Refine
Document Type
- Doctoral thesis (5) (remove)
Institute
Language
- English (2)
- Multiple languages (2)
- German (1)
Keywords
- Fernerkundung (5) (remove)
Murgänge treten in allen Gebirgsregionen weltweit als Naturgefahr auf und sind ein wichtiger Faktor für den Sedimenthaushalt hochalpiner Gebiete. Um mögliche Veränderungen der Murdynamik im Klimawandel feststellen zu können, sind lange Zeitreihen notwendig, welche die Muraktivität möglichst vollständig dokumentieren. Solche detaillierten und weit zurückreichenden Murchroniken für ein alpines Einzugsgebiet sind jedoch sehr selten. In dieser Arbeit werden Fernerkundungsmethoden in Kombination mit lichenometrischen Datierungen verwendet, um die Muraktivität im Horlachtal (Tirol) seit dem Ende der Kleinen Eiszeit um 1850 zu analysieren. Verfügbare Luftbildüberflüge (seit 1947) und Daten aus luftgestütztem Laserscanning (seit 2006) werden ausgewertet, um Murgänge im gesamten Untersuchungsgebiet zu detektieren. Um den Zeitraum der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts und der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts abzudecken, wird eine lokale lichenometrische Referenzkurve für das Horlachtal erstellt, sodass mithilfe der lichenometrischen Datierung auch alte Murablagerungen zeitlich eingeordnet werden können. Insgesamt können durch die Fernerkundungsmethoden 991 Einzelmurereignisse zwischen 1947 und 2022 identifiziert und ausgewertet werden. Die lichenometrischen Messungen ermöglichen zudem die Datierung von 47 Murablagerungen seit ca. 1850. Aus diesen Ergebnissen können muraktive Phasen abgeleitet werden, in denen mindestens ein großes Murereignis stattgefunden haben muss: Um 1850, um 1900, 1930-1942, 1954-1973, 1990-2009 und ab 2022. Weder aus der Murfrequenz noch aus einer zeitlichen Analyse der Murmagnituden lassen sich dabei zu- oder abnehmende Trends in der Muraktivität feststellen. Allerdings zeigen die Ergebnisse starke räumliche Unterschiede der Muraktivität, die vorwiegend aus den unterschiedlichen topographischen Gegebenheiten, den morphometrischen Eigenschaften der hydrologischen Einzugsgebiete und der stark lokalen sommerlichen Gewitterzellen hervorgeht. Um die detektierte Muraktivität mit hydrometeorologischen Auslöseereignissen in Zusammenhang zu bringen, wird in dieser Arbeit eine Auswertung von murauslösenden Starkniederschlagsereignissen angeschlossen. Zu diesem Zweck werden zeitlich und räumlich hochaufgelöste Niederschlagsdaten eines Klimamodells für den Zeitraum 1850 bis 2015 untersucht. Auch hier zeigt sich, dass sich die Anzahl von Starkregenereignissen im Untersuchungszeitraum nicht signifikant ändert, es aber große räumliche Unterschiede gibt. Zusammenfassend betrachtet zeichnen sich einige Zusammenhänge zwischen der detektierten Muraktivität und den Niederschlagsdaten ab. Insgesamt lässt sich feststellen, dass sich die Folgen des Klimawandels nicht signifikant auf die Murdynamik im Horlachtal ausgewirkt haben. Auf Basis der Ergebnisse dieser Arbeit können auch für die kommenden Jahre keine deutlichen Veränderungen der Muraktivität erwartet werden.
Diese kumulative Dissertation befasst sich mit den Auswirkungen des Klimawandels auf Hochgebirgslandschaften, insbesondere mit der Morphodynamik und der langfristigen Entwicklung aktiver Blockgletscher im Kaunertal in den Ötztaler Alpen, Österreich. Darüber hinaus liefert die Arbeit am Beispiel des Zwieselbachferners in den Stubaier Alpen, Österreich, neue Erkenntnisse über die Entstehung von blockgletscherähnlichen periglazialen Landformen. Diese können durch das Zusammenwirken von Felsstürzen und dem fortschreitenden Abschmelzen von Gletschern unterhalb der Gleichgewichtslinie entstehen.
In dieser Arbeit werden sowohl moderne Fernerkundungstechnologien, wie luftgestütztes LiDAR und digitale Luftbilder, als auch historische Datenquellen, wie analoge Luftbilder, historische Karten und Messdaten, verwendet. Durch diese Kombination können Fließgeschwindigkeiten und Höhenänderungen dieser Landschaftselemente über mehrere Jahrzehnte dokumentiert werden. Darüber hinaus ermöglicht dies eine detaillierte Untersuchung der Kinematik von Blockgletschern. Dabei reichen die Analysen auf Einzugsgebietsebene bis ins Jahr 1953 zurück. Für das Fallbeispiel des Inneren Ölgruben Blockgletschers reichen die Untersuchungen sogar bis ins Jahr 1922 zurück.
