Der Vernagtferner als Objekt der Gletscherforschung
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Band 45/46 (2011/12), S. 85–104 Z eits c h r ift fü r Gletscherkunde und G lazialgeologie © 2013 by Universitätsverlag Wagner, Innsbruck Der Vernagtferner als Objekt der Gletscherforschung Ludwig Braun, Oskar Reinwarth und Markus Weber, München Mit 12 Abbildungen Zusammenfassung Mit der Gründung der Kommission für Glaziologie der Bayerischen Akademie der Wissenschaften vor fünfzig Jahren wurden die traditionsreichen Vermessungsarbeiten von Münchnern Gletscherforschern aus dem vorletzten Jahrhundert am Vernagtferner auf eine nachhaltige Grundlage gestellt und wesentlich erweitert. Dank der zahlreichen geodätischen Bestimmungen der Gletscheroberflächen seit 1889 und der Bestimmung des Gletscherbettes und damit der absoluten Massenveränderungen kann der Zusammenhang zwischen Klimabedingungen und Gletscherverhalten erläutert werden. Dieser Beitrag zeigt ausgewählte Resultate der glaziologischen und hydrometeorologischen Messungen der vergangenen Jahrzehnte, und präsentiert die künftig zu erwartenden Veränderungen im Abfluss und in der Ausdehnung des Vernagtferners. Vernagtferner as the subject of glacier research Abstract The surveying of Vernagtferner by Munich glaciologists dates back to the late 19th century. The monitoring of this glacier was substantially expanded after the founding of the Commission for Glaciology of the Bavarian Academy of Sciences and Humanities fifty years ago. On the basis of the numerous geodetic determinations of the glacier surface and the determination of the glacier bed, absolute mass changes of the glacier can be set in relation to the climatological conditions. The present contribution presents selected results of the glaciological and hydrometeorological measurements conducted in past decades, and shows the changes in runoff and extent of Vernagtferner under the conditions of the anticipated climate change in the coming decades. 86 Ludwig Braun, Oskar Reinwarth und Markus Weber 1. Kurzer Abriss von früheren Forschungsarbeiten am Vernagtferner Mit der Gründung der Internationalen Gletscherkommission (CIG, ab 1948 „Inter­ national Commission for Snow and Ice“, ICSI, genannt) im Jahre 1894 in Zürich wurden die bislang weitgehend unabhängig durchgeführten Gletscherstudien systematisiert und international abgestimmt sowie eine laufende Publikation der Ergebnisse eingeleitet. Zudem wurden nationale Berichterstatter benannt – für die deutsche Seite war dies Sebastian Finsterwalder, Mitglied der Bayerischen Akademie der Wissenschaften in München. Eine chronologische Darstellung der verschiedenen Aktivitäten und Zuständigkeiten findet sich bei Kasser (Fluctuations of Glaciers 1959–1965) und Radok (1997). In den Ostalpen konzentrierten sich die Gletscherbeobachtungen auf jährliche Messungen der Längenänderung einer größeren Zahl von Gletschern in Zusammenarbeit mit den alpinen Vereinen sowie auf Kartierungen der Zungenbereiche ausgewählter Gletscher. Neue Impulse ergaben sich mit der Vorbereitung und Durchführung des Internationalen Geophysikalischen Jahres (IGY, 1957/58) und der anschließenden Internationalen Geophysikalischen Kooperation (IGC, 1959), welche zwar primär auf die Erforschung des antarktischen Eisschildes ausgerichtet waren, von denen aber auch die alpine Gletscherforschung profitierte, zumal viele Instrumente und Messverfahren auf den Gletschern erprobt wurden. So wurden in der Zeit ab 1950 wissenschaftliche Untersuchungen im hintersten Rofental in den Ötztaler Alpen (Abb. 2) durchgeführt, die sich im weiteren Verlauf zu einem Schwerpunkt der ostalpinen gletscherkundlichen Forschung entwickelten, getragen vom Institut für Meteorologie und Geophysik und dem Math.-Physikalischen Institut der Universität Innsbruck. Diese Aktivitäten wurden initiiert, betreut und geleitet von Professor Herfried Hoinkes, dem späteren Vorstand des Instituts für Meteorologie und Geophysik, und Präsidenten der ICSI in den Jahren 1963–1967. Für die glaziologische Forschung bedeutsam war die von der „International Association of Hydrological Sciences“ (IAHS) beschlossene Internationale Hydrologische Dekade (IHD, 1965–1974), in deren Rahmen von der ICSI folgende drei Komplexe vorgesehen wurden: • Erstellung eines neuen Weltinventars von Schnee und Eis; • Weltweite Überwachung der Gletscherschwankungen; • Kombinierte Studien von Wasser-, Eis- und Wärmehaushalt ausgewählter vergletscherter Einzugsgebiete. Die mit dem dritten Punkt verbundenen hohen Anforderungen bedingten eine Konzentration der Arbeiten auf ein paar wenige, gut zugängliche Gletschergebiete. Im Rofental betraf dies den Hintereis-, den Kesselwand- und den Vernagtferner (Abb. 2 in Hoinkes, 1968). Der Bekanntheitsgrad des Vernagtferners in der Wissenschaft beruht nicht zuletzt auch darauf, dass er in alle genannten Phasen der gletscherkundlichen Forschungs­ Vernagtferner als Objekt der Gletscherforschung 87 aktivitäten in den Ostalpen eingebunden ist. Zu den umfangreichen Dokumentationen seiner Form und Ausdehnung vor 1894 (Brunner, 2013) zählt an