Tektonik und die Wirkung von Klimazyklen auf Gebirge

Das Projekt Tektonik und die Wirkung von Klimazyklen auf Gebirge (conneCt) untersucht, inwiefern die tektonische Hebung kontrolliert, in welcher Form sich zyklische Klimaveränderungen auf die Formung von Hochgebirgen auswirken. Die Finanzierung über ein Schrödinger Stipendium des Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) ermöglicht es, Analysen an der Universität Lausanne durchzuführen und die dort vorhandene Expertise und Infrastruktur für thermochronometrische Datierung und Landschaftsevolutionsmodellierung zu nutzen. Die letzten zwei Millionen Jahre der Erdgeschichte waren durch alternierende Kalt- und Warmphasen geprägt. Diese Klimavariationen wirkten sich auf die Prozesse aus, welche die Erdoberfläche erodieren, und führten zu einem zyklischen Wechsel zwischen fluvialen