Schmelzwassersee am 79°N Glacier: AWI zeigt, wie Eiszungen instabil werden

Hoch über dem Arktischen Ozean biegt, reisst und hebt sich eine schwimmende Gletscherzunge, während Schmelzwasser mit Wucht durch ihr Inneres schiesst – ein seltenes Live-Fenster darauf, wie ein sich erwärmendes Klima Eis, das lange als vergleichsweise stabil galt, in kurzer Zeit aus dem Gleichgewicht bringen kann.

Eine Gletscherzunge unter Druck

An der abgelegenen Nordostküste Grönlands ist die Eiszunge des Nioghalvfjerdsbræ – besser bekannt als 79°N Glacier – zu einer Art Freiluftlabor für Klimaforschende geworden. Sie gehört zu den nur noch drei grossen schwimmenden Gletscherzungen, die es in Grönland überhaupt noch gibt. Allein dieser Umstand macht sie wichtig für Abschätzungen zum künftigen Meeresspiegel.

Seit Mitte der 1990er-Jahre hat sich die Region deutlich erwärmt. Wärmeres Meerwasser greift den Gletscher von unten an. Gleichzeitig haben steigende Lufttemperaturen Teile der Oberfläche im Sommer in eine Landschaft aus Seen, Tümpeln und Rinnsalen verwandelt.

1995 zeigten Satellitenaufnahmen erstmals etwas Auffälliges: ein grosser Schmelzwassersee, der direkt oben auf der Gletscherzunge lag. Dieser See – etwa 21 Quadratkilometer gross – steht seither im Zentrum einer detaillierten Untersuchung, die von Forschenden des Alfred-Wegener-Instituts (AWI) in Deutschland geleitet wird.

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

Das Team hat inzwischen sieben grosse Entleerungen dieses einen Sees dokumentiert, vier davon allein in den vergangenen fünf Jahren. Jedes Ereignis jagt enorme Mengen Süsswasser durch Risse und senkrechte Schächte im Eis bis an die Gletscherbasis – und von dort weiter Richtung Ozean.

Ein riesiger See, der über Nacht verschwindet

Sieben Entleerungen – schneller, häufiger und geometrisch ungewöhnlich

Wenn der See ausläuft, geschieht das rasant – im Bereich von Stunden bis wenigen Tagen. Satellitenbilder von kurz davor und kurz danach zeigen den abrupten Wechsel: Eine leuchtend blaue Fläche wirkt plötzlich matt, zerbrochen und von Bruchlinien durchzogen. Wo zuvor ruhiges Wasser lag, erscheint ein dichtes Muster aus Rissen.

Ab 2019 bemerkten AWI-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler zudem eine auffällige neue Geometrie in diesen Bruchfeldern: grosse dreieckige Formationen, die vom entleerten Becken nach aussen ausstrahlen. Solche Formen unterscheiden sich von den eher kreisförmigen, trichter- oder sinklochähnlichen Mustern, wie sie bei der Entleerung von Oberflächenseen auf anderen Gletschern häufiger beobachtet werden.

„Die dreieckigen Bruchfelder wirken wie riesige Trichter und leiten das Wasser in Öffnungen im Eis, die Dutzende Meter breit sein können.“

Diese Öffnungen sind sogenannte Moulins – annähernd senkrechte Schächte, die wie Abflüsse an der Gletscheroberfläche funktionieren und Schmelzwasser direkt bis zur Basis leiten, teils mehr als einen Kilometer tief. Überschreitet der See einen kritischen Pegel, können diese Moulins in sehr kurzer Zeit ausserordentlich grosse Wassermengen abführen.

Aufnahmen aus Flugzeugen und von Satelliten zeigen ausserdem: Selbst nach einer grossen Entleerung fliesst noch eine Weile Wasser durch die Moulins. Das bedeutet, die Gletscherzunge wird nicht nur durch einen einmaligen Schwall „durchgespült“, sondern durch wiederholte Schmelzwasserimpulse.

Das ungewöhnliche Verhalten von „lebendigem“ Eis

Die Studie macht auch deutlich, dass Eis sich auf eine Weise verhält, die nicht immer intuitiv ist. Gletschereis bewegt sich über Jahre und Jahrzehnte wie eine extrem zähflüssige Masse – zugleich kann es auf kürzeren Zeitskalen elastisch reagieren, sich durchbiegen und nach Belastung wieder zurückfedern.

