Wie Gletscher entstehen: Von Schnee zu Eis
Frisch gefallener Schnee hat eine Dichte von rund 50 bis 100 Kilogramm pro Kubikmeter. Gletschereis hat eine Dichte von rund 900 Kilogramm pro Kubikmeter — fast so dicht wie flüssiges Wasser. Zwischen diesen beiden Zuständen liegt ein Prozess, der Jahre bis Jahrtausende dauern kann und der das Fundament der Glaziologie bildet. Ohne die Umwandlung von Schnee in Eis gäbe es keine Gletscher, keine Eisschilde und keinen langfristigen Eisspeicher auf der Erde.
Der Weg von Schnee zu Gletschereis ist einer der grundlegendsten physikalischen Prozesse der Kryosphäre, und er enthält einige überraschende Details über die Natur des Wassermoleküls und die Thermodynamik des Phasenübergangs.
Frischer Schnee: Eine Welt aus Kristallen
Snowflakes — Schneeflocken — sind Eiskristalle, die durch Deposition aus übersättigtem Wasserdampf entstehen. Jede Flocke hat eine sechszählige Symmetrie, die aus der hexagonalen Kristallstruktur des Eises resultiert. Frisch gefallener Schnee ist extrem locker: Zwischen den Kristallen besteht ein großer Hohlraumanteil, und die Dichte ist gering.
Sobald Schnee auf dem Boden liegt, beginnt er sich zu verändern. Durch eine Kombination aus Verdampfung, Kondensation, Kompaktion und mechanischem Druck durch neue Schneeschichten verändert sich die Kristallstruktur: Konvexe Bereiche der Kristalloberfläche sind thermodynamisch weniger stabil und verlieren Wassermoleküle durch Sublimation; diese lagern sich an konkaven Bereichen wieder ab. Das Ergebnis ist eine Abrundung der Schneekristalle und eine schrittweise Verdichtung.
Firn: Das Zwischenstadium
Wenn Schnee einen Winter überdauert — also im nächsten Frühling noch vorhanden ist —, spricht man von Firn oder Névé. Firn hat eine Dichte von rund 400 bis 830 Kilogramm pro Kubikmeter und ist das Zwischenstadium zwischen Schnee und Eis. Der Prozess, durch den Schnee zu Firn wird, wird Firnifikation genannt.
Im Firn sind die einzelnen Schneekristalle nicht mehr erkennbar; sie haben sich zu größeren, unregelmäßigen Körnern zusammengeballt. Die Hohlräume zwischen den Körnern sind noch offen — Luft kann noch frei durch das Material diffundieren. Dieser Zustand ist wichtig für das Paläoklima: In Firn eingeschlossene Luft wird in Eiskerne konserviert und liefert Informationen über die Zusammensetzung der Atmosphäre vergangener Zeiten.
Die Zeit, die es dauert, bis Firn sich zu Eis verdichtet, variiert erheblich. In der Ostantarktis, wo der jährliche Schneefall sehr gering ist, kann die Firmifikation Tausende von Jahren dauern. In den Alpen und in den feuchten Klimazonen Neuseelands, wo der Schneefall viel höher ist, kann Firn innerhalb weniger Jahre zu Eis werden.
Druckkompaktion und Kristallwachstum
Mit zunehmender Überdeckung durch neue Schneeschichten wächst der Druck auf die tiefer liegenden Firnschichten. Unter diesem Druck beginnen zwei Prozesse: mechanische Kompaktion, bei der die Hohlräume zwischen den Körnern zusammengepresst werden, und Rekristallisation, bei der sich einzelne Körner auf Kosten anderer vergrößern.
Die Rekristallisation ist ein Prozess, der in der Materialwissenschaft gut bekannt ist: In einem polykristallinen Material vergrößern energetisch bevorzugte Kristalle sich durch Migration von Korngrenzen auf Kosten kleinerer oder ungünstig orientierter Körner. In Gletschereis nimmt die mittlere Korngröße mit der Tiefe zu — in vielen Gletschern wachsen die Eiskristalle von wenigen Millimetern an der Oberfläche auf mehrere Zentimeter in der Tiefe.
Der Abschluss der Hohlräume: Entstehung von Gletschereis
Das entscheidende Merkmal, das Firn von echtem Gletschereis unterscheidet, ist die Geschlossenheit der Lufträume. Solange die Porosität des Materials hoch genug ist, sind die Hohlräume zwischen den Körnern miteinander verbunden — Luft kann hindurchströmen. Wenn die Dichte auf rund 830 kg/m³ ansteigt, werden die Hohlräume von der Umgebungsluft abgeschlossen: Es entstehen isolierte Luftblasen im Eis.
Von diesem Moment an ist die im Eis eingeschlossene Luft ein Archiv der Atmosphäre zu jener Zeit — und dieser Abschluss ist der Grund, warum Eiskernbohrungen in der Antarktis und in Grönland Informationen über Atmosphärenzusammensetzungen liefern können, die Hundert- oder Hunderttausende Jahre zurückreichen.
Akkumulations- und Ablationszone
Ein Gletscher besteht aus zwei funktional verschiedenen Zonen. In der Akkumulationszone — dem oberen Bereich — fällt mehr Schnee, als schmilzt: Die Schneedecke wächst von Jahr zu Jahr, und Firn und Eis akkumulieren sich. In der Ablationszone — dem unteren Bereich — überwiegt die Schmelze (und in Tidewater-Gletschern das Kalben): Es geht mehr Masse verloren, als neues Eis hinzukommt.
Die Grenze zwischen beiden Zonen ist die Gleichgewichtslinie (engl. Equilibrium Line Altitude, ELA). Sie markiert den Bereich, wo Zugewinn und Verlust sich die Waage halten. Liegt die ELA durch Klimaerwärmung dauerhaft höher als früher, schrumpft die Akkumulationszone und der Gletscher verliert Masse.
Glazialeis: Eigenschaften und Erscheinungsbild
Ausgewachsenes Gletschereis ist optisch sehr verschieden von Schnee oder Firn. Es ist transparent bis transluzent und erscheint in großen Massen tiefblau — weil rotes Licht im Eis stärker absorbiert wird als blaues. Die charakteristische blaue Farbe tiefer Gletscherspalten und frisch gekalbter Eisberge ist ein direktes Ergebnis dieser optischen Eigenschaft des Eises.
Auf der Karte der Gletscher lässt sich verfolgen, wo auf der Erde derzeit aktive Akkumulationszonen bestehen — die Brutstätten des Gletschereises der Zukunft.