vorderster Stelle die erste Gesamtvermessung des Gletschers mit Ausarbeitung und Drucklegung der Vernagtkarte 1889 im Maßstab 1:10.000 (Finsterwalder, 1897). Die in den Folgejahren mit Hilfe von Steinlinien im Zungenbereich gemessenen außerordentlichen Bewegungsbeträge waren später eine vorzügliche Basis für die Analyse und theoretische Behandlung des Phänomens der kinematischen Welle (Ambach, 1963). Als weiterer sehr renommierter Beitrag der Vernagtforschung hat die Wärmehaushaltstudie von Hoinkes und Untersteiner (1952) zu gelten, die mit klassischen meteo­ rologischen Instrumenten und Methoden versuchten, die Ströme der fühlbaren und latenten Wärme mittels Profilanalysen sowie die Komponenten der Strahlungsbilanz zu erfassen. Damit sollte die für die Schmelze verfügbare Energie ermittelt und diese an Hand der gemessenen Ablationsbeträge kontrolliert werden. Die Studie fand wohl deshalb auf dem Vernagtferner statt, weil dort auf ausgedehnten Verebnungsflächen günstigere topographische Voraussetzungen gegeben waren als am Hintereisferner. Diese Wahl verkürzte auch die Transportwege für das gesamte per Traglast zu befördernde Gerät und Material. Aufgrund des bis dahin erreichten Wissensstandes versuchte Professor Richard Finsterwalder in München ein ständiges Forschungszentrum für Hochgebirgsforschung einzurichten, was schließlich 1962 zur Gründung der Kommission für Glaziologie der Bayerischen Akademie der Wissenschaften führte. Diese nahm zu Beginn des Jahres 1963 ihre Arbeit auf. Wiederholungen der photogrammetrischen Aufnahmen des Vernagtferners fanden 1912 durch O. v. Gruber und 1938 durch H. Schatz statt, wobei die Auswertung von 1912 einer sorgfältigen Überarbeitung bedurfte, während das Aufnahmematerial von 1938 noch völlig unbearbeitet vorlag und erst durch den Kommissionsmitarbeiter Hermann Rentsch in einen Schichtlinienplan 1:10.000 umgesetzt wurde. Auf dieser Basis konnten dann die Flächen-, Volumen- und mittleren Höhenänderungen für die betreffenden Zeitintervalle als Beitrag zum IHD-Projekt „Weltweite Überwachung von Gletscherschwankungen“ angegeben werden (Brunner & Rentsch, 1972). Dieses Projekt wird seit 1967 durch den „Permanent Service on the Fluctuations of Glaciers“, ab 1986 unter dem Namen „World Glacier Monitoring Service“ (WGMS), fortgeführt, der in den regelmäßig erscheinenden Publikationen alle relevanten Vernagt­ daten veröffentlicht. Im Sinne einer Pilotstudie ist der Beitrag der von Heinz Miller durchgeführten und vom Institut für Reine und Angewandte Geophysik der Ludwig-MaximiliansUniversität München (LMU) getragenen Unternehmung zur Bestimmung der Eis­ dicke des Vernagt- und Guslarferners entlang ausgewählter Profile mit der Methode der Refraktionsseismik zu sehen, der schließlich eine annähernde Ermittlung des Eisvorrats des Vernagtferners zum Stand von 1966/67 ermöglichte (Miller, 1972). Diese Untersuchungen sind dem IHD-Programm zur Erstellung eines Weltinventars der Schnee- und Eisvorräte zuzuordnen, das seine große Bedeutung durch die neuen 88 LUDWIG BRAUN, OSKAR REINWARTH und MARKUS WEBER Abb. 1: Teilnehmer der Schlussbegehung des Vernagtferners EndeSeptember 1966; hinten v. I. n . r.: Hermann Rentsch, Landolf Mauelshagen, Werner Slupetzky, Gustav Siemes, Heinz Slupetzky, Oskar Reinwarth, Heinz Miller, Franz-JosefHeimes; sitzend bzw. knieend in der 2. Reihe: Dagmar Resmann (später Spangenberg), Ute Karsten, Achim Karsten; liegend: Manfred Stober, Wilfried Seufert. - Fig. 1: Participants at the mass balance field campaign on Vernagtferner end ofSeptember 1966; back row from left to right: Hermann Rentsch, LandolfMauelshagen, WernerSlupetzky, Gus­ tav Siemes, Heinz Slupetzky, Oskar Reinwarth, Heinz Miller, Franz-JosefHeimes; 2nd row: Dagmar Spangenberg (nee Resmann), Ute Karsten, Achim Karsten; front row lying on the ground: Manfred Stober, WilfriedSeufert. Möglichkeiten der Schnee- und Eismächtigkeitsbestimmungen mit elektromagneti­ schen Sondierungen erlangt hat. Abb. 1 zeigt Teilnehmer der Feldarbeiten im Herbst 1966 auf der Moräne von 1850. Ausgehend von einem umfassenden glaziologisch-meteorologisch-hydrologi­ schen Forschungsprogramm mit vielfachen Messeinrichtungen im Bereich des Hin­ tereis- und Kesselwandfemers, einer Gesamtbefliegung des Gebietes im Jahre 1969, einem erfahrenen Mitarbeiterstab sowie der in Aussicht stehenden Förderung des Pro­ jektes durch die österreichischen Gremien war es naheliegend, das gesamte Einzugs­ gebiet des inneren Venter Tales, nämlich das Rofental und das Niedertal (vgl. Abb. 2) als den am stärksten vergletscherten Teil der Ötztaler Alpen einer Kontrolle im Sinne des IHD-Projektes "Kombinierte Studien zum Wasser- und Massenhaushalt verglet­ scherter Einzugsgebiete" zu unterziehen. Dazu war vorgesehen, zumindest die großen Gletscher dieser Region massenhaushaltsmäßig zu überwachen. Die hydrologische Kontrolle des Gesamteinzugsgebietes mit 165 km2 basierte auf der Abflusserfassung des Pegels Vent/Venter Ache (1877 m NN), während der Abfluss an dem Rofental 89 Vernagtferner als Objekt der Gletscherforschung mit 96 km2 Fläche von dem 1967 als IHD-Beitrag