Solange eine Blockschicht nicht durch eine geschlossene Schneedecke abgedeckt wird, unterscheidet sich das Mikroklima in grobblockigem Substrat fundamental von dem in Feinsubstrat, da nicht-konduktive Wärmetransfermechanismen zumindest phasenweise über die Wärmeleitung dominieren. In Abhängigkeit von den beteiligten Wärmetransfermechanismen erhöht sich während diesen Perioden der Energieumsatz im Vertikalprofil. Ihr Einfluss auf die Stabilität der thermischen Schichtung im Hohlraumsystem entscheidet darüber, welche Bereiche der Blockschicht dem erhöhten Energieumsatz unterliegen.
Freie Konvektion setzt immer dann ein, wenn die Temperatur an der Blockschichtoberfläche die aktuell im Hohlraumsystem der Blockschicht herrschenden Temperaturen unterschreitet und dadurch eine Labilisierung in der thermischen Schichtung der Hohlraumluft bewirkt. Sie tritt somit überwiegend während der kalten Jahreszeit auf. Durch die Labilisierung der thermischen Schichtung erfasst der turbulente Austausch mit der bodennahen Atmosphäre tendenziell die gesamte Blockschicht, woraus eine annähernde Isothermie im Vertikalprofil resultiert.
Der sommerliche Energieaustausch zwischen Blockschicht und bodennaher Atmosphäre wird ebenfalls durch die nicht-konduktiven Prozesse der Wärmestrahlung und der erzwungenen Konvektion verstärkt. Das Ausmaß der Verstärkung ist eng an den Tagesgang des Strahlungsenergieumsatzes an der Blockfeldoberfläche gebunden. Da die Erwärmung der Blockschichtoberfläche die thermische Schichtung in der Hohlraumluft stabilisiert, bleibt der turbulente Austausch mit der ebenfalls erwärmten bodennahen Atmosphäre tendenziell auf die großen oberflächennahen Hohlräume beschränkt. Bei ausreichender Mächtigkeit der Blockschicht bildet sich im Vertikalprofil ein Temperaturgradient aus, der effektiv der Temperaturverteilung in feinkörnigen Substrattypen ähnelt.
Die spezifischen Eigenschaften der Fluidphase führen im Ergebnis dazu, dass die effektive Wärmeleitfähigkeit des Zwei-Phasen-Systems Blockschicht im Fall der Abkühlung von der Oberfläche größer ist als im Fall der Erwärmung. Die thermische Kopplung insbesondere der Blockschichtbasis mit der bodennahen Atmosphäre ist dadurch im Herbst und z.T. noch im Winter wesentlich direkter als im Sommer, was zu einer überdurchschnittlichen Auskühlung der Blockschicht führt. Die charakteristischen Abweichungen vom konduktiv dominierten Bodenwärmefluss rechtfertigen es, grobblockiges Substrat als mikroklimatisch eigenständige Deckschicht anzusprechen.
Die Temperaturreduktion im Vergleich zu anderen Substrattypen ist dabei umso größer, je günstiger das Verhältnis von mittlerer Schneedeckenmächtigkeit zu durchschnittlichen Hohlraumdurchmessern an der Oberfläche der Blockschicht ist. Ihr Betrag unterliegt daher großen räumlichen und interannuellen Schwankungen. Aus dem für die Referenzperiode dokumentierten Witterungsverlauf resultierte im Ritigraben-Blockfeld ein mittlerer Reduktionsbetrag von 3,5°C.
Die Untersuchungen in den Arbeitsgebieten Grächen-Seetalhorn und Zermatt-Gornergrat ergaben Hinweise auf die Anwesenheit von Permafrost nahezu ausschließlich im räumlichen Zusammenhang mit grobblockigen Oberflächen. Der ermittelte Effekt wurde dementsprechend in eine empirisch-statistische Modellierung der lokalen Permafrostverbreitung integriert. Die dabei erzielten Resultate geben erstmals die aus den Messdaten abgeleitete Kleinräumigkeit in der diskontinuierlichen Permafrostverbreitung annähernd wieder."> The microclimate within coarse debris differs substantially from that in soil substrate, as long as the block layer is not completely covered by snow, because non-conductive heat transfer mechanisms dominate over heat conduction at least temporarily. The heat exchange in the profile increases during such periods dependent on the participating heat transfer mechanisms. Their influence on the stability of the thermal layering decides on the portions of the block layer, which are affected from the increased energy exchange.
Free convection starts, as soon as the thermal layering in the fluid phase becomes unstable. This is the case, when the temperature at the block layer surface falls below the temperatures currently prevailing in the void system. Free convection therefore predominantly occurs during cold seasons. The turbulent exchange with the near ground atmosphere during such phases tends to include the whole block layer, resulting in approximately isothermal conditions within the vertical profile.
