«Eisnadeln» verantwortlich für Frostmusterböden | Polarjournal
Steinkreise in der Palanderbukta auf Spitzbergen, die sich durch viele Gefrier- und Tauprozesse gebildet haben. Foto: Julia Hager

In polaren Landschaften, aber auch in anderen Gebieten mit intensiver Frosteinwirkung, entstehen häufig mehr oder weniger regelmäßige Muster in Böden. Dabei wird durch sich wiederholende Gefrier- und Tauprozesse das oberflächliche Sediment so verschoben, dass sich faszinierende Formen ergeben. Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat nun die Erklärung dafür gefunden, auf welche Weise die Neuordnung der Erdoberfläche in kalten Regionen erfolgt.

Das Forschungsteam, bestehend aus Wissenschaftlern aus China, Japan, den Niederlanden und den USA, führte eine Reihe von Experimenten durch, um dem Phänomen der Frostmusterböden auf die Spur zu kommen. In ihrer Studie, die Anfang Oktober in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde, konnten sie zeigen, wie Eisnadeln, die wahllos auf dem gefrorenen Boden wachsen, nach und nach kleine Steine in regelmäßige, sich wiederholende Muster bringen können. Die Forscher nutzten dabei eine Kombination aus neuartigen Experimenten und Computermodellen, um diese auffälligen Merkmale mit neuen theoretischen Erkenntnissen zu beschreiben.

Sortierter gemusterter Boden auf der Erde und auf dem Mars. (A) Aufnahme von Felsblöcken südöstlich des riesigen Hellas-Einschlagbeckens auf dem Mars. Foto: NASA/JPL/UArizona; (B) Steinlabyrinth auf Svalbard. Foto: Bernard Hallet; (C) Polygone in den Schweizer Alpen. Foto: Norikazu Matsuoka; (D) Steinkreise auf Svalbard. Foto: Bernard Hallet; (E) Steinstreifen auf Hawaii. Foto: Bernard Hallet; Abbildung aus: Li et al. 2021

«Das Vorhandensein dieser erstaunlichen Muster, die sich ohne jegliches menschliches Zutun entwickeln, ist in der Natur ziemlich auffällig», sagt Co-Autor Bernard Hallet, ein emeritierter Professor für Erd- und Weltraumwissenschaften der University of Washington und Mitglied des Quaternary Research Center. «Es ist wie ein japanischer Garten, aber wo ist der Gärtner?»

Hallet ist auf die Untersuchung von Mustern spezialisiert, die sich in Polarregionen, Hochgebirgen und anderen kalten Umgebungen bilden. Einer der Gründe für diese Muster ist das Nadeleis. Wenn die Temperatur sinkt, wächst die im Boden enthaltene Feuchtigkeit zu Spitzen von Eiskristallen heran, die aus dem Boden herausragen. «Wenn man nach einer frostigen Nacht in den Garten geht und ein kleines Knirschen unter den Füßen spürt, läuft man wahrscheinlich auf Nadeleis», so Hallet.

Wenn sich Nadeleis bildet, drückt es Bodenpartikel und, falls vorhanden, kleine Steine nach oben. Auf nacktem Boden kann sich mehr Nadeleis bilden als auf steinbedeckten Flächen, so Hallet. Die Eisnadeln verdrängen die verbleibenden Steine in der kahlen Region leicht. Im Laufe der Jahre beginnen sich die Steine zu Gruppen zusammenzuschließen, so dass die kahlen Stellen im Wesentlichen steinfrei bleiben. «Diese Art von selektivem Wachstum beinhaltet interessante Rückkopplungen zwischen der Größe der Steine, der Feuchtigkeit im Boden und dem Wachstum der Eisnadeln», erklärt Hallet.

Senior-Autor Quan-Xing Liu von der East China Normal University nutzt Feldforschung und Laborexperimente, um selbstorganisierte Muster in der Natur zu verstehen. Für diese Studie wurde ein flaches Quadrat aus feuchtem Boden mit einer Seitenlänge von etwas mehr als 0,4 Metern verwendet, das mit gleichmäßig auf der Oberfläche verteilten Steinen begann. Die Forscher führten das Experiment über 30 Frost-Tau-Zyklen durch. Am Ende dieser Zeitspanne begannen sich regelmäßige Muster zu bilden.

Videos über die Entwicklung eines Steinmusters durch Nadeleiswachstum und -zerfall bei 30 Prozent (links) und 60 Prozent Steinbedeckung (rechts) auf ebenem Boden in der Draufsicht. Video: Li et al. 2021

«Die Videos sind sehr beeindruckend und zeigen, dass das Eis in einem einzigen Zyklus die Steine nach oben drückt und sie leicht zur Seite schiebt», so Hallet. «Dank dieser Experimente und der Fähigkeit der beteiligten Personen, diese Ergebnisse zu analysieren, haben wir viel greifbarere, quantitative Beschreibungen dieser Merkmale.»

Video der Steinhebung und des Steintransports durch Nadeleiswachstum und -zerfall bei dreifacher Steinabdeckung auf ebenem Boden während des ersten Frost-Tau-Zyklus in der Seitenansicht. Video: Li et al. 2021

In weiteren Experimenten wurde untersucht, wie sich das Muster in Abhängigkeit von der Steinkonzentration, dem Gefälle des Bodens und der Höhe der Eisnadeln, die ebenfalls von der Steinkonzentration beeinflusst wird, verändert. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse schrieben die Autoren ein Computermodell, das vorhersagt, welche Muster in Abhängigkeit von der Steinkonzentration auf der frostgefährdeten Fläche auftreten werden.

Julia Hager, PolarJournal / Originaltext: Hannah Hickey, University of Washington

Link zur Studie: Anyuan Li, Norikazu Matsuoka, Fujun Niu, Jing Chen, Zhenpeng Ge, Wensi Hu, Desheng Li, Bernard Hallet, Johan van de Koppel, Nigel Goldenfeld, Quan-Xing Liu. Ice needles weave patterns of stones in freezing landscapes. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021; 118 (40): e2110670118 DOI: 10.1073/pnas.2110670118

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