errichteten Pegel VentlRofenache (1905 m NN) gemessen wird (Müller et a1., 2009). Zur Betreuung der notwendigen Feldarbeiten war eine Kooperation des Instituts für Meteorologie und Geophysik der Universität Innsbruck und der Kommission für Glaziologie, München, vorgesehen. Letzterer sollte als Arbeitsgebiet das Niedertal mit haushaltsmäßiger Überwachung des Schalfferners und Niedertalferner übertragen werden, während die Innsbrucker Gruppe ihre Aktivitäten im Rofental beibehalten bzw. erweitern wollte. Es zeigte sich jedoch schnell, dass diese Planung unrealistisch war. Deshalb wurde die Arbeitskapa­ zität beider Gruppen auf das Rofental konzentriert, zumal der für die Niedertaler Ache vorgesehene Pegel kaum Chancen auf eine Realisierung hatte. Entsprechend wurde von den Mitgliedern der Kommission für Glaziologie auf ihrer Sitzung im Jahre 1964 beschlossen, die bisherigen Arbeiten auf dem Langtaler-Ferner im Gurgier Tal aus­ laufen zu lassen und ab 1965 im glazial-hydrologischen Projekt Rofental des Insti­ tuts für Meteorologie und Geophysik Innsbruck als Partner mitzuwirken, wobei der Münchner Gruppe der Vernagt- und Guslarferner als Arbeitsgebiet übertragen wurde. Diese Entscheidung erwies sich, wie die Folgejahre bald zeigten, sowohl für das wis­ senschaftliche Programm der Kommission wie für deren personelle und materielle Ausstattung als außerordentlich vorteilhaft. Übersichtskarte Die Einzugsgebiete des Vernagtbaches, der Rofenache und der Venter Ache Legende --- Einzugsgebietsgrenze � Isohypse (Aquidistanz 200 m) ----- Bachlauf f Pegel M Klimastation o Gletscher Quelle Topographie und Gleucher FRlYlAG& BEf<NOtWK 251. 1994 KartOgraphie: Abb. 2: Lage des Vernagtferners im Venter Tal (Schulz, 1999) mit Messstationen und deren Höhe über Meer. - Fig. 2: Location map ofVernagtferner in the valley ofVent with measurement stations and their elevation above sea level. 90 Ludwig Braun, Oskar Reinwarth und Markus Weber Mit den ersten Arbeiten noch im Sommer 1965 sollten die Voraussetzungen für Massenhaushaltserfassungen mit der glaziologischen Methode ebenso wie der geo­ dätischen Methode geschaffen werden. Die Geodäsie war dabei insofern im Vorteil, da bereits ein signalisiertes Netz existierte, welches nach weiteren Ergänzungen einheitlich auf das System der Landeskoordinaten transformiert wurde. Der Start für die glaziologischen Arbeiten war weniger günstig. Nachdem im Sommer 1964 der Gletscher hoch hinauf ausgeapert war und denkbar günstige Bedingungen für die Installation eines Pegelnetzes geboten hätte, blieb der Gletscher im folgenden Sommer (1965), dem ersten Jahr mit einem positiven Massenhaushalt seit langer Zeit, weit hinunter schneebedeckt und erschwerte so die Installation von Ablationspegeln außerordentlich. Trotzdem konnten die glaziologischen Messungen mit dem Jahr 1965 beginnen und wurden seitdem ununterbrochen weiter geführt. Im Jahre 1970 bewilligte die Deutsche Forschungsgemeinschaft die Mittel für den Bau einer Pegelstation am Vernagtbach zur Messung des Gletscherabflusses. Die Baumaßnahmen verzögerten sich jedoch bis zum Sommer 1973, da der geplante Zufahrtsweg nicht fertiggestellt werden konnte. Erst durch den Materialtransport mittels Hubschrauber konnte der Bau durch die Wildbach- und Lawinenverbauung Imst nach den Plänen von Bergmann und Reinwarth (1976) erfolgreich durchgeführt werden. 2. Der Vernagtferner im Klimawandel Gletscher gelten allgemein als ausgezeichnete Zeugen des Klimawandels, da ihre Massenänderung an der Oberfläche unmittelbar das Resultat des Massen- und Energieaustausches mit der Atmosphäre ist. Damit kann über längere Zeiträume ein Zusammenhang mit Klimagrößen wie Niederschlag und Lufttemperatur hergestellt werden (Mayer et al., 2013a). Mehr Niederschlag bei niedrigen Temperaturen erhöht die Schneeakkumulation und damit den Massenzuwachs. Hohe Temperaturen dagegen deuten auf ein hohes Energieangebot für die Schnee- und Eisschmelze hin und begünstigen Massenverluste. Die Untersuchung dieser sogenannten Klima-GletscherBeziehung ist eines der wichtigsten Arbeitsgebiete der Glaziologie. Anhand der zahlreichen geodätischen Erfassungen der Gletscheroberfläche (Mayer et al., 2013b) in den vergangenen 122 Jahren kann die Änderung des Volumens des Vernagtferner bis 1889 rekonstruiert werden. Mit der Vermessung des Gletscherbettes (Miller, 1972) und der damit ermöglichten Berechnung des absoluten Volumens des Gletschers für das Jahr 1969 lässt sich unter Annahme von mittleren Dichten im Firngebiet und des Eiskörpers auch die Massenänderung des Vernagtferners über die Zeit von 1889 bis heute bestimmen. Mit einer zusätzlichen Schätzung des Volumens bzw. der Masse um 1845 kann der betrachtete Zeitrahmen auf 166 Jahre erweitert werden und in Abbildung 3 mit den mittleren globalen beziehungsweise lokalen Temperatur- und Niederschlagsänderungen in Beziehung gebracht werden. Die eingetragen Fehlerbalken verdeutlichen dabei die Unsicherheiten der Massenbestimmung. Die Vernagtferner als Objekt der Gletscherforschung 91 jährlichen Schwankungen der Klimagrößen sind mit einem Tiefpassfilter über 9 Jahre