Neues Modell zur Simulation von Eisberg-Tsunamis

Johan Gaume, EPFL-Experte für Lawinen und Geomechanik, konzentriert sich ganz auf Eis. Sein Ziel ist es, den Zusammenhang zwischen der Grösse eines Eisbergs und der Amplitude des Tsunamis, der durch dessen Kalben entsteht, besser zu verstehen. Zusammen mit einem Forschungsteam aus anderen Forschungsinstituten hat Gaume nun eine neue Methode zur Modellierung dieser Ereignisse vorgestellt. Die Arbeit erscheint in Communications Earth & Environment, einer neuen Zeitschrift von Nature Research.

Die Wissenschaftlerinnen sind die ersten, die sowohl das Phänomen des Gletscherbruchs als auch die Wellenbildung beim Sturz des Eisbergs ins Wasser simulieren: «Unser Ziel war es, die explizite Wechselwirkung zwischen Wasser und Eis zu modellieren – aber das ist mit erheblichen Kosten in Form von Rechenzeit verbunden. Deshalb haben wir uns für ein Kontinuumsmodell entschieden, das numerisch sehr leistungsfähig ist und Ergebnisse liefert, die sowohl schlüssig sind als auch mit einem Grossteil der experimentellen Daten übereinstimmen», sagt Gaume, der das Snow Avalanche Simulation Laboratory (SLAB) der EPFL leitet und korrespondierender Autor der Studie ist. Die anderen an der Studie beteiligten Institute sind die University of Pennsylvania, die Universität Zürich, die University of Nottingham und die Eidgenössische Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL.

Diese Forschungsmethode kann auch Einblicke in die spezifischen Mechanismen geben, die beim Gletscherbruch beteiligt sind: «Forschende können die Ergebnisse unserer Simulationen nutzen, um die Kalbungsgesetze zu verfeinern, die in ihre grossmassstäblichen Modelle zur Vorhersage des Meeresspiegelanstiegs einfliessen, und gleichzeitig detaillierte Informationen über die Grösse der Eisberge liefern, die einen beträchtlichen Massenverlust darstellen», sagt Gaume.

Kalben tritt auf, wenn Eisbrocken am Rande eines Gletschers abbrechen und ins Meer stürzen. Die Mechanismen hinter dem Bruch hängen im Allgemeinen davon ab, wie hoch der Wasserstand ist. Wenn der Wasserstand niedrig ist, bricht der Eisberg von der Spitze des Gletschers ab. Ist der Wasserstand hoch, ist der Eisberg länger und bricht von unten ab, bevor er schliesslich aufgrund des Auftriebs an die Oberfläche treibt. Durch diese unterschiedlichen Mechanismen entstehen unterschiedlich grosse Eisberge – und damit Wellen mit unterschiedlichen Amplituden. «Ein weiteres Ereignis, das einen Tsunami auslösen kann, ist, wenn sich der Schwerpunkt eines Eisbergs verändert und der Eisberg dadurch selbst rotiert», sagt Gaume, «all diese Prozesse konnten wir simulieren.»

In Grönland platzierten die Forschenden eine Reihe von Sensoren am Eqip Sermia, einem 3 km breiten Auslassgletscher des grönländischen Inlandeises, der in einem Fjord mit einer 200 m hohen Eisklippe endet. Im Jahr 2014 brach ein Eisberg mit einem Volumen von etwa 1 Mio. m3 (das entspricht 300 Schwimmbecken in Olympia-Grösse) an der Vorderseite des Gletschers ab und löste einen 50 m hohen Tsunami aus; die Welle war noch 3 m hoch, als sie die erste bewohnte Küstenlinie in etwa 4 km Entfernung erreichte. Die Wissenschaftlerinnen testeten ihre Modellierungsmethode an grossflächigen Felddatensätzen von Eqip Sermia sowie mit empirischen Daten zu Tsunamiwellen, die in einem Laborbecken am Deltares-Institut in den Niederlanden gewonnen wurden.

Projekte in der Pipeline

Das Schmelzen von Gletschern ist heute aufgrund der globalen Erwärmung zu einem wichtigen Forschungsschwerpunkt geworden. Einer der an der Studie beteiligten Wissenschaftler der Universität Zürich hat in diesem Jahr mit Unterstützung des Schweizerischen Nationalfonds ein neues Forschungsprojekt gestartet. In diesem Projekt wird die Dynamik des sich am schnellsten bewegenden Gletschers in Grönland, Jakobshavn Isbrae, untersucht, indem Daten aus einzelnen Feldexperimenten in Grönland mit den Ergebnissen von Simulationen mit dem SLAB-Modell kombiniert werden: «Mit unserer Methode werden wir auch Ketten von komplexen Prozessen modellieren, die durch gravitative Massenbewegungen ausgelöst werden, wie zum Beispiel die Wechselwirkung zwischen einer Felslawine und einem Bergsee», sagt Gaume.