E2 Eismechanik

Thema

Eis ist ein rheologisch komplexes Material: Auf kurzen Zeitskalen – den Zeitskalen, auf denen sich seismische Wellen ausbreiten oder Eis plötzlich bricht – verhält es sich wie ein elastischer Festkörper. Auf langen Zeitskalen hingegen – den Zeitskalen, auf denen ein ganzer Gletscher hangabwärts fließt – verhält es sich wie eine viskose Flüssigkeit, deren innerer Fließwiderstand nicht konstant ist. Die zentrale Beziehung, die die Verformung von Eis unter Scherung beschreibt, besagt, dass die Verformungsrate proportional zur angelegten Spannung hoch drei ist. Diese stark nichtlineare Beziehung führt dazu, dass Eis mit zunehmender Spannung deutlich schneller fließt und sich der Eisfluss in schmalen Zonen konzentriert, wo die Verformung wesentlich intensiver ist als im Rest des Gletschers.

Die Fließfähigkeit von Eis unter einer gegebenen Spannung hängt zudem stark von seiner Temperatur ab. Geringe Temperaturerhöhungen bewirken dabei überproportional große Zunahmen der Fließfähigkeit: Eis nahe seinem Schmelzpunkt ist hundert- bis tausendmal weicher als das kalte Eis der Polarregionen. Diese thermische Abhängigkeit verbindet die Mechanik des Eises mit seiner eigenen Thermodynamik. Die durch die viskose Verformung des Eises freigesetzte Wärme erwärmt das Eis, was wiederum dessen Erweichung verstärkt. Diese Erweichung führt zu einer stärkeren Verformung des Eises, wodurch noch mehr Wärme freigesetzt wird. So entsteht ein sich selbst verstärkender positiver Rückkopplungsmechanismus. In den wärmeren Basalzonen eines Gletschers konzentriert diese Rückkopplung die Verformung des Eises auf eine dünne, durch die Wärme selbst aktivierte Schicht.

Die elastischen Eigenschaften des Eises bestimmen auf kurzen Zeitskalen die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Kompressions- und Scherwellen. Genau diese Ausbreitungsgeschwindigkeit wird bei seismischen Sondierungen genutzt, um die Dicke und die innere Struktur eines Gletschers ohne Bohrungen zu bestimmen.

Wird Eis anhaltender Verformung ausgesetzt, entwickelt das polykristalline Eis eines Gletschers eine bevorzugte kristallographische Orientierung: Jedes der hexagonalen Eiskörner, aus denen dieses polykristalline Eis besteht, rotiert unter Scherung, bis die Hauptkristallachse dieses Korns senkrecht zur Ebene ausgerichtet ist, in der das Eis geschert wird. Diese bevorzugte Orientierung kann den Fließwiderstand des Eises um bis zu zehn Mal verringern und die Konzentration des Fließens in den zuvor beschriebenen Scherzonen weiter verstärken.

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