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Langzeit-Quantifizierung von Erosionsprozessen auf proglazialen Flächen hochalpiner Geosysteme seit dem Ende der Kleinen Eiszeit im Kontext des Klimawandels

  • Das Abschmelzen der Gletscher in den europäischen Alpen seit dem Ende der Kleinen Eiszeit (LIA) um die Mitte des 19. Jahrhunderts, das durch den Klimawandel noch verstärkt wurde, hat seitdem zur Entstehung großflächiger proglazialer Bereiche geführt. Diese unterliegen zum Teil einer lang anhaltenden und intensiven Morphodynamik. Trotz vieler Forschungsanstrengungen bestehen nach wie vor einige Wissenslücken über die sich verändernde Morphodynamik. Für quantitative Langzeitanalysen dieser wurden in einigen Studien historische Luftbilder verwendet. Da diese aber erst ab Mitte des 20. Jahrhunderts zur Verfügung stehen, ergibt sich bis zum Ende des LIA eine zeitliche Lücke von ca. 100 Jahren, für die die Reaktion der Flächen auf die Eisfreisetzung kaum bekannt ist. Um entsprechende Aussagen treffen zu können, sind daher weitere Daten und Untersuchungen erforderlich. Inwieweit sich das Erosionsmuster der geomorphologisch aktiven Flächen über die letzten Jahrzehnte hinweg verändert hat, ist ebenfalls nicht bekannt. Auch der Einfluss sichDas Abschmelzen der Gletscher in den europäischen Alpen seit dem Ende der Kleinen Eiszeit (LIA) um die Mitte des 19. Jahrhunderts, das durch den Klimawandel noch verstärkt wurde, hat seitdem zur Entstehung großflächiger proglazialer Bereiche geführt. Diese unterliegen zum Teil einer lang anhaltenden und intensiven Morphodynamik. Trotz vieler Forschungsanstrengungen bestehen nach wie vor einige Wissenslücken über die sich verändernde Morphodynamik. Für quantitative Langzeitanalysen dieser wurden in einigen Studien historische Luftbilder verwendet. Da diese aber erst ab Mitte des 20. Jahrhunderts zur Verfügung stehen, ergibt sich bis zum Ende des LIA eine zeitliche Lücke von ca. 100 Jahren, für die die Reaktion der Flächen auf die Eisfreisetzung kaum bekannt ist. Um entsprechende Aussagen treffen zu können, sind daher weitere Daten und Untersuchungen erforderlich. Inwieweit sich das Erosionsmuster der geomorphologisch aktiven Flächen über die letzten Jahrzehnte hinweg verändert hat, ist ebenfalls nicht bekannt. Auch der Einfluss sich ändernder externer Faktoren, wie Temperatur und Niederschlag auf geomorphologische Hangprozesse und der Einfluss der sich klimawandelbedingt ändernden Naturraumausstattung proglazialer Flächen auf Erosions- und Akkumulationsflächen, sind unzureichend untersucht. Um den Fortschritt der paraglazialen Hanganpassung beurteilen zu können, fehlen zudem jahrzehntelange Vergleichswerte der Erosionsraten der LIA-Lateralmoränen mit denen außerhalb dieser Flächen, z.B. auf würmzeitlichen proglazialen Flächen. Ziel dieser Arbeit ist es daher, die genannten Forschungslücken zu adressieren und entsprechende Ergebnisse mit bestehenden Studien zu diskutieren. Um einen ausreichend langen Untersuchungszeitraum zu gewährleisten, wurden verschiedene topographische Datengrundlagen aus unterschiedlichen Zeiträumen, basierend auf unterschiedlichen Fernerkundungsdaten, verwendet und miteinander kombiniert. Dazu gehören historische und aktuelle Luftbilder ab Mitte des 20. Jahrhunderts sowie aktuelle Light Detection and Ranging-Daten ab Mitte der 2000er Jahre, die entsprechend zu Orthofotos für flächenhafte Analysen bzw. zu digitalen Geländemodellen für volumetrische Analysen aufbereitet wurden. Um den Analysezeitraum in die zweite Hälfte des 19. und die erste Hälfte des 20. Jahrhunderts auszudehnen, wurden einerseits historische terrestrische Schrägaufnahmen mittels digitalem Monoplotting ausgewertet und andererseits historische topographische Karten zu digitalen Geländemodellen prozessiert. Neben den topographischen Datensätzen wurden zudem naturräumliche Informationen wie meteorologische, hydrologische und vegetationskundliche Daten analysiert. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass die beiden hier vorgestellten Ansätze geeignet sind, den Zeitraum für quantitative Analysen der Morphodynamik auf LIA-Lateralmoränen und damit die Untersuchung paraglazialer Hanganpassungsprozesse zeitlich bis in die zweite Hälfte des 19. und die erste Hälfte des 20. Jahrhunderts zu erweitern. Die flächenhafte Analyse der Veränderung geomorphologisch aktiver Flächen auf Basis georeferenzierter Orthofotos zeigt eine nahezu kontinuierliche Flächenzunahme der (initialen) Runsensysteme eines LIA-Lateralmoränenabschnittes im Zeitraum zwischen 1890 und 2020. Seit der Mitte des 20. Jahrhunderts zeigen die volumetrischen Analysen, die am gleichen Hang durchgeführt wurden, allerdings eine Abnahme der geomorphologischen Aktivität. Ein Differenzgeländemodell, das aus karten- und luftbildbasierten digitalen Geländemodellen berechnet wurde, ermöglichte es zudem, eine Rutschung mit entsprechend höherer Magnitude zu erkennen, welche sich zwischen 1922 und 1953 ereignete. Die volumetrischen Analysen, die einen Zeitraum von mehreren Jahrzehnten (ab der Mitte des 20. Jahrhunderts) abdecken, zeigen im Allgemeinen eine Abnahme der geomorphologischen Aktivität der LIA-Lateralmoränen. In einigen Fällen kann auch ein zunehmender Trend oder ein Verbleiben der Morphodynamik auf ähnlichem Niveau nachgewiesen werden. Dies kann als Verzögerung des paraglazialen Anpassungsprozesses interpretiert werden, bzw. zeigt, dass die Systeme einer solchen Anpassung auch entgegenlaufen können. Bei der Analyse der Entwicklung der Erosionsmuster auf den Hängen konnten vor allem zwei Gruppen von geomorphologisch aktiven Flächen mit unterschiedlichen Reaktionen identifiziert werden. Auf der einen Seite zeigt eine Gruppe nicht nur einen abnehmenden Sedimentaustrag, sondern auch eine anfänglich deutlich höhere Variabilität des Erosionsmusters innerhalb der Fläche, die im Laufe der Jahrzehnte konstanter wird. Eine weitere Gruppe zeigt ebenfalls eine Abnahme des Sedimentaustrags über die Jahrzehnte, jedoch bleibt das Erosionsmuster innerhalb der Fläche über die Zeiträume hinweg konstant, so dass beide Gruppen in den letzten Jahrzehnten ein ähnliches Verhalten zeigen. Die entsprechenden Ergebnisse führten schließlich zur Entwicklung des „Sedimentaktivitätskonzepts“, welches den paraglazialen Hanganpassungsprozess der letzten Jahrzehnte zusammenfasst. Erosionsflächen mit einer höheren mittleren und maximalen Hangneigung sowie einer größeren Hanglänge weisen generell höhere geomorphologische Aktivitäten auf als solche mit entsprechend geringeren Werten. Diese Charakteristik scheint jedoch einen größeren Einfluss auf die geomorphologische Aktivität zu haben als die Zeit der Eisfreiwerdung. Analysen sich verändernder externer Faktoren, wie der Temperatur- und Niederschlagswerte, konnten sowohl fördernde als auch hemmende Auswirkungen auf geomorphologische Hangprozesse identifizieren, sodass abschließend nicht beurteilt werden kann, inwieweit sich diese tatsächlich auf die Erosionsprozesse der letzten Jahrzehnte der LIA-Lateralmoränen ausgewirkt haben. Es ist davon auszugehen, dass der andauernde paraglaziale Anpassungsprozess, der in der Regel mit einer Abnahme der Morphodynamik proglazialer Flächen verbunden ist, hier einen deutlich größeren Einfluss hat, als die sich ändernden meteorologischen Einflüsse. Die Langzeit-Vegetationsanalysen zwischen 1890 und 2020 haben gezeigt, dass sich die Vegetation innerhalb eines LIA-Lateralmoränenabschnitts vor allem in den Bereichen entwickelt, die geomorphologisch nicht aktiv sind. In den geomorphologisch aktiven Flächen schwankt die Vegetationsausbreitung deutlich stärker, da diese durch Erosions- und Ablagerungsprozesse regelmäßig zurückgedrängt wird. Mit zunehmendem Abfluss konnte in jüngerer Zeit beobachtet werden, dass Akkumulationsflächen seitlich erodiert werden können. Ebenso kann gezeigt werden, dass die geomorphologische Aktivität innerhalb des Vorfluters eine Verflachung im unteren Bereich der Hänge unterbindet und letztlich eine Verlandung der Erosionsbasis verhindert, was wiederum für die angrenzenden Hänge erosionsfördernd sein kann. Der Vergleich mit den langjährigen Erosionsraten außerhalb der proglazialen Flächen zeigt, dass die Erosionsraten auf den LIA-Lateralmoränen um einige Magnituden höher liegen. Daraus kann geschlossen werden, dass sich diese noch deutlich in der Phase der paraglazialen Anpassung befinden.show moreshow less