geglättet. Für die Entwicklung des Vernagtferners ist das Lokalklima maßgeblich. Als repräsentative Klimaparameter sind in Abbildung 3 die Rekonstruktion der Lufttemperatur (gelb) an der Position der Pegelstation Vernagtbach und das Verhältnis der jährlichen Niederschlagssummen (P) relativ zu dem seit 1976 an der Station gemessenen mittleren Referenzwert (Pref) dargestellt, beides auf der Basis der Daten des Histalp-Projektes (Böhm und Hiebl, 2013). Die gute Übereinstimmung mit den seit 1976 verfügbaren Messwerten der Temperatur (AWS Vernagt, grün) nährt das Vertrauen in deren Rekonstruktion auch in der Vergangenheit. Im Gegensatz zu der über den gesamten Globus gemittelten Globaltemperatur (CRU = Climate Research Unit, University of East Anglia) zeigt die lokale Temperatur erhebliche Schwankungen, folgt aber bis Anfang der 1980er Jahre dem globalen Trend mit einer mittleren Erwärmung von 0,6 K zwischen 1910 und 1950 und der sich anschließenden Phase mit einer Abkühlung um 0,2 K bis Ende der 1970er Jahre. Letztere hat ihre Ursache möglicherweise in der sogenannten Globalen Verdunkelung, einer Abnahme der direkten Sonnenstrahlung durch einen erhöhten Aerosolgehalt der Atmosphäre (Wild et al., 2007). Ab 1980 zeigen die Messungen an der Pegelstation Vernagtbach einen rasanten Temperaturanstieg, der bis 2011 mit 1,6 K deutlich über dem globalen Trend von 0,5 K liegt. Die Ursachen der Abweichung mögen vielfältig sein, sind aber sicherlich auch mit dem starken Rückgang der Schnee- und Eisflächen in der Region verbunden. Die dort früher zur Schmelze verbrauchte Energie steht zunehmend zur Erwärmung der bodennahen Luftschicht zu Verfügung. Betrachtet man den Zusammenhang zwischen den geodätisch bestimmten Massenänderungen und den Änderungen der Klimagrößen Temperatur und Niederschlag, so zeigt die Reaktion der Gletschermassen auf das Klimasignal erst ab den 1960er Jahren eng korrelierten Zusammenhang. Der dort beginnende Zeitabschnitt beinhaltet bis 1980 eine moderate Massenzunahme als Folge der Abkühlung in den 1960er und 1970er Jahren, der sich eine weitere Phase kontinuierlicher Massenverluste als Folge der Anpassung an die im gesamten Zeitraum einzigartige Temperaturzunahme anschließt, die bis heute noch nicht beendet ist. Die Schwankungen des Niederschlagsangebotes, die sich auf ±10 % beschränken, haben dagegen keinen bedeutenden Einfluss. Während seit der Aufnahme der Arbeiten der KfG umfangreiche Beobachtungsdaten kontinuierlich verfügbar sind (Escher-Vetter und Siebers, 2013; Mayer et al., 2013a, b), ist die zeitliche Änderung der Gletschermasse vor 1965 durch Vermessungen in Abständen von über 30 Jahren nur relativ grob belegt. Um 1900 leiteten die Glaziologen aus ihren bisherigen Beobachtungen ab, dass Gletschervorstoß und -rückzug einem zyklischen Wechsel von kühl-feuchten und warm-trockenen Perioden mit einer durchschnittlichen Länge von 35 Jahren folgt und dies auch in der Zukunft der Fall sein wird (Brückner, 1890). Die Wiederholung der kartografischen Aufnahmen 1889, 1912 und 1938 wurden daher jeweils in einem relativen Minimum der 92 LUDW1G BRAUN, OSKAR REINWARTH und MARKUS WEBER [mioTo] Der Vernagtferner im Klimawandel 1000 900 1,0 800 0.6 700 0.2 600 500 -0.2 400 -0.6 300 ;..... 200 1840 H]ErfALP (El1lillll & l-/hÜil, 2CJ'11l) -1.0 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 Referenzmittelungszeitraum für Temperatur- und Niederschlagsabweichung: 1961 -1990 Tiefpassfiller über 9 Jahre M. Weber, 2012 Abb. 3: Massenänderungen des Vernagtferners auf der Basis der geodätischen Aufuahmen (blau) in Relation zu den lokalen Temperatur- und Niederschlagsänderungen (gelb und blaugrün, Böhm & Hiebl, 2013) und dem mittleren globalen Temperaturanstieg (rot, Climate Research Unit). Die grüne Kurve basiert auf der an der Pegelstation Vernagtbach (Automatische Wetterstation Vernagt) gemessenen Temperatur. - Fig. 3: Mass changes of Vernagtferner on the basis of geodetic measure­ ments (blue) in relation to the local changes of air temperature and precipitation (yellow and blue green) and the mean global increase in air temperature (red). The green curve is based on the direct measurements at the gauging station Vernagtbach (automatie weather station AWS Vernagt). lokalen Temperaturabweichung durchgeführt (siehe Abbildung 3) und sollten damit jeweils ein Maximum der Masse des Gletschers repräsentieren (Finsterwalder, 1897). Die Minima der Gletscherschwankungen wurden dagegen nicht erfasst. Bilddoku­ mente bezeugen in diesem Zeitabschnitt jedoch erhebliche dynamische Veränderun­ gen der Gletschertopografie (Weber, 2013) mit entsprechenden Auswirkungen auf den Massenhaushalt des Gletschers und damit die Reaktion auf Änderungen der klima­ tischen Randbedingungen. Bedeutende Anteile der Gletscherfläche in tiefen Lagen führen auch bei niedrigen Temperaturen zu erheblichen Massenverlusten und somit zu einer gesteigerten Sensitivität gegenüber klimatischen Änderungen. Das Verständnis der Klima-Gletscher-Beziehung in der Vergangenheit erfordert daher nicht allein die Rekonstruktion der Oberflächenmassenbilanz anhand der ver- Vernagtferner