Es wurde ein allgemeiner Trend in der Blockgletscherkinematik festgestellt, der mit der alpenweiten Beschleunigung seit den 1990er Jahren übereinstimmt. Die Analyse deutet darauf hin, dass dieser Trend hauptsächlich auf den Anstieg der Frühlings- und Sommertemperaturen und das frühere Eintreten des Endes der Schneebedeckung zurückzuführen ist. Dies unterstreicht die Relevanz des gegenwärtigen Klimawandels und seiner Auswirkungen auf die Blockgletscherbewegungen. Die Erkenntnisse, die durch die Erweiterung des Untersuchungszeitraums bis 1922 gewonnen werden konnten, bestätigen diese Annahmen und unterstreichen die Bedeutung kürzerer Warmphasen und der Gletscherüberprägung zum Ende der LIA auf die Kinematik. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Entlastung durch Gletscherschmelze und das Abschmelzen von Toteis zu einer erhöhten Wasserverfügbarkeit und zu Veränderungen des Spannungs- und Fließfeldes führen und somit erhöhte Fließbewegungen begünstigen. Die Untersuchung der multidekadischen Blockgletscherkinematik zeigte eine deutliche Variabilität in der Reaktion einzelner Blockgletscher und Blockgletscherloben. Trotz der generellen Beschleunigungstrends seit den 1990er Jahren offenbaren der Zeitpunkt, das Ausmaß und die zeitlichen Maxima der kinematischen Veränderungen eine differenzierte Sensitivität oder Reaktionsdynamik der einzelnen Blockgletscher und Blockgletscherloben gegenüber Schwankungen und Änderungen der externen Einflussfaktoren. Dies weist auf die Bedeutung interner Faktoren für die Kinematik hin und unterstreicht die Komplexität dieser Geosysteme.
Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung der Entstehung und Entwicklung einer blockgletscherähnlichen Landschaftsform, die durch einen Felssturz auf den Zwieselbachferner verursacht wurde. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Klimawandel eine entscheidende Rolle bei der Entstehung und Entwicklung solcher Landschaftsformen spielt. Seine Auswirkungen sind insbesondere im Hinblick auf die Gletscherdynamik, den Schutteintrag und die thermische Isolation des darunter liegenden Eises von großer Bedeutung. In unserem Fallbeispiel führt ein Felssturz zur Bildung einer schuttbedeckten Landform mit einem Eiskern, die aufgrund der unterschiedlichen Abschmelzraten des schuttbedeckten Teils und des umgebenden Gletschers steile Fronten und Flanken aufweist. Die Extrapolation der Eisdickenentwicklung lässt vermuten, dass dieser Teil des Gletschers nach dem vollständigen Abschmelzen des umgebenden Gletschers als periglaziale blockgletscherähnliche Landform erhalten bleibt.
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 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.
Biogeomorphology from space
(2021)
In the arid and semi-arid climate of Central Asia, the endorheic rivers and their ecosystems play a crucial role as regional hotspots of biodiversity and for the provision of ecosystem services for local people. The Naryn River in Kyrgyzstan as the object of interest of this thesis is one of these rivers. On a flow length of more than 600 km, it is still in a widely natural condition making it an interesting study object in a world where most large rivers are distorted by anthropogenic activities. Despite this relevance, no comprehensive scientific studies are available about the Naryn River except water resource related research. In particular, large scale information about the structure and functioning of the Naryn River system from an interdisciplinary perspective is missing. Against this background, this thesis aims to fill the research gap and deliver up-to-date information about the Naryn River corridor with a special focus on biogeomorphology, i.e. the dynamic interaction between hydromorphology and vegetation. First, this thesis delivers the necessary background information about the Naryn River corridor including a general overview, an assessment of ecosystem services, a field based overview of the structure of the riparian ecosystems and an in-depth analysis of hydrology. Basing upon this background, remote sensing methods adapted to the data-scarce environment of Central Asia are used to derive various parameters of the structure of the Naryn River on the scale from reaches to the entire river corridor. Then, the large scale biogeomorphological structures and dynamics are assessed based on dense time series of multispectral satellite imagery. From the results, it becomes obvious that the structure of the corridor of the Naryn River is heterogeneous and mainly controlled by geological contraints. Only in a laterally unconfined segment, dynamic braided river reaches can form. In these reaches, the majority of biogeomorphological interactions take place. The outcome of this thesis is on the one hand the provision of large scale and up-to-date information about the structure and functioning of the Naryn River corridor as a basis for further research or decision making. On the other hand, this thesis presents innovative remote sensing methods for large scale characterization of river corridors. In particular, an approach for the characterization of dynamic processes of biogeomorphological interactions on a large scale is developed based on time series analysis of satellite imagery. This approach can complement biogeomorphological research on smaller spatial scales by delivering spatially and temporally continuous information for entire river corridors. This has the potential to obtain new insights of the processes and emergence of structure in river systems across multiple scales.
As a result of the almost continuous climatic warming since the end of the Little Ice Age, a large store of unconsolidated material is available for mobilization by different sediment transport processes in the proglacial areas of the Alps. This can also be stated for the area around the Gepatsch glacier in the Upper Kauner Valley (Ötztal Alps, Tyrol). Consequences are changes in the sediment budget of the catchment of the Gepatsch reservoir.
The main goal of this thesis was the construction of a recent time sale sediment budget of this area. An important methodological property of the conducted research was the usage of study area-wide LiDAR data (TLS and ALS) of comparatively high temporal and spatial density. After several billion measurement points and data from field work, mapping and modelling efforts had been processed and evaluated, it was possible to identify and quantify the sediment transport by all relevant processes on the scale of the study area.
As this study was conducted in the framework of the PROSA project, it was possible to enrich own results with data from other working groups. This formed the basis for a regionalization of measured rates to the scale of the 62 km² large study area.
Results are presented and discussed for the processes of rock fall of various magnitudes, debris flows, avalanches, creep on talus, fluvial processes (hillslopes and main fluvial system) and rates obtained for rock glaciers and glaciers. In order to make different processes comparable, the potential energy transformed was also calculated.
The resulting sediment budget (reference time period 2012-2014) does not only show the relative importance of the mentioned processes and spatial subunits (proglacial vs. non-proglacial) in the Upper Kauner Valley. It also gives insight into the importance of high-magnitude events and the configuration of the sediment transport system with regard to its connectivity.