  • Glacier retreat in the European Alps since the end of the Little Ice Age (LIA) in the mid-19th century, intensified by climate change, has led to the formation of large proglacial areas. Some of these areas are subject to long-term and intensive morphodynamics. Despite many research efforts, there are still some gaps in our knowledge of the changing morphodynamics. For quantitative long-term analyses of these, some studies have used historical aerial photographs. However, since these are only available from the mid-20th century onwards, there is a temporal gap of about 100 years until the end of the LIA, for which the response of the areas to ice-loss conditions is hardly known and therefore additional data must be used to draw corresponding conclusions. The degree to which the erosion pattern of geomorphic active areas has changed over recent decades is also unknown. The influence of changing external factors such as temperature and precipitation on geomorphological slope processes, and the influence of changing natural environmentGlacier retreat in the European Alps since the end of the Little Ice Age (LIA) in the mid-19th century, intensified by climate change, has led to the formation of large proglacial areas. Some of these areas are subject to long-term and intensive morphodynamics. Despite many research efforts, there are still some gaps in our knowledge of the changing morphodynamics. For quantitative long-term analyses of these, some studies have used historical aerial photographs. However, since these are only available from the mid-20th century onwards, there is a temporal gap of about 100 years until the end of the LIA, for which the response of the areas to ice-loss conditions is hardly known and therefore additional data must be used to draw corresponding conclusions. The degree to which the erosion pattern of geomorphic active areas has changed over recent decades is also unknown. The influence of changing external factors such as temperature and precipitation on geomorphological slope processes, and the influence of changing natural environment of proglacial areas due to climate change on erosion and accumulation areas are also poorly understood. Furthermore, in order to assess the progress of paraglacial slope adjustment, there is a lack of decade-long comparative values of erosion rates of LIA lateral moraines with those outside these areas. Therefore, the aim of this work is to address the mentioned research gaps and to discuss corresponding results with existing studies. In order to ensure a sufficiently long investigation period, various topographic data sets from different time periods, based on different remote sensing methods, were used and combined with each other. These include historical and current aerial photographs from the mid-20th century and current Light Detection and Ranging data from the mid-2000s, which were processed accordingly to orthophotos for areal analyses or to digital terrain models for volumetric analyses. In order to extend the period of analysis into the second half of the 19th and the first half of the 20th century, historical terrestrial oblique images were processed using digital monoplotting and historical topographic maps were processed into digital terrain models. In addition to topographic data sets, natural information such as meteorological, hydrological and vegetation data was also analyzed. The results show that the two approaches presented here are suitable for extending the time period for quantitative analyses of the morphodynamics of LIA lateral moraines and thus the investigation of paraglacial slope adjustment processes temporally into the second half of the 19th century and the first half of the 20th century. The areal analysis of the change in geomorphologically active areas based on georeferenced orthophotos shows an almost continuous increase in the area of the (initial) gully systems of a LIA lateral moraine section in the period between 1890 and 2020. Since the middle of the 20th century, however, volumetric analyses carried out on the same slope show a decrease in geomorphic activity. A digital terrain model of difference calculated from map- and aerial-image-based digital terrain models also made it possible to identify a landslide of correspondingly higher magnitude that occurred between 1922 and 1953. The volumetric analyses covering a period of several decades (from the mid-20th century) generally show a decrease in geomorphologic activity of the LIA lateral moraines. In some cases, an increasing trend or an activity at a similar level can also be detected. This can be interpreted as a delay in the paraglacial adjustment process, or shows that the systems can also act against such adjustment. Analysing the development of erosion patterns on the slopes, two groups of geomorphic active areas with different responses could be identified. On the one hand, one group shows not only a decrease in sediment yield, but also an early clearly higher variability of the erosion pattern within the area, which becomes more constant over the decades. Another group also shows a decrease in sediment yield over the decades, but the erosion pattern within the area remains constant over the time periods, so that both groups show a similar behavior over the last decades. The corresponding results finally led to the development of the "sediment activity concept", which summarizes the paraglacial slope adjustment process over the last decades. In general, erosion areas with higher mean and maximum slope gradients and greater slope lengths have higher geomorphological activity than those with correspondingly lower values. However, this characteristic seems to have a greater influence on geomorphological activity than the time of ice loss. Analyses of changing external factors, such as temperature and precipitation, could identify both promoting and inhibiting effects on geomorphological slope processes, so the extent to which they have actually influenced the erosion processes of the last decades of the LIA lateral moraines cannot be assessed finally. It can be assumed that the ongoing paraglacial adjustment process, which is usually associated with a decrease in the morphodynamics of proglacial areas, has a much greater influence here than the changing meteorological influences. The long-term vegetation analyses between 1890 and 2020 have shown that vegetation within a LIA lateral moraine develops mainly in the geomorphic inactive areas. In the geomorphic active areas, the vegetation cover is much more variable as it is regularly reduced by erosion processes. With increasing runoff, it has recently been observed that accumulation areas can be eroded laterally. It can also be shown that the geomorphic activity within the channel prevents a flattening in the lower part of the slopes and ultimately a sedimentation of the erosion base, which in turn can promote erosion on the adjacent slopes. The comparison with the long-term erosion rates occurring outside the proglacial areas shows that the erosion rates on the LIA lateral moraines are several magnitudes higher. It can therefore be concluded that these are still clearly in the phase of the paraglacial slope adjustment.show moreshow less

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Metadaten
Author:Altmann, Moritz
URN:urn:nbn:de:bvb:824-opus4-8707
DOI:https://doi.org/10.17904/ku.opus-864
Subtitle (Multiple languages):[kumulative Dissertation]
Title Additional (English):Long-term quantification of erosion on proglacial areas of high alpine geosystems since the end of the Little Ice Age in the context of climate change
Advisor:apl. Prof. Dr. Haas, Florian, Prof. Dr. Becht, Michael
Document Type:Doctoral thesis
Language of publication:Multiple languages
Online publication date:2023/12/13
Date of first Publication:2023/12/13
Publishing Institution:Katholische Universität Eichstätt-Ingolstadt
Awarding Institution:Katholische Universität Eichstätt-Ingolstadt, Mathematisch-Geographische Fakultät
Date of final examination:2023/07/19
Release Date:2024/01/18
GND Keyword:Ostalpen; Glazialerosion; Dynamische Geomorphologie; Fernerkundung; Anthropogene Klimaänderung; Geschichte 1890-2020
Pagenumber:XVIII, 211 Seiten : Illustrationen, Karten, Diagramme
Faculty:Mathematisch-Geographische Fakultät
License (German):License LogoKeine Lizenz - es gilt das deutsche Urheberrecht
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