Permafrost ist ein thermisches Phänomen, dessen Gehalt an mehr oder weniger heterogenem Eis nahezu zwischen 0 und 100 % schwanken kann. Der Eisgehalt hängt stark von der Zusammensetzung und der Porosität des Bodens/Untergrunds ab. Felswände haben in der Regel einen sehr geringen Eisgehalt (nur in Spalten und Rissen), während Lockermaterialansammlungen mit grobkörniger Korngrössenverteilung einen hohen Eisgehalt aufweisen können (Abb. 1).
Permafrost wird als gesättigt bezeichnet, wenn das Eis die Hohlräume zwischen den festen Komponenten genau ausfüllt, und als untersättigt (bzw. übersättigt), wenn das Eisvolumen kleiner (bzw. grösser) als das Volumen dieser Zwischenräume ist (Abb. 2). Im Falle einer Eisübersättigung kann sich der Permafrost in Bewegung setzen (creeping) und einen Blockgletscher entstehen lassen (siehe Factsheet Permafrost 3.4).
Die Bildung von Eis in einem gefrorenen Lockersediment (Schutt-/Geröllhalde, Blockgletscher, Moränen) wird von zwei Hauptprozessen ermöglicht:
- Sedimentation: Dieser Prozess entspricht der langsamen Verdichtung der Schneeschicht und der Umwandlung von Schnee zu Firn und schliesslich von Firn zu Eis. Diese Art von Eis entspricht dem «klassischen» Gletschereis (siehe Teil Glazialmorphologie) und kommt im Permafrost nur in ganz bestimmten Situationen vor, z. B. wenn Eis, das sich an der Oberfläche gebildet hat (z. B. aus perennierendem Firn), vergraben und konserviert wurde (Abb. 3).
- Kongelation: Dieser Prozess entspricht meist dem Wiedergefrieren von Schmelzwasser, das im Frühling aus der Schneedecke in einen stark abgekühlten Boden/Untergrund sickert (Abb. 4 & 5). Das Gefrieren findet hauptsächlich in der Auftauschicht statt, kann aber in manchen Fällen auch direkt an der Basis der Schneedecke (Bildung einer basalen «Sohle» aus Eis) oder sogar an der Permafrostbasis stattfinden. Das im Permafrost enthaltene Eis ist hauptsächlich Kongelationseis.
Die Entstehung von Kongelationseis ist im Wesentlichen auf zwei Prozesse zurückzuführen:
- Poreneis: Die Bildung von Eiskristallen in den Hohlräumen (Poren) des Bodens/Untergrunds ist typisch für nicht verfestigtes, grobkörniges Lockermaterial (Sand, Kies, Geröll, Blockgletscher…). Wenn das Eis alle Poren des Bodens/Untergrunds ausfüllt, wird Letzterer zu einem kompakten, harten, betonähnlichen «Gestein», dem Eisbeton oder -zement (Abb. 1). Dieses Poreneis wirkt wie Zement und fördert die Stabilität von Hängen.
- Segregationseis: Bildung von linsenförmigen Eiskristallen entlang der Gefrierfront infolge der Wanderung von Porenwasser zu ebendiesen (wachsenden) Eiskristallen hin (Kryo-Osmose, siehe Factsheet Permafrost 3.2). Dieser Prozess betrifft vor allem feinkörniges Material (Abb. 6).
Böden, die Poreneis enthalten, sind beim Auftauen relativ stabil, wohingegen sich Böden, die reich an Segregationseis sind, stärker absetzen und sich beim Auftauen schliesslich verflüssigen können.
Fig. 1 – Glace massive et pergélisol. Les blocs de roche situés au-dessus de la glace de névé enterré sont cimentés entre eux par de la glace et forment un « béton de glace » (Tête de Fin Rond, massif du Grand Bérard / Parpaillon, Ubaye, France).
Abb.1: Massives Eis und Permafrost. Die Felsblöcke oberhalb des Eises eines schuttbedeckten Firnflecks werden durch das Eis zusammengehalten (“zementiert”) und bilden einen «Eisbeton» (Tête de Fin Rond, Grand Bérard-Massiv / Parpaillon, Ubaye, Frankreich).
Fig. 2 – Illustration de la saturation en glace dans un dépôt sédimentaire poreux (éboulis, glacier rocheux).
Abb.2: Schematische Darstellung der Eissättigung in einer porösen Sedimentablagerung (Schutt-/Geröllhalde, Blockgletscher).
Fig. 3 – Enterrement d’une plaque de glace aux racines du glacier rocheux des Yettes Condjà (VS).
Abb.3: Beginnende Schuttbedeckung einer Eisplatte an der Wurzelzone des Blockgletschers Yettes Condjà (VS).
Fig. 4 – Glace de congélation dans l’éboulis des Lapires (Val de Nendaz, VS).
Abb.4: Kongelationseis in der Schutthalde von Les Lapires (Val de Nendaz, VS).
Fig. 5 – Glace de congélation translucide avec des stalactites de glace dans la glacière des Diablotins (Préalpes fribourgeoises).
Abb.5: Durchsichtiges Kongelationseis mit Eis-Stalaktiten in der Eishöhle von Les Diablotins (Freiburger Voralpen).
Fig. 6 – Lentilles de glace centimétriques (en foncé) développées dans les sédiments fins du Permafrost Tunnel (Fairbanks, Alaska).
Abb.6: Zentimetergrosse Eislinsen (dunkel), die sich in feinkörnigen Sedimenten des Permafrosts bei Fairbanks (Alaska) entwickelt haben.