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Jul 03, 2023

Eis mit Lasern verstehen: Neues Tool hilft Forschern bei der Untersuchung abgelegener Gletscher

Da die Erwärmung der atmosphärischen Temperaturen zu einer Ausdünnung und einem Rückgang der Gletscher auf der ganzen Welt führt, müssen wir verstehen, wie Gletscher auf den Klimawandel, das Algenwachstum und Verunreinigungen wie Staub und Schwarz reagieren

Da die Erwärmung der Atmosphärentemperaturen weltweit zu einer Ausdünnung und einem Rückgang der Gletscher führt, ist es wichtig zu verstehen, wie Gletscher auf den Klimawandel, das Algenwachstum und Verunreinigungen wie Staub und Ruß reagieren. Das Verständnis der Reaktion hilft Wissenschaftlern, politischen Entscheidungsträgern und Gemeinden, Schäden zu mindern und Wassereinzugsgebiete und Gemeinden zu schützen, die auf diese Gletscher angewiesen sind. Allerdings liegen viele Gletscher an abgelegenen Orten, die schwer zugänglich und erforscht sein können. In einem im Mai 2022 im Journal of Glaciology veröffentlichten Artikel hat der Physiker Markus Allgaier gemeinsam mit Geologen und Geographen ein tragbares Gerät entwickelt, das leicht in einen Rucksack passt und zu entlegenen Gletschern getragen werden kann, um die optischen Eigenschaften und die Zusammensetzung ihres Eises zu messen.

Das Sammeln von Daten über die Eiszusammensetzung und den Gletscherrückgang ist wichtig, um beurteilen zu können, wie Gletscher auf den Klimawandel reagieren. Die Daten helfen Wissenschaftlern auch dabei, vorherzusagen, wie Gemeinden flussabwärts der Gletscher von ihrem Rückzug betroffen sein könnten. Derzeit verlassen sich viele Glaziologen auf Modellierungstechniken, um die Eiszusammensetzung von Gletschern zu bewerten, insbesondere bei weiter entfernten Gletschern, die schwer zugänglich und schwer zu vermessen sind. Ohne auf dem Gletscher zu sein, kann es jedoch schwierig sein, die Eiszusammensetzung, das Algenwachstum sowie den Staub- und Rußgehalt genau zu messen. Aufgrund dieses Defizits ist die Rucksackglaziologie – das Wandern an entlegenen Orten mit tragbarer Ausrüstung für physikalische Messungen auf den Gletschern – von entscheidender Bedeutung für das Verständnis des Eises und seines Verhaltens.

Entlegene Gletscher wie der Deming-Gletscher in Washington werden aufgrund des schwierigen Zugangs, insbesondere mit schwerem Gerät im Schlepptau, selten untersucht. Stattdessen sind Forscher auf Satellitenfotos oder Beobachtungen aus der Ferne angewiesen, die nicht immer ein vollständiges Bild des Gletscherrückgangs liefern können. (Mit freundlicher Genehmigung von Jenna Travers)

Die Rucksackglaziologie bringt jedoch einen Kompromiss mit sich. Damit Werkzeuge tragbar sind, sind sie oft einfach und nicht in der Lage, Variablen wie die Albedo zu messen, die für das Verständnis des Rückzugs wichtig ist. Beispielsweise verwendet das North Cascades Glacier Climate Project, ein jahrzehntelanges Projekt zur Messung von Gletschern im Nordwesten Washingtons, für die meisten seiner Forschungsarbeiten eine lange Metallsonde mit abnehmbaren Segmenten, einen Laser-Entfernungsmesser und markierte Seile. Diese Tools helfen Forschern zwar dabei, wichtige Daten über Schneehöhe, Ablationsraten, Endpunktstandorte und Gletscherprofile zu sammeln, doch Wissenschaftlern, die die Albedo oder die Eiszusammensetzung auf abgelegenen Gletschern messen möchten, stehen nur wenige Möglichkeiten zur Verfügung.

Allgaier, Postdoktorand an der University of Oregon, arbeitet daran, den Mangel an Optionen zu beheben und die Messinstrumente zu verbessern, die Glaziologen auf der ganzen Welt zur Verfügung stehen. Allgaier erklärte in einem Interview mit GlacierHub, dass er zwar einen Hintergrund in der Quantenphysik habe, er aber „diese Bereiche auf die Umweltwissenschaften und die Klimaforschung anwenden“ wolle, und verwies auf seine Liebe zu Bergen und seinen Wunsch, zu der Forschung beizutragen, die sich auf deren Verständnis konzentriert. Er begann damit, zu erforschen, welche optischen Messungen Glaziologen verwenden, und überlegte, wie diese verbessert werden könnten und was bei den derzeit verwendeten Techniken fehlte. Er holte Glaziologen, Geographen und Hydrologen hinzu, um gemeinsam ein Werkzeug zu entwickeln.

