Die Temperatur des Untergrunds ist eine Funktion der Bodenoberflächentemperatur (MAGST). Umso niedriger diese ist, desto potenziell mächtiger ist der Permafrost. Die Permafrosttemperatur nimmt (wie bei jedem anderen Boden) aufgrund des geothermischen Wärmeflusses mit der Tiefe zu (in der Grössenordnung von +1 bis +3 °C pro 100 m). In den Alpen liegen die Permafrostmächtigkeiten meist zwischen 15 m und mehr als 100 m.
Eine Änderung der Oberflächentemperaturen führt auf verschiedenen Zeitskalen zu unterschiedlichen Änderungen des thermischen Zustands des Permafrosts. Um den «Gesundheitszustand» eines Permafrostbodens zu beurteilen, dessen Temperatur in einem Bohrloch gemessen wird, verwenden Wissenschaftler vier Indikatoren: a) Veränderung der Dicke der Auftauschicht, b) Veränderung der Temperaturen in 10 bis 20 Metern Tiefe, c) Veränderung der Form des Temperaturprofils und d) Veränderung der Tiefe der Permafrostbasis (b, c und d, siehe Factsheet Permafrost 1.10). Die Veränderung dieser Indikatoren hängt von der Art des Untergrunds und insbesondere vom Eisgehalt ab. Bei einem Phasenwechsel von Wasser werden erhebliche Wärmemengen benötigt oder freigesetzt. Je eisreicher ein Permafrost ist, desto grösser muss die Wärmemenge sein, die benötigt wird, um das Eis zu schmelzen (Eis → flüssiges Wasser) oder zu sublimieren (Eis → Wasserdampf).
Veränderung der Dicke der Auftauschicht (Reaktionszeit: Jahr(e))
In den Alpen beträgt die Dicke der Auftauschicht üblicherweise jedes Jahr einige Meter und variiert stark je nach den vorherrschenden klimatischen Bedingungen des vergangenen Jahres (Schneebedeckung im Winter und Witterung im Sommer) (siehe Factsheet Permafrost 1.4). Abbildung 1 zeigt die jährliche Variabilität der Dicke der Auftauschicht Ende Sommer für die eisreichen Blockgletscher Mùrtel-Corvatsch (Abb. 2) und Schafberg (Engadin) sowie für den Schilthorngrat (Berner Oberland, Abb. 3), der im Gegensatz zu den beiden erstgenannten einen sehr geringen Eisgehalt aufweist.Ohne einen hohen Eisgehalt können Wärmeflüsse von der Oberfläche tief in den Untergrund eindringen. Der Permafrost auf dem Schilthorn ist eisarm und die Tiefe seiner Auftauschicht reagiert stark auf die klimatischen Bedingungen des vergangenen Jahres. So kann man beispielsweise Folgendes feststellen:
- Nach einem schneearmen Winter 2001/2002, der eine deutliche Abkühlung des Bodens ermöglichte, und einem «normalen» Sommer, erreichte die Auftauschicht am Schilthorn im Oktober 2002 eine Dicke von etwa 4,6 m, was den seit 1998 gemessenen Jahreswerten entspricht.
- Ein Jahr später, im November 2003, erreichte die Dicke der Auftauschicht etwa 9 m! Die Wetterbedingungen im hydrologischen Jahr 2002/2003 waren in der Tat sehr ungünstig für den Permafrost am Schilthorn: früher und starker Schneefall verhinderte eine signifikante Abkühlung des Untergrunds im Frühwinter, schnelle Schneeschmelze im Frühling, die den Untergrund nicht mehr vor der durch die Sonneneinstrahlung eindringende Wärme schützte, und ein Hitzesommer (5°C wärmer als im Durchschnitt) mit einer sehr hohen 0°C-Isotherme (über 4000 m ü. M. während langer Zeit).
- Seit 2009 beträgt die Tiefe der Auftauschicht Ende Sommer etwa 7 Meter, mit deutlichen Schwankungen in den Jahren 2014 (4,9 Meter) und 2015 (9,9 Meter).
In eisreichem Permafrost wie bei den Blockgletschern Murtèl-Corvatsch oder Schafberg im Engadin (Graubünden) (Abb. 1) ist die Dicke der Auftauschicht von Jahr zu Jahr viel stabiler. Die von der Oberfläche in den Untergrund eindringende Wärme wird hauptsächlich zum Schmelzen des Eises (“thermischer Puffer”) verwendet (siehe Factsheet Permafrost Kapitel 2). Das Schmelzen des im Permafrost enthaltenen Eises kann allmählich erfolgen, wie es beim Mùrtel-Corvatsch Blockgletscher seit 2011 der Fall zu sein scheint (Zunahme der Mächtigkeit der Auftauschicht von 3,5 auf 4,4 Meter zwischen 2010 und 2015), oder abrupter, wie es beim Schafberg Blockgletscher beobachtet wurde (Zunahme der Mächtigkeit der Auftauschicht von 3,2 auf 5 Meter im Jahr 2000). Trotz dieser für eisreichen Permafrost erwähnten relativen Stabilität wurde in den letzten Jahren an vielen Standorten des PERMOS-Netzwerks eine Zunahme der Mächtigkeit der Auftauschicht festgestellt (siehe Factsheet Permafrost 1.11).
Abb. 1: Spitzenwerte der sommerlichen Tiefe/Mächtigkeit der Auftauschicht in einem Blockgletscher
Abb. 1: Spitzenwerte der sommerlichen Tiefe/Mächtigkeit der Auftauschicht im Permafrost des Murtèl-Corvatsch Blockgletschers (GR) seit 1987, des Schafberg Blockgletschers seit 1998 und beim Felsgrat des Schilthorns (BE) seit 1998. Während der Hitzewelle im Sommer 2003 nahm die Mächtigkeit der Auftauschicht beim Murtèl-Corvatsch Blockgletscher gegenüber dem bisherigen Rekord um nur 5 cm zu. In diesem eisreichen Untergrund brachte die zusätzliche Wärmeenergie vor allem das Eis zum Schmelzen, weshalb die Auftauschicht im Folgejahr 2004 ähnlich tief war. Im Gegensatz dazu führten die hohen Temperaturen des Sommers 2003 im fast eisfreien Permafrost des Schilthorns zu einer fast doppelt so dicken Auftauschicht, wobei die zusätzliche Wärmeenergie hier vor allem eine Erwärmung des Gesteins zur Folge hatte (Daten: PERMOS, angepasst).
Abb. 2: Aufnahme des Mùrtel-Corvatsch Blockgletschers
Abb. 2: Aufnahme des eisreichen Blockgletschers Murtèl -Corvatsch.
Abb. 3: PERMOS-Station auf dem Schilthorn
Abb. 3: PERMOS-Station auf dem Felsgrat des Schilthorns, bedeckt von einer dünnen Schuttdecke. Der Permafrost am Schilthorn ist eisarm.
