und Echos von eisdurchdringendem Radar.

Entlang mancher Bruchlinien liegen die beiden Seiten der Spalte nicht auf derselben Höhe. Eine Seite ist leicht angehoben, was darauf hindeutet, dass das Eis von unten nach oben gedrückt wurde. Die stärkste Hebung befindet sich direkt unter dem früheren Seebecken.

„Grosse Mengen des abfliessenden Wassers scheinen sich unter dem Gletscher gesammelt und einen unter Druck stehenden subglazialen See gebildet zu haben, der die Gletscherzunge darüber physisch anhebt.“

Radarprofile zeigen offenbar eine Wasserblase, die unter dem Gletscher eingeschlossen ist. Der zusätzliche Wasserdruck drückt das Eis nach oben und verformt die Oberfläche um mehrere Meter. Bemerkenswert ist, dass die mit dieser Hebung verbundenen Oberflächenrisse mehr als 15 Jahre nach der ersten grossen Entleerung noch sichtbar sind.

Diese Anhebung verändert nicht nur die Form des Gletschers. Steigt der Wasserdruck an seiner Basis, nimmt die Reibung zwischen Eis und dem darunterliegenden Fels oder Sediment ab. Dadurch kann der Gletscher schneller in Richtung Meer gleiten, insbesondere während oder kurz nach Entleerungsereignissen.

Wechselt der 79°N-Gletscher in einen neuen Zustand?

Durch die Kombination von Satellitenbildern, luftgestütztem Radar und Computersimulationen rekonstruierte das Team, wie sich der See füllt und leert, wie sich Risse ausbreiten und wie sich innere Kanäle öffnen und schliessen.

Mit viskoelastischen Modellen – mathematischen Werkzeugen, die sowohl das Fliessen als auch das federnde Verhalten von Eis berücksichtigen – prüften die Forschenden, ob sich diese Entwässerungswege wieder vollständig verschliessen können oder ob jedes Ereignis das System etwas stärker auf das nächste vorbereitet.

„Die entscheidende Frage ist nun, ob wiederholte Entleerungen den Gletscher in eine andere, weniger stabile Verhaltensweise gedrängt haben.“

Innerhalb von ungefähr einem Jahrzehnt wandelte sich der See von sporadischen Ausbrüchen zu einem regelmässigeren Muster schneller, wiederholter Entleerungen. Jedes Ereignis leitet einen extremen Schmelzwasserimpuls in den Untergrund des Gletschers und verändert die Bedingungen an seiner Basis innerhalb von Stunden bis Tagen.

Die Forschenden fragen sich nun, ob der Gletscher jeden Winter noch zu einer ruhigeren Konfiguration zurückkehren kann oder ob er einen Schwellenwert überschritten hat, bei dem Risse und Kanäle zu semipermanenten Strukturen werden, die sich aktivieren, sobald die Schmelze wieder einsetzt.

Warum ein einzelner See für den globalen Meeresspiegel wichtig ist

Risse wandern weiter den Gletscher hinauf

Die Einzelheiten eines Sees auf einem einzelnen Gletscher mögen sehr lokal wirken. Für Modellierende von Eisschilden liefert dieses System jedoch seltene Daten darüber, wie Oberflächenschmelze mit einem tiefen, verborgenen Entwässerungssystem in grossen Eismassen verbunden ist.

Mit der Erwärmung der Atmosphäre verlagert sich die Zone, in der sich Schmelzwassertümpel bilden können, beim 79°N-Gletscher weiter landeinwärts und höher den Hang hinauf. Neue Risse und Seen erfassen heute eine grössere Fläche der Gletscherzunge als in den 1990er-Jahren.

Dieser Vorgang ist nicht auf Nordostgrönland beschränkt. Über den gesamten Eisschild hinweg entstehen jeden Sommer Tausende saisonale Seen. Manche frieren einfach wieder zu. Andere entleeren sich katastrophal und durchbrechen Hunderte Meter Eis. Bisher hatten Modelle Schwierigkeiten, solche Ereignisse realitätsnah abzubilden.

Die AWI-Studie stellt gemessene Bruchgeometrien, Zeitpunkte der Entleerungen und Nachweise langlebiger innerer Strukturen bereit, die nun in numerische Modelle des grönländischen Eisschilds einfliessen können. Bessere Modelle helfen wiederum, die Projektionen dafür einzugrenzen, wie rasch Eis bei zunehmender Erwärmung in den Ozean strömen wird.

Schlüsselbegriffe und ihre tatsächliche Bedeutung

Hinter einigen Fachbegriffen dieser Forschung stehen einfache Konzepte:

• Moulin: Ein nahezu senkrechter Schacht im Eis, der Oberflächenwasser zur Basis eines Gletschers transportiert. Er lässt sich als riesiges, vom fliessenden Wasser geformtes Abflussrohr verstehen.
• Subglazialer See: Ein Wasserkörper aus flüssigem Wasser, der unter dem Eis eingeschlossen ist. Solche Seen können kleine Tümpel oder grosse, mehrere Kilometer lange Becken sein.
• Viskoelastische Modellierung: Eine Methode zur Simulation von Materialien, die sowohl fliessen als auch zurückfedern. Bei Gletschern hilft sie vorherzusagen, wie Eis reisst, sich biegt und kriecht.
• Gletscherzunge: Eine lange, schmale Eisausdehnung, die auf dem Meer schwimmt, aber weiterhin mit dem landeinwärts gelegenen Haupteisschild verbunden ist.

Das Verständnis dieser Prozesse schärft auch den Blick für die Risiken. Eine durch Risse geschwächte Gletscherzunge kann bei Stürmen, der Erwärmung des Ozeans oder zusätzlichem Schmelzwasser leichter zerbrechen. Lösen sich grosse Stücke ab, verschwindet eine Art natürliche Barriere, die den Eisfluss aus Inlandtälern in den Ozean bremst.

Eine aufkommende Sorge betrifft die kombinierte Wirkung von Oberflächenschmelze und Ozeanwärme. Wärmeres Meerwasser kann die schwimmende Zunge gleichzeitig von unten ausdünnen, während Seen und Risse sie von oben schwächen. Diese doppelte Belastung könnte die Lebensdauer von Strukturen wie der Gletscherzunge des 79°N-Gletschers verkürzen und dafür sorgen, dass mehr Eis früher als erwartet in den offenen Ozean gelangt.

Forschende berechnen bereits Zukunftsszenarien, in denen die Schmelzsaisonen länger werden und sich Seen früher im Jahr bilden. In diesen Simulationen treten Entleerungsereignisse häufiger auf, basale Wassersysteme bleiben länger aktiv, und die Gletscherzunge reagiert mit schnellerem Fliessen und stärkerer Verformung. Die genauen Zahlen unterscheiden sich zwar je nach Modell, weisen aber in dieselbe Richtung: Dieses „Reissen und Entleeren“ dürfte sich verstärken, wenn sich die Arktis weiter erwärmt.