als Objekt der Gletscherforschung 93 fügbaren meteorologischen Daten, sondern auch die Berücksichtigung der eisdynamischen Prozesse und der damit verbundenen Änderungen der Gletschergeometrie. Ein erster Ansatz zur Rekonstruktion der jährlichen Massenbilanz mit einem einfachen hydrologischen Modell ohne explizite Berücksichtigung der Gletscherdynamik findet sich in Braun et al. (2013). Zum Zeitpunkt der Aufnahme der Arbeiten der Kommission für Glaziologie scheint die Ära der Theorie des zyklischen Gletscherverhaltens beendet zu sein. Der seit 1980 an der Pegelstation Vernagtbach gemessene Anstieg der Lufttemperatur lässt sich ohne Berücksichtigung zusätzlicher Wechselwirkungen zwischen eisfreien und eisbedeckten Flächen nicht mehr erklären. Dazu sind komplexere Modelle auf der Basis der Massen- und Energiebilanz und einer laufenden Nachführung der Gletschergeometrie erforderlich. Diese erlauben auch einen Ausblick für die zukünftige Entwicklung des Gletschers (siehe dazu auch Abschnitt 9). 3. Die hydrometeorologischen und meteorologischen Messungen am Vernagtferner Seit Herbst 1973 betreibt die Kommission für Glaziologie die Pegelstation Vernagtbach auf 2640 m Höhe. Hier wird der Abfluss aus dem 11,4 km² großen Einzugs­ gebiet bestimmt und eine Vielzahl von weiteren meteorologischen und hydrologischen Größen erfasst (Abb. 4). Betrug die vergletscherte Fläche des Einzugsgebietes im Jahre 1974 noch insgesamt 9.3 km² (entsprechend 81 %), so waren es im Jahre 2010 nur noch 7,9 km² (69 %). Eine Beschreibung der Station findet sich bei Braun et al. (2004). Eine Übersicht über die erfassten Parameter liefern Escher-Vetter und Siebers (2013). Die Messeinrichtung ist nicht in das Stationsnetz der Zentralanstalt für Meteorologie und Geophysik integriert, sondern wurde von Anfang an von der Kommission für Glaziologie (seit 2010 Kommission für Erdmessung und Glaziologie) als automatische Wetterstation betrieben, da es auf Grund der Personalsituation nie möglich war, ständige Wetterbeobachter vor Ort bereitzustellen. Schon vor der Errichtung der Pegelstation wurden ab 1968 auf einer Felsinsel an der Station „Gletschermitte“ (3030 m) meteorologische Messungen durchgeführt, die 1987 nach dem groß­flächigen Ausapern des Felsriegels eingestellt wurden. Seit 1976 werden außerdem die Klimastation „Schwarzkögele“ (3075 m) auf einem Gipfel der Fels­ umrahmung des Gletschers und seit 2003 direkt auf dem Eis auf ca. 2950 m die Mess­ einrichtung „Ablatometer/Gletscherluft“ betrieben. An diesen drei Standorten wird ein im Vergleich zur Pegelstation deutlich reduziertes Registrierprogramm unter den gleichen technischen Randbedingungen durchgeführt. Zu den auf dem Schwarz­ kögele (und teilweise in der Vergangenheit auch auf Gletschermitte) gemessenen Größen gehören die Lufttemperatur, die relative Luftfeuchte, die Globalstrahlung, die Wind­geschwindigkeit und -richtung, sowie der Niederschlag. An der Gletscherstation wird an einem im Eis fixierten Gestänge neben Lufttemperatur über der Eisoberfläche 94 LUDW1G BRAUN, OSKAR REINWARTH und MARKUS WEBER Vernagtferner 2012 N t 3465m Vord. Brochkogel 3565m <t:' Gletschermitte I. 3076m , , , "" '% .[ , \' Geländemar1<e, Gipfel , Ablationspegel '!f Schneeschacht l\. Ablatometer � 500 1000 m '-'='='='=====' i automatische Kamera Klimastation Abb. 4: Die Messeinrichtungen 2012 im Einzugsgebiet des Vernagtferners oberhalb der Pegelsta­ tion Vernagtbach (Gletschertopographie 2009). - Fig. 4: Measurement locations 2012 in the basin ofVernagtferner (glacier topography for the year 2009). insbesondere der Abstand zur Schnee- bzw. Eisoberfläche mittels Ultraschall gemes­ sen, was zeitlich hoch aufgelöste Beträge der Ablation bzw. der Schneehöhe liefert. Über die Ablationsperiode (in der Regel Anfang Mai bis Anfang Oktober) ergänzen seit 1976 tägliche Photographien des Gletschers von den Stationen "Schwarzkögele" (1981 bis 1987) diese Datengrundlage. 2010 wurde zusätzlich und "Gletschermitte" auf dem Schwarzkögele eine Digitalkamera im APS-Format in Betrieb genommen, welche ganzjährig mehre Bilder pro Tag liefert. Die Positionen aller Messstellen im Einzugsgebiet sowie die Lage der Ablationspegel zur Bestimmung der Massenände­ rung an der Oberfläche sind in Abbildung 4. Seit 1965 4 eingetragen. Die jährlichen Massenbilanzen des Vernagtferners werden von der Kommission für Glaziologie der jährliche Massenhaushalt des Vemagtfemers nach der glaziologischen Methode sowie die Schneeakkumulation über das Winterhalbjahr (Winterbilanz) bestimmt. Die dabei angewandte Methodik wird im Beitrag von Mayer et al. (2013) erläutert. Die Angabe der Beträge erfolgt in 95 Vernagtferner als Objekt der Gletscherforschung Analogie zur Niederschlagshöhe über die Gesamtfläche des Gletschers gemittelt als Wasserwert [WW] (spezifische Massenbilanz). Ein Bilanzwert von ±l m WW pro Jahr kann somit als eine mittlere Höhenänderung der Gletscheroberftäche um 1,1 m interpretiert werden. Die Massenbilanz über den Sommer wird anhand der Differenz der Jahres- und der Winterbilanz abgeleitet. Die Sommerbilanz zeigt über die gesamte Beobachtungszeit