During summer, the energy exchange between block layer and atmosphere is intensified as well through radiation and forced convection. The degree of this intensification is closely bound to the daily course of the radiation exchange at the block layer surface. The turbulent exchange with the heated near ground atmosphere tends to be limited to the big voids close to the surface, as the warming at the block layer surface stabilises the thermal layering. The resulting vertical temperature gradient is similar to the temperature distribution in finer grained substrates.
The effective thermal conductivity of the block layer as a two-phase-system is greater in cases of surface cooling than in cases of surface warming, based on the specific properties of the fluid phase. The thermal coupling of the block layer base with the near ground atmosphere therefore is considerably straighter during autumn and, in parts, winter compared to summer conditions. This leads to an above-average cooling of the block layer. These characterisic differences in comparison to the ground heat flux dominated by conduction justify the exclusion of layers consisting of coarse debris as microclimatologically discrete cover layers.
The amount of temperature reduction compared to other substrate types depends on the ratio of mean snow depths to average void diameters at the block cover surface. This amount therefore is subject to big spatial variations and interannual fluctuations. The weather conditions documented for the reference period lead to a mean temperature reduction of 3.5°C at Ritigraben block field.
In both study areas Grächen-Seetalhorn and Zermatt-Gornergrat indications on the existence of permafrost could be found almost exclusively in close spatial interrelation with coarse blocky surfaces. The investigated effects were incorporated into an empirical-statistical model of local permafrost distribution. The model output for the first time roughly reproduces the small scale variability of the local discontinuous permafrost distribution derived from ground temperature recordings.">
 

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Das Mikroklima grobblockiger Schutthalden der alpinen Periglazialstufe und seine Auswirkungen auf Energieaustauschprozesse zwischen Atmosphäre und Lithosphäre

The microclimate of coarse debris covers in the periglacial belt of high mountains and its effects on the energy exchange between atmosphere and lithosphere

Herz, Thomas


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Freie Schlagwörter (Deutsch): Mikroklima , grobblockige Schutthalde , Periglazialstufe , Gebirgspermafrost
Freie Schlagwörter (Englisch): microclimate , coarse debris , mountain permafrost
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Geographie
Fachgebiet: Geographie
DDC-Sachgruppe: Geografie, Reisen
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 01.11.2006
Erstellungsjahr: 2006
Publikationsdatum: 24.11.2006
Kurzfassung auf Deutsch: Die Ergebnisse der Arbeit unterstreichen die besondere Bedeutung lokaler Standortfaktoren auf die diskontinuierliche Permafrostverbreitung. Dem für die Periglazialstufe von Hochgebirgen charakteristischen Oberflächentyp "grobblockiger Schutt" kommt in diesem Zusammenhang eine Schlüsselrolle zu.
Solange eine Blockschicht nicht durch eine geschlossene Schneedecke abgedeckt wird, unterscheidet sich das Mikroklima in grobblockigem Substrat fundamental von dem in Feinsubstrat, da nicht-konduktive Wärmetransfermechanismen zumindest phasenweise über die Wärmeleitung dominieren. In Abhängigkeit von den beteiligten Wärmetransfermechanismen erhöht sich während diesen Perioden der Energieumsatz im Vertikalprofil. Ihr Einfluss auf die Stabilität der thermischen Schichtung im Hohlraumsystem entscheidet darüber, welche Bereiche der Blockschicht dem erhöhten Energieumsatz unterliegen.
Freie Konvektion setzt immer dann ein, wenn die Temperatur an der Blockschichtoberfläche die aktuell im Hohlraumsystem der Blockschicht herrschenden Temperaturen unterschreitet und dadurch eine Labilisierung in der thermischen Schichtung der Hohlraumluft bewirkt. Sie tritt somit überwiegend während der kalten Jahreszeit auf. Durch die Labilisierung der thermischen Schichtung erfasst der turbulente Austausch mit der bodennahen Atmosphäre tendenziell die gesamte Blockschicht, woraus eine annähernde Isothermie im Vertikalprofil resultiert.
Der sommerliche Energieaustausch zwischen Blockschicht und bodennaher Atmosphäre wird ebenfalls durch die nicht-konduktiven Prozesse der Wärmestrahlung und der erzwungenen Konvektion verstärkt. Das Ausmaß der Verstärkung ist eng an den Tagesgang des Strahlungsenergieumsatzes an der Blockfeldoberfläche gebunden. Da die Erwärmung der Blockschichtoberfläche die thermische Schichtung in der Hohlraumluft stabilisiert, bleibt der turbulente Austausch mit der ebenfalls erwärmten bodennahen Atmosphäre tendenziell auf die großen oberflächennahen Hohlräume beschränkt. Bei ausreichender Mächtigkeit der Blockschicht bildet sich im Vertikalprofil ein Temperaturgradient aus, der effektiv der Temperaturverteilung in feinkörnigen Substrattypen ähnelt.