Diese Doppelnatur hilft zu verstehen, warum das dreieckige Bruchsystem so lange bestehen bleibt. An der Oberfläche sind die Brüche über Jahre hinweg sichtbar und verändern sich nur wenig. Im Inneren zeigen Radarmessungen dagegen, dass sich Kanäle weiterentwickeln, sich unter dem langsamen „Kriechen“ des Eises verengen und sich durch Wiedergefrieren teilweise schliessen – ohne vollständig zu verschwinden.

Damit beginnt jede sommerliche Schmelzsaison nicht bei null. Vorhandene Schwächezonen können reaktiviert werden, sobald neues Schmelzwasser ankommt – was erklären könnte, weshalb sich der See in den letzten Jahren häufiger entleert hat.

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

Wenn Wasser einen ganzen Gletscher anhebt

Eine verborgene Blase unter dem Eis

Zu den eindrucksvollsten Resultaten der AWI-Studie gehören Hinweise, die sich aus feinen Schatten in Luftbildern und aus Signalen von eisdurchdringendem Radar ableiten.

Entlang einzelner Bruchlinien liegen die beiden Seiten eines Risses nicht auf derselben Höhe. Eine Seite ist leicht angehoben – ein Zeichen dafür, dass das Eis von unten nach oben gedrückt wurde. Die stärkste Anhebung befindet sich genau unter dem ehemaligen Seebecken.

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

Radarprofile deuten auf eine Art Wasserblase hin, die unter dem Gletscher eingeschlossen ist. Dieser zusätzliche Wasserdruck hebt das Eis an und verformt die Oberfläche um mehrere Meter. Bemerkenswert ist: Mehr als 15 Jahre nach der ersten grossen Entleerung sind die zu dieser Anhebung gehörenden Oberflächenbrüche noch immer erkennbar.

Das Anheben verändert nicht nur die Form der Gletscherzunge. Steigt der Wasserdruck an der Basis, sinkt die Reibung zwischen Eis und dem darunterliegenden Gestein oder Sediment. Dadurch kann der Gletscher schneller in Richtung Meer gleiten – besonders während oder kurz nach Entleerungsereignissen.

Steuert der Gletscher auf einen neuen Zustand zu?

Durch die Kombination aus Satellitenbildern, Radarflügen und Computersimulationen rekonstruierte das Team, wie der See sich füllt und leert, wie sich Brüche ausbreiten und wie sich innere Kanäle öffnen und wieder verengen.

Dabei kamen viskoelastische Modelle zum Einsatz – mathematische Ansätze, die sowohl das fliessende als auch das federnde Verhalten von Eis abbilden. So prüften die Forschenden, ob sich die Abflusswege nach einer Entleerung wieder vollständig schliessen können oder ob jedes Ereignis das System ein Stück weit „vorbereitet“ und die nächste Entleerung wahrscheinlicher macht.

„Die zentrale Frage ist nun, ob wiederholte Entleerungen den Gletscher in einen anderen, weniger stabilen Verhaltensmodus gedrückt haben.“

Über ungefähr ein Jahrzehnt hat sich das Muster vom sporadischen Ausbruch zu einer regelmässigeren Abfolge schneller, wiederholter Entleerungen verschoben. Jedes Ereignis treibt einen extremen Schmelzwasserimpuls in den „Unterbauch“ des Gletschers und verändert die Bedingungen an der Basis auf Zeitskalen von Stunden bis Tagen.

Nun stellt sich die Frage, ob die Gletscherzunge jedes Jahr noch in einen ruhigeren Winterzustand zurückfinden kann – oder ob eine Schwelle überschritten wurde, bei der Brüche und Kanäle als halb-permanente Strukturen bestehen bleiben und sofort reaktiviert werden, sobald die Schmelze wieder einsetzt.

Warum ein See für den globalen Meeresspiegel relevant ist

Risse wandern weiter ins Landesinnere und höher hinauf

Die Vorgänge an einem einzelnen See auf einem einzelnen Gletscher wirken zunächst lokal. Für die Modellierung von Eisschilden liefert dieses System jedoch seltene Daten dazu, wie Oberflächenschmelze mit einer tief liegenden, verborgenen „Wasserinstallation“ in grossen Eismassen gekoppelt ist.