eine klare Tendenz zu immer negativeren Werten, während die Winterbilanz in etwa konstant bei knapp 1 m Wasserwert (WW ) liegt. Die jährlich seit Beginn der Erhebung aufsummierten spezifischen Massenbilan­ zen des Vemagtfemers (Kumulative Massenbilanz, Abb. 5) zeigen zwischen 1980 und 2002 im Mittel eine Höhenabnahme von 11 m WW, entsprechend einer Abnahme der mittleren Eisdicke von -0.5 12,1 m. Im Mittel über den Zeitraum ergibt sich somit 2002 nimmt dieser Wert auf -0.8 m pro Jahr zu, was einer Steigerung der jährlichen Massenverluste um 60 % ent­ ein Trend von m WW pro Jahr (gelbe Linie). Ab spricht. Dafür sind mehrere Ursachen verantwortlich. Diese umfassen beispielsweise die Steigerung der jährlichen Anzahl der Tage mit Schmelze im Einzugsgebiet von [m] 4 Kumulative Massenbilanz Vernagtferner 1964 - 2011 2 o -2 -4�� -6 �---.-----���----�� -8 ��������� -10 � -12 ��....� .. :::-� . =--....".�--____, ....:..: -14 -F-----------=:...� -16 -18 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 Abb. 5: Kumulative Massenbilanz des Vernagtferners. Die mittlere jährliche Massenbilanz zwi­ schen 1980 und 2002 beträgt -0,5 m WW. pro Jahr, und fällt nach 2002 auf -0,8 m WW pro Jahr. Fig. 5: Cumulative mass balance of Vernagtferner. The mean annual balance between 1980 and 2002 is -0.5 my-I, after 2002 it drops to -0.8 my-I. 96 Ludwig Braun, Oskar Reinwarth und Markus Weber 50 (1991–2002) auf 66 (2003–2011). Dadurch wird bei abnehmender Gesamt­fläche des Gletschers eine Vergrößerung des Ablationsgebietes beobachtet (Mayer et al., 2013a). Daneben ist auch nachweislich eine Effizienzsteigerung der Schmelzprozesse feststellbar, die durch die Erhöhung des atmosphärischen Wasserdampf­gehaltes verursacht wird, welche an der Pegelstation Vernagtbach beobachtet wird (vgl. EscherVetter und Reinwarth, 2013). Die Gletscheroberfläche gewinnt dadurch vermehrt an Schmelzwärme, vor allem über den latenten Wärmestrom, aber auch durch eine höhere Gegenstrahlung und der wegen der Reduzierung der Eisalbedo stärkeren Absorption von kurzwelliger Strahlung. Der Zusammenhang zwischen Wasserdampfdruck und Eisablation wurde am Vernagtferner durch Weber (2008) und Mause (2013) dokumentiert. Die mittlere Zunahme des Dampfdrucks während der Ablationsperiode von 5 hPa zu Beginn der Messungen im Jahre 1975 auf 7 hPa im Jahr 2011 impliziert eine potentielle Steigerung der Schmelze um 30 % bis 40 %. 5. Mittlere Akkumulation, Ablation und Eisbewegung Die Umlagerung von Eismassen vom Nährgebiet in das Zehrgebiet beeinflusst den Massenhaushalt eines Gletschers in erheblichem Maße. Die Eisbewegung ist einerseits Grundbedingung für einen Gletschervorstoß, andererseits bestimmt sie auch wesentlich das Schmelzen, denn sie vergrößert die Eismächtigkeit im Bereich der Gletscherzunge. Da dort die maximalen Ablationsbeträge auftreten, vergrößert die Eisbewegung die Verluste im Falle einer negativen Massenbilanz. Die gleichzeitige Anwendung der direkten glaziologischen und der geodätischen Methode zur Massenhaushaltsbestimmung erlaubt neben der Abschätzung der mittleren Akkumulation und Ablation auch die Bestimmung des Einsinkens und der Aufhöhung der Firn- und Eismassen im Akkumulations- und Ablationsgebiet. Über die Jahre 1969 bis 2006 verzeichnete der Vernagtferner jährlich Akkumulationsbeträge von 0,3 m bis 0,7 m im Nährgebiet und eine entsprechende Ablation von 2,0–5,0 m im Zehrgebiet (Abb. 6). Mit dem Einsinken der Oberfläche im Nährgebiet im Bereich von –0,3 bis –0,5 m wird durch die Eisbewegung Gletschereis mit einer Geschwindigkeit von 10 m bis 20 m pro Jahr ins Tal verfrachtet, was im Zehrgebiet eine Aufhöhung der Oberfläche von 1,0 bis 1,5 m pro Jahr bewirkt. Damit summieren sich die tatsächlichen mittleren Änderungen der Eismächtigkeit im Zungenbereich auf einen Nettobetrag von –1,0 bis –3,5 m pro Jahr. Durch die anhaltend negativen Massenhaushalte nach 1980 hat sich jedoch die Eisbewegung seit Mitte der 1990er Jahre graduell auf weniger als 3 m pro Jahr vermindert (Mayer et al., 2013b). Damit ist wegen des stark verminderten Eisnachschubs ein deutlicher Rückgang der Hebungskomponente im Bereich des Zungenendes verbunden. Als Folge hat sich in den vergangenen Jahrzehnten das Schmelzen der Gletscherzungen erheblich beschleunigt, was durch die kontinuierlichen Fotoaufnahmen der Kamera auf dem Schwarzkögele eindrücklich dokumentiert ist (Weber, 2013). Vernagtferner als Objekt der Gletscherforschung 97 Abb. 6: Typische mittlere jährliche Höhenänderungen der Eisoberfläche des Vernagtferners im Akkumulations- und Ablationsgebiet aufgrund des Vergleichs direkter glaziologischer Messungen und geodätisch bestimmter Massenhaushalte für die Jahre 1969 bis 2006. - Fig. 6: Typical annual mean changes in the ice surface elevation of Vernagtferner within the accumulation and ablation area as the result of the comparison of direct glaciological measurements and geodetic measure­ ments for the years 1969 to 2006. 