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Paradoxer Frost-Effekt: Eis kann Erosion in Flussbetten beschleunigen
Eis im Flussbett sollte Sand und Kies eigentlich zusammenhalten. Doch Laborversuche zeigen, dass ein saisonal gefrorener Untergrund während des Auftauens deutlich stärker erodieren kann als ein ungefrorener. Entscheidend sind Wasserströme im Sediment, die Wärme und Bewegungsenergie bis an die noch gefrorene Schicht tragen und Körner von unten lockern.
Burnaby (Kanada). In Permafrostgebieten friert Wasser im Untergrund jeden Winter und taut im Sommer wieder an. Das Eis erhöht die Kohäsion von Sand und Kies, weshalb Fachleute lange davon ausgingen, dass kalte Flussbetten insgesamt schwerer auszuräumen sind. Beobachtungen rasch entstehender arktischer Rinnen passten jedoch nicht recht zu diesem Bild.
Dass tauender Permafrost Flussufer stark destabilisieren kann, ist schon länger bekannt. Die neue Untersuchung richtet den Blick nun auf das Flussbett selbst, wo gerade der Übergang zwischen aufgetautem und noch gefrorenem Material eine unerwartete Strömungsdynamik erzeugt.
Forscher der Simon Fraser University (SFU) um Jonas A. Eschenfelder haben dazu Laborversuche, Skalierungsmodelle und Feldbeobachtungen kombiniert. In einem schmalen Versuchskanal ließen sie Wasser über ein Bett aus kleinen Glaskugeln strömen. Acht ungefrorene Versuche dienten als Kontrolle, sechs weitere starteten mit einem gefrorenen, wassergesättigten Sedimentbett.
Im Mittel passierten im ungefrorenen Fall 0,65 Körner pro Sekunde die Messstelle, im gefrorenen Versuch waren es 5,49. Der mittlere Partikelstrom lag damit gut achtmal so hoch und blieb selbst in einem längeren Versuch nach weiter fortgeschrittenem Auftauen noch stärker als im ungefrorenen Vergleich.
„Wir hatten buchstäblich erwartet, das Gegenteil von dem zu sehen, was wir am Ende sahen. Wir haben die Experimente immer wieder durchgeführt, bis mein Betreuer die Ergebnisse tatsächlich glaubte“, sagt Jonas A. Eschenfelder.
Zu Beginn hält das Eis die Sedimentkörner tatsächlich fest, doch sobald die oberste Schicht taut, kann Oberflächenwasser in die Poren des Flussbetts eindringen. Dort trifft es auf den weiterhin gefrorenen Untergrund, wird umgelenkt und erzeugt lokal stärkere Strömungen im Sediment.
Diese Wasserbewegung transportiert zugleich Wärme und Bewegungsenergie nach unten, wodurch der Untergrund nicht gleichmäßig, sondern bevorzugt an einzelnen Stellen taut. Kleine Unebenheiten lenken weitere Wasserströme dorthin, die wiederum Sediment lockern und abtransportierbar machen. So können sich Stufen und Mulden selbst verstärken und die Erosion räumlich bündeln.
Ob sich dieser Mechanismus auch in einer natürlichen Landschaft zeigt, hat das Team auf Tallurutit, der Devon-Insel im kanadischen Nunavut, untersucht. Dort fanden die Wissenschaftler unterbrochene Rinnen mit Ablagerungsbecken ungefähr alle 25 Meter und steile Stufen von bis zu einem halben Meter Höhe. Zudem verlief die Grenze zwischen aufgetautem und gefrorenem Boden deutlich wellenförmig, ähnlich wie im Versuchskanal.
„Wir haben in der Landschaft ähnliche Merkmale gefunden, relativ steile Stufen in Flussbetten, unterbrochen von Ablagerungsbecken, die dem sehr ähneln, was wir in den Experimenten gesehen haben. Unsere Messungen der Auftautiefe im Gelände zeigten eine ähnlich wellige Auftaufront, wie sie sich auch in den Experimenten entwickelte“, sagt Jonas A. Eschenfelder.