Mit der fortschreitenden atmosphärischen Erwärmung verschiebt sich die Zone, in der Schmelzwasserteiche entstehen können, weiter ins Landesinnere und auf höhere Bereiche des 79°N Glacier. Neue Risse und Seen beeinflussen heute eine grössere Fläche der Eiszunge als noch in den 1990er-Jahren.

Dieser Prozess beschränkt sich nicht auf Nordostgrönland. Über den gesamten Eisschild hinweg entstehen jeden Sommer Tausende saisonaler Seen. Manche frieren schlicht wieder zu. Andere entleeren sich abrupt und durchschlagen dabei Hunderte Meter Eis. Bislang hatten Modelle Schwierigkeiten, solche Ereignisse realistisch abzubilden.

Prozess	Wirkung auf den Gletscher
Oberflächenschmelze und Seebildung	Erhöht Gewicht und Wasserdruck auf der Eisoberfläche
See-Entleerung über Moulins	Liefert Wasser sehr schnell an die Gletscherbasis
Anstieg des Wasserdrucks an der Basis	Verringert die Reibung, kann den Eisfluss beschleunigen
Wiederholte Entleerungszyklen	Erhält Brüche und Kanäle, verschiebt das Gletscherverhalten

Die AWI-Studie liefert vermessene Bruchgeometrien, Zeitpunkte der Entleerungen und Hinweise auf langlebige innere Strukturen, die sich nun in numerische Modelle des Grönländischen Eisschilds einspeisen lassen. Genauere Modelle tragen wiederum dazu bei, Projektionen einzugrenzen, wie schnell Eis bei weiterer Erwärmung in den Ozean strömen wird.

Schlüsselbegriffe – und was wirklich dahintersteckt

Ein Teil der Fachsprache rund um diese Forschung beschreibt im Kern einfache Konzepte:

• Moulin: Ein nahezu senkrechter Schacht im Eis, der Oberflächenwasser bis an die Basis eines Gletschers transportiert – vergleichbar mit einem riesigen Abflussrohr, das durch fliessendes Wasser in das Eis geschnitten wird.
• Subglazialer See: Ein Wasserkörper, der unter dem Eis eingeschlossen ist. Solche Seen reichen von kleinen Ansammlungen bis zu grossen Becken, die sich über viele Kilometer erstrecken können.
• Viskoelastische Modellierung: Eine Methode, um Materialien zu simulieren, die sowohl fliessen als auch zurückfedern. Bei Gletschern hilft das, Rissbildung, Durchbiegung und das langsame Kriechen des Eises vorherzusagen.
• Gletscherzunge: Eine lange, schmale Eisverlängerung, die auf dem Meer schwimmt, während sie an Land noch mit dem Haupteisschild verbunden ist.

Wenn diese Prozesse besser verstanden werden, schärft das auch den Blick für Risiken. Eine durch Brüche geschwächte Gletscherzunge kann leichter zerbrechen, wenn Stürme, wärmeres Meerwasser oder zusätzliches Schmelzwasser auf sie einwirken. Brechen grosse Stücke ab, verschwindet eine Art natürliches „Tor“, das den Abfluss von Eis aus den weiter landeinwärts gelegenen Tälern in Richtung Ozean bremst.

Als wachsendes Problem gilt die kombinierte Wirkung von Oberflächenschmelze und Ozeanwärme. Wärmeres Meerwasser kann die schwimmende Zunge von unten ausdünnen, während Seen und Risse sie gleichzeitig von oben her untergraben. Dieser doppelte Stress könnte die Lebensdauer von Strukturen wie der Zunge des 79°N Glacier verkürzen – und dazu führen, dass mehr Eis früher als erwartet ins offene Meer abgegeben wird.

Forschende rechnen bereits Zukunftsszenarien durch, in denen Schmelzperioden länger dauern und Seen früher im Jahr entstehen. In solchen Simulationen treten Entleerungen häufiger auf, Wassersysteme an der Basis bleiben länger aktiv, und die Gletscherzunge reagiert mit schnellerem Fliessen und stärkerem Durchbiegen. Auch wenn die exakten Zahlen je nach Modell variieren, weisen sie in dieselbe Richtung: Dieses „Reissen und Entleeren“ dürfte sich mit der weiteren Erwärmung der Arktis verstärken.