Diese Kooperationen gipfelten in der Entwicklung eines Geräts, das die Zusammensetzung und Struktur von Gletschereis mithilfe von Photonen, also subatomaren Lichtteilchen, misst. Das Gerät schießt einen Laserimpuls in das Gletschereis und misst die Zeit, die die Photonen benötigen, um vom Eis abzuprallen und einen etwa zwei Meter entfernten Empfänger zu treffen. Luftblasen im Inneren des Gletschers streuen den Laserimpuls in zufällige Richtungen und verändern so sowohl die Zeit, die er braucht, um den Empfänger zu treffen, als auch die Form des Impulses, wenn er dort ankommt. Laut Allgaier „sind die Pulsform und die Dauer des detektierten Lichts einzigartig und sie sagen uns, wie viel Licht im Eis absorbiert wird und wie viel Streuung es gibt.“ Diese Daten wiederum ermöglichen es den Forschern, die Zusammensetzung und Dichte des Eises sowie die optischen Eigenschaften der Gletscher zu bestimmen. Diese können verwendet werden, um die Rückzugsrate vorherzusagen.

Das Gerät passt in drei kleine Koffer, die problemlos in einen Rucksack gepackt werden können. Allgaier und seine Kollegen haben das Gerät vor einem Jahr auf zwei Gletschern in den Oregon Cascades getestet und hoffen, es als nächstes nach Alaska mitzunehmen. Foto: Markus Allgaier

Allgaier betonte die Bedeutung dieses Geräts sowohl für große als auch für kleine Gletscher und sagte, dass das Gerät durch die Messung der Zusammensetzung und Struktur des Eises „einen Einblick in die Ursachen des Schmelzens und warum die Gletscher-Albedo so ist, wie sie ist“ gewährt.

Dieses Gerät eignet sich zwar perfekt zum Sammeln von Daten über schwer zugängliche Gletscher, es kann aber auch verwendet werden, um zu überprüfen, ob Fernerkundungsdaten von leicht zugänglichen Gletschern korrekt sind und mit den Daten vor Ort übereinstimmen. Letztere Idee entstand aus Allgaiers Zusammenarbeit mit Geographen der University of Oregon. Johnny Ryan, ein Assistenzprofessor in der Geographieabteilung, schloss sich dem Projekt an, um einen Einblick in Gletscher, Eisschilde und praktische Einsatzmöglichkeiten des Geräts zu geben. Ryan sagt, dass er und seine Kollegen in der Geographieabteilung Vorschläge zur Verbesserung des Geräts machen konnten, damit es vor Ort optimal funktioniert, und Einblicke geben, wie das Projekt in die aktuelle glaziologische Forschung passen könnte.

Laut Ryan waren die Geographen auch beim Testen des Lasers vor Ort hilfreich – sie wussten, wo man hingehen und wie man durch die Gletscher navigiert und wie man Genehmigungen erhält. Die Gruppe hat es auf einigen Gletschern in Oregon getestet: dem Crook Glacier am Broken Top Mountain und dem Collier Glacier am North Sister. Beide Tests waren erfolgreich.

Allgaier nutzte das Gerät letztes Jahr auf dem Collier-Gletscher. Sonnenlicht kann die Datenerfassung stören, daher mussten die Forscher bis zum Sonnenuntergang warten, um es zu testen. Foto: Markus Allgaier

Bisher sei nur ein kleiner Teil der Gletscher der Welt untersucht worden, sagte Ryan. Künftig wird dieses Tool Forschern helfen, „Gletscher zu untersuchen, die normalerweise nicht untersucht wurden, aber dennoch wichtig für Wasserressourcen und den Anstieg des Meeresspiegels sind“. Und durch die Überprüfung von Daten von Satelliten und Flugzeugen ist diese neue Forschung besonders wichtig für Gemeinden flussabwärts von Gletschern, die in Bergen liegen, deren Aufstieg zu gefährlich ist. Für die Zukunft dieser Gemeinden ist es von entscheidender Bedeutung zu verstehen, wie sich ihre Gletscher verändern und zurückziehen.

GlacierHub ist eine Klimakommunikationsinitiative unter der Leitung von Ben Orlove, einem Anthropologen an der Columbia Climate School. Viele der Autoren von GlacierHub sind Schüler oder Alumni der Climate School.