6. Der Abfluss des Vernagtferners Seit 1974 werden mit dem Beginn des DFG-Projekts SFB81 "Abfluß in und von Gletschern" (Moser et al., 1986) die Abflussverhältnisse des Vernagtferners einge­ hend untersucht. Das charakteristische glaziale Abflussregime ist in Abbildung 7 ersichtlich: der mittlere monatliche Abfluss beträgt nur etwa 20-30 )s-l in den Winter­ monaten November bis April, in den Monaten Juni bis September jedoch zwischen 1 bis 3 m3s-1• Die Abflussbeträge sind über die Dekaden hinweg deutlich angestie­ gen. Dabei haben sich die in den 1970er Jahren moderaten Tagesschwankungen auf über 10 m3/s seit den 1990er Jahren erhöht (Abbildungen 7 und 8). Dies ist primär eine Folge des Verlustes des ehemals mächtigen Firnkörpers mit hohem Speicherver­ mögen und geringeren Schmelzraten. Durch die Überlagerung von hohen Schmelz­ abflüssen und intensivem Gewitterregen können sich extreme Hochwasser bilden, wie z. B. am 4. August 1998 mit einem kurzfristigen Spitzenabfluss von über 18 m3s-1 (Abbildung 9a und b). 98 LUDW1G BRAUN, OSKAR REINWARTH und MARKUS WEBER --= 9_! b_aC_ h___, IS! _a!_iO_ n_v_er_na e_ =---= 9 Pe 3.5 -,--___ 16 Vernagtbach _____ 2003 I� 11 I ,�\� Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Abb. 7: Mittlere monatliche Abflüsse des Ver­ Juli 30. 11. I� �I 1978/'-- ........, 5. 10. lS. 111 IV' ,A August 20. 25. 30. Abb. 8: Tagesschwankungen im Abfluss des nagtbachs an der Pegelstation auf2635 m Ü. M.­ Vernagtbaches im Sommer der Jahre 1978 und Fig. 7: Mean monthly discharge at the Vernagt­ 2003. - Fig. 8: Diurnal variations in discharge of bach gauging station at 2635 m a. s. I. Vernagtbach in the summers of 1978 and 2003. Abb. 9 a und b: Hochwassersituation an der Pegelstation Vernagtbach am 4. August 1998 um ca. 19.00 Uhr durch die Kombination von starker Eisschmelze und Gewitterregen. Fotos von T. Schu­ ler. - Fig. 9 a and b: Conditions of flooding at the Vernagtbach gauging station on 4 August 1998 at about 19.00 o'clock as a result of a combination of strong melt and intensive rain during a storm. Fotos by T. Schuler. 7. Wasserhaushaltskomponenten im Einzugsgebiet des Vernagtbaches Dank der umfangreichen meteorologischen und hydrologischen Messungen im Ein­ zugsgebiet des Vernagtferners können dort die Komponenten des Wasserhaushalts direkt oder mit Hilfe von hydrologischen Modellen bestimmt werden. Ein Beispiel 99 Vernagtferner als Objekt der Gletscherforschung zeigt Abbildung 10 für die Haushaltsjahre 1964/65 bis 2010/11 (jeweils Oktober bis einschließlich September). Hierbei wurden der Abfluss und die Gletscherspende gemessen, wobei für letztere die nach der glaziologischen Methode bestimmte spezifi­ sche Massenbilanz auf das Einzugsgebiet mit einer Fläche von 11,4 km2 umgerechnet wurde. Der Gebietsniederschlag muss dagegen über die Anwendung eines konzeptio­ nellenAbflussmodells bestimmt werden (Braun et al.; 2007, Braun et al., 2011), 2013; Sailer, für welches die Punktmessungen im Einzugsgebiet als Eingangsgröße dienen. 1974-1986) In ausgeglichenen Haushaltsjahren (typisch für die Zeit und bei 1500 mrn ergab sich ein Abfluss von ca. 1400 mm und eine geschätzte Verdunstung von 120 mm. Demgegenüber betrug in der Periode von 2000-2010 der Gebietsniederschlag 1600 mm, der mittlere Massenhaus­ halt des Vernagtferners -600 mm, und derAbfluss im Mittel 2250 mm. Im Jahre 2003 kam eine extreme Abflussspende von 3300 mm zustande, die zu etwa gleichen Teilen einem mittleren Jahresniederschlag von ca. vom Jahresniederschlag und von der Gletscherspende stammte. Terme des Wasserhaushalts Vernagtferner 3500 , ,..----,------;-----,------;;---,..----,------;-----,------;----r 3000 ��:: 2500 � 1000 �� o -t_ G_e_b_i�t_ts-n - +ie . -""" � l rs- c-hla +- Abflu . . , ..:tA-/'--'•� .-1; . P\ .. -+JI\'- ,1.= -... =. ..: . : ���" ' 'T . � : :: : : : : :[: :: : ;� o ... .�i"*V�'Klf'..1-o� -= . . . . s . �) A r::- . 3500 3000 2500 . 5;'=�� ::: 1000 � 0 � _.._J....."A.••• b.. tl-:::J--cI;.\:- - .500 ' ---'---+""-' 1- .1000 o L_a_hr _se _li __V_+-V·--+- ····-H m--/ \e_ I _----1I--_-I-� I···1'-+ .1000 -/__--+__l-+ .500 - . .1500 V .1500 � n- d- e -+_ -_+--'- .2000 , - G- I e- ts -+ - p - +.2000 +_-_+--+-----;---+---t c h- e- rs 1964/65 1969/70 1974/75 1979/80 1984/85 1989/90 1994/95 1999/00 2004/05 2009/10 - Fig. 10: The water balance com· Abb. 10: Die Terme Gebietsniederschlag, Gletscherspende und Abfluss im Einzugsgebiet des Ver· nagtferners, Pegelstation Vernagtbach. Nach Braun et al. (2007). ponents basin precipitation, glacier mass balance and runoff of the Vernagt basin. Based on Braun et al. (2007). 