Glasfaserkabel hört tief in den Gletscher hinein – und entdeckt dort unzählige verborgene Spalten im Eisinneren

Ein Gletscher kann gewaltig, geschlossen und unbeweglich wirken. Doch tief im Eis bauen sich Spannungen auf, Risse entstehen, Wasser dringt ein. Solche Brüche machen das Eis instabil – und können ganze Gletschermassen schneller in Bewegung bringen.

Am Schweizer Gornergletscher haben Wissenschaftler der ETH Zürich dieses Innere nun mit einem Glasfaserkabel untersucht. Bis in etwa 25 Meter Tiefe konnten sie verfolgen, wie stark das Eis bereits geschädigt ist. Mehr als acht Prozent des untersuchten Eisvolumens bestanden aus Rissen und mit Luft oder Wasser gefüllten Spalten. Ein Teil davon war von außen nicht zu erkennen.

Für die Messung verlegte das Team im Oktober 2023 ein rund tausend Meter langes Kabel über einen stark zerklüfteten Abschnitt des Gletschers. Innerhalb von sieben Tagen registrierte das System 1.355 Eisquakes – winzige Erschütterungen, die beim Aufbrechen oder Weiterwachsen von Rissen entstehen. Veröffentlicht wurden die Ergebnisse im Fachjournal Science Advances.

Glasfaserkabel spürt verborgene Gletscherspalten auf

Das Verfahren heißt Distributed Acoustic Sensing, kurz DAS. Dabei schicken die Wissenschaftler Lichtimpulse durch die Glasfaser. Bewegungen im Eis dehnen oder stauchen das Kabel minimal und verändern das zurückgestreute Licht. Auf diese Weise lässt sich erkennen, wo seismische Wellen durch das Eis laufen. Die Messpunkte lagen entlang der Glasfaser nur etwa 1,6 Meter auseinander.

Zusätzlich installierte das Team 29 herkömmliche seismische Messstationen. Das Glasfaserkabel lieferte jedoch Informationen von mehreren hundert Stellen gleichzeitig. „Ein einziges Glasfaserkabel ersetzt hunderte von Seismometern“, sagt Studienautor Thomas Hudson von der ETH Zürich. Gerade auf schwer zugänglichen Gletschern könnte das die Messung erheblich vereinfachen.

Mehr als 1300 Eisquakes verraten, wie das Eis aufreißt

Die Forscher registrierten während der sieben Messtage 1.355 Eisquakes im Bereich des Messfelds. Rechnerisch sind das knapp 194 Ereignisse pro Tag, auch wenn sie sich nicht gleichmäßig über die Woche verteilten. Für 50 besonders gut aufgezeichnete Erschütterungen konnten die Wissenschaftler genauer rekonstruieren, wie das Eis brach.

Die meisten dieser Ereignisse gingen demnach auf Zugspannungen zurück. Kräfte zogen das Eis auseinander und öffneten neue Risse oder vergrößerten bestehende. Bei 48 genauer untersuchten Eisquakes berechnete das Team ein neu entstandenes Rissvolumen von insgesamt rund 84 Kubikmetern. Werden kleinere Ereignisse berücksichtigt, steigt der Wert auf etwa 87 Kubikmeter.

Rissiges Eis verändert den Weg der seismischen Wellen

Dieses neu geöffnete Volumen entsprach innerhalb des kurzen Messzeitraums ungefähr 0,1 Prozent des untersuchten Eisvolumens. Die Zahl beschreibt ausschließlich Risse, die während dieser Tage neu entstanden oder größer wurden. Bereits vorhandene Schäden im Eis kommen noch hinzu.

Deren Umfang schätzten die Forscher über die Ausbreitung seismischer Wellen ab. Diese laufen durch rissiges Eis nicht in jeder Richtung gleich schnell. Besonders relevant ist, ob eine Welle parallel oder quer zu einer Spalte verläuft. Aus diesen Unterschieden lassen sich Rückschlüsse auf Menge und Ausrichtung der Risse ziehen.

Risse könnten rund acht Prozent des Eisvolumens prägen

Zwei verschiedene seismologische Auswertungen kamen dabei auf eine ähnliche Größenordnung. Demnach könnten Risse und Spalten rund acht Prozent des untersuchten Eisvolumens ausmachen. Hudson reagierte auf das Ergebnis überrascht:

Das ist viel mehr, als wir erwartet haben.

Die rund acht Prozent bedeuten nicht, dass ein entsprechend großer Teil des Gletschers aus offenen Hohlräumen besteht. Der Wert wurde aus seismischen Messungen berechnet und beschreibt den Anteil des untersuchten Eises, der von Rissen und Spalten durchzogen ist.

Messungen reichen bis etwa 25 Meter tief ins Eis

Mit der Glasfaser konnten die Forscher Strukturen und Bruchvorgänge bis in etwa 25 Meter Tiefe untersuchen. Das ergänzt bisherige Beobachtungen aus der Luft. Satelliten und Drohnen liefern detaillierte Bilder der Gletscheroberfläche, erfassen verborgene Schäden darunter aber nur eingeschränkt.

Gerade solche Risse lassen eine präzisere Einschätzung über die Entwicklung eines Gletschers zu. Wasser kann in Spalten eindringen und vorhandene Brüche weiter öffnen. Risse verändern zudem die mechanischen Eigenschaften des Eises und beeinflussen seine Bewegung. Eingesetzt werden kann dieses Verfahren bei instabilen Alpengletschern sowie langfristig auf Grönland, in der Antarktis und an großen Schelfeisen.

Kurz zusammengefasst:

• Glasfaserkabel können verborgene Gletscherspalten erfassen: Am Gornergletscher registrierte das Messsystem innerhalb von sieben Tagen 1.355 Eisquakes und Brüche bis in etwa 25 Meter Tiefe.
• Die Schäden im Eis könnten größer sein als bislang erkennbar: Seismologische Berechnungen deuten darauf hin, dass Risse und Spalten rund acht Prozent des untersuchten Eisvolumens prägen.
• Die Methode ergänzt Messungen von Satelliten und Drohnen: Sie liefert Informationen aus dem Inneren des Gletschers und könnte helfen, Veränderungen instabiler Eismassen genauer zu verfolgen.

Übrigens: Während Glasfaserkabel verborgene Gletscherspalten im Gletscher aufspüren, verschwindet andernorts bereits das Eis selbst – und mit ihm ein Jahrtausende altes Klimaarchiv. An der Weißseespitze hat sich die Eisdicke innerhalb weniger Jahre fast halbiert. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Thomas Hudson / ETH Zürich