Die spezifischen Eigenschaften der Fluidphase führen im Ergebnis dazu, dass die effektive Wärmeleitfähigkeit des Zwei-Phasen-Systems Blockschicht im Fall der Abkühlung von der Oberfläche größer ist als im Fall der Erwärmung. Die thermische Kopplung insbesondere der Blockschichtbasis mit der bodennahen Atmosphäre ist dadurch im Herbst und z.T. noch im Winter wesentlich direkter als im Sommer, was zu einer überdurchschnittlichen Auskühlung der Blockschicht führt. Die charakteristischen Abweichungen vom konduktiv dominierten Bodenwärmefluss rechtfertigen es, grobblockiges Substrat als mikroklimatisch eigenständige Deckschicht anzusprechen.
Die Temperaturreduktion im Vergleich zu anderen Substrattypen ist dabei umso größer, je günstiger das Verhältnis von mittlerer Schneedeckenmächtigkeit zu durchschnittlichen Hohlraumdurchmessern an der Oberfläche der Blockschicht ist. Ihr Betrag unterliegt daher großen räumlichen und interannuellen Schwankungen. Aus dem für die Referenzperiode dokumentierten Witterungsverlauf resultierte im Ritigraben-Blockfeld ein mittlerer Reduktionsbetrag von 3,5°C.
Die Untersuchungen in den Arbeitsgebieten Grächen-Seetalhorn und Zermatt-Gornergrat ergaben Hinweise auf die Anwesenheit von Permafrost nahezu ausschließlich im räumlichen Zusammenhang mit grobblockigen Oberflächen. Der ermittelte Effekt wurde dementsprechend in eine empirisch-statistische Modellierung der lokalen Permafrostverbreitung integriert. Die dabei erzielten Resultate geben erstmals die aus den Messdaten abgeleitete Kleinräumigkeit in der diskontinuierlichen Permafrostverbreitung annähernd wieder.
Kurzfassung auf Englisch: The results of the present study underscore the outstanding importance of site specific factors for the distribution of discontinuous permafrost. The surface type "coarse blocky debris" typical for the periglacial belt of high mountain environments plays a key role within this context.
The microclimate within coarse debris differs substantially from that in soil substrate, as long as the block layer is not completely covered by snow, because non-conductive heat transfer mechanisms dominate over heat conduction at least temporarily. The heat exchange in the profile increases during such periods dependent on the participating heat transfer mechanisms. Their influence on the stability of the thermal layering decides on the portions of the block layer, which are affected from the increased energy exchange.
Free convection starts, as soon as the thermal layering in the fluid phase becomes unstable. This is the case, when the temperature at the block layer surface falls below the temperatures currently prevailing in the void system. Free convection therefore predominantly occurs during cold seasons. The turbulent exchange with the near ground atmosphere during such phases tends to include the whole block layer, resulting in approximately isothermal conditions within the vertical profile.
During summer, the energy exchange between block layer and atmosphere is intensified as well through radiation and forced convection. The degree of this intensification is closely bound to the daily course of the radiation exchange at the block layer surface. The turbulent exchange with the heated near ground atmosphere tends to be limited to the big voids close to the surface, as the warming at the block layer surface stabilises the thermal layering. The resulting vertical temperature gradient is similar to the temperature distribution in finer grained substrates.
The effective thermal conductivity of the block layer as a two-phase-system is greater in cases of surface cooling than in cases of surface warming, based on the specific properties of the fluid phase. The thermal coupling of the block layer base with the near ground atmosphere therefore is considerably straighter during autumn and, in parts, winter compared to summer conditions. This leads to an above-average cooling of the block layer. These characterisic differences in comparison to the ground heat flux dominated by conduction justify the exclusion of layers consisting of coarse debris as microclimatologically discrete cover layers.
The amount of temperature reduction compared to other substrate types depends on the ratio of mean snow depths to average void diameters at the block cover surface. This amount therefore is subject to big spatial variations and interannual fluctuations. The weather conditions documented for the reference period lead to a mean temperature reduction of 3.5°C at Ritigraben block field.
In both study areas Grächen-Seetalhorn and Zermatt-Gornergrat indications on the existence of permafrost could be found almost exclusively in close spatial interrelation with coarse blocky surfaces. The investigated effects were incorporated into an empirical-statistical model of local permafrost distribution. The model output for the first time roughly reproduces the small scale variability of the local discontinuous permafrost distribution derived from ground temperature recordings.