100 LUDW1G BRAUN, OSKAR REINWARTH und MARKUS WEBER 8. Die saisonalen Variationen im glazial geprägten Abfluss heute und in der Zukunft 2002; Mauser 2009) wurde neben der Analyse der Abflüsse zwischen 1991 und 2000 auch Im Rahmen des Projektes "GLOWA-Danube" (Mauser und Ludwig, und Bach, die Auswirkung von Klimaänderungen auf die Wasserführung der oberen Donau samt ihren Zuflüssen für die Dekaden 2010 bis 2060 untersucht (Weber et al., 2009). Ausge­ hend vom A1B-Emmissionsszenario, welches einen Anstieg der CO2-Konzentration in der Atmosphäre bis zum Ende des Jahrhunderts auf ca. 700 ppm zugrunde legt, wurden verschiedene Klimaszenarios untersucht, welche alle einen ähnlich starken Gletscher­ schwund im Einzugsgebiet der oberen Donau prognostizieren, nämlich Massenverluste von 2/3 der 2011 noch vorhandenen Eisrnasse innerhalb der nachfolgenden Dekade. Zur Berechnung der Abflüsse, wie sie in der Abbildung 11 dargestellt sind, wurde das Szenario "IPCC regional Baseline" (IPCC, Temperaturanstieg von derschlags um 3,3 2007) gewählt, charakterisiert durch einen 2100 und durch eine Zunahme des Nie­ °C bis zum Jahr 7 % im Winter- und eine Abnahme von 14 % im Sommerhalbjahr. Die Resultate für das Einzugsgebiet der Rofenache (siehe auch Abbildung 2) zeigen einen Anstieg der Gletscherschmelze in der Dekade 2011-2020 mit einem Eisschmelzanteil 18 Vent - Rofenache - 98 km2 16 14 1 Ul Ul :::l -= .c 80 � _1991-2000 Ul Ul =2011-2020 70 .... -=. � �in Mittlerer Abfluss in 90 .c .--02041-2050 10 50 =2051-2060 '" Q) N Q; 8 40 ..§ 6 30 m == 4 20 � 2 'Qi 10 1: oe( 0 0 � _2031-2040 60 oe( E 12 ... Q) ... Q) oe( _2021-2030 u Ul ... Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Anteil der Eisschmelze in ..... 1991-2000 -2011-2020 -2021-2030 -2031-2040 -2041-2050 -2051-2060 Abb. 11: Der durchschnittliche Jahresgang des Abflusses (linke Skala) und des prozentualen Anteils des Schmelzwassers von den Gletschern (rechte Skala) für das Einzugsgebiet der Rofenache in Vent (Fläche von98 km2) für verschiedene Dekaden (Vergangenheit, Zukunft). Aus Weber et al. (2009). - Fig. 11: Mean seasonal variation of discharge (left y-axis) and percentage of ice melt (right y-axis) for the Rofenache basin (area of98 km2) at Vent for various decades (past and future). Taken from Weber et al. (2009). Vernagtferner als Objekt der Gletscherforschung 101 von fast 80 % des Abflusses im August, gefolgt von einer kontinuierlichen und dras­ tischen Einbuße des Eisschmelzanteils bis unter 10 % in den Sommermonaten in der Dekade 2051-2060. Hier im Kopfeinzugsgebiet bewirkt das mehrheitliche Verschwin­ den der Gletscher die größten Einbrüche in der Wasserführung im Hochsommer, wäh­ rend sich die Schneeschmelze leicht erhöht, und früher im Jahr einsetzt. Weiter fluss­ abwärts ist die Verminderung der Sommerabflüsse weniger vom Verschwinden der Gletscher als vielmehr von den geringeren Sommerniederschlägen bestimmt. Dies gilt insbesondere außerhalb des Alpenraums (Weber et al., 2009). 9. Prognose für den Vernagtferner in den kommenden 20 Jahren Die Bestimmungen der Eisdickenverteilung des Vemagtfemers im Jahre 2006 in Ver­ bindung mit detaillierten ModelIierungen der Gletscherentwicklung unter den Bedin­ gungen eines Klimaszenarios ermöglichen einen Blick in die Zukunft des Vemagt- Abb. 12: Ergebnisse einer Modellrechnung der künftigen Umrisse des Vernagtferners im Rahmen des Projektes GLOWA-Danube 2010 unter den Bedingungen einer weiteren Erwärmung nach dem Szenario REMO -AlB ausgehend vom Gletscherstand 2006 (nach Marowsky, 2010). - Fig. 12: ModelIed extent of Vernagtferner based on results of the GLOWA-Danube project in 2010 given further global warming according to the REMO-A1B scenario (according to Marowsky, 2010). 102 Ludwig Braun, Oskar Reinwarth und Markus Weber ferners in diesem Jahrhundert. Unter der Annahme des in der Wissenschaft allgemein akzeptierten globalen IPCC-Szenario A1B, der Entwicklung des regionalen Klimas in den Alpen entsprechend den Simulationen des REMO-Modells (Jacob et al., 2007) und den Berechnungen mit dem Modell des Projektes GLOWA-Danube (Weber et al., 2010) ist das Schicksal de Vernagtferners schon um 2035 besiegelt (Abbildung 12). In diesem Szenario wird von einer Zunahme der Lufttemperatur um 5,2 °C bis zum Jahre 2100, sowie einer Zunahme der Winterniederschläge um 7 % und einer Abnahme der Sommerniederschläge um 31 % ausgegangen. Es ist daher um einiges extremer als die in Abschnitt 8 erwähnte Variante „IPCC regional baseline“, ist aber für das Trockengebiet der zentralen Ostalpen nicht abwegig. Dementsprechend wird der Vernagtferner schon 2025 in ca. 5 Teilgletscher zerfallen sein, eine Tendenz, die sich in den regelmäßig erhobenen Fotos des Gletschers vom Schwarzkögele (3075 m) bereits abzeichnet. Eine Trendumkehr würde sich wohl erst nach mehreren Dekaden mit dem Klima der 1960er und 1970er Jahre ergeben, welche mehrheitlich positive Massenbilanzen verzeichneten. 10. Schlussbemerkung In der Debatte um die Auswirkungen der Klimaerwärmung der vergangenen 100 Jahre hat das Monitoring des Vernagtferners und die Analyse der Daten und Modellrechnungen eine wissenschaftlich belastbare Faktenlage geschaffen, die eine merkliche Änderung in der Energiebilanz an der Erdoberfläche belegt und als „Fußabdruck“ der globalen Veränderungen dienen kann. Es bleibt zu hoffen, dass das Monitoring und die wissenschaftlichen Arbeiten auch in Zukunft gesichert sind, damit die zu erwartenden Änderungen auch überprüft und der Zusammenhang zwischen Klima und Gletscherverhalten weiter erforscht werden kann. Nach der aktuellen Lage wird jedoch die Finanzierung dieses naturwissenschaftlichen Vorhabens „Gletscher­forschung“ der Union der Deutschen Akademien im Jahre 2015 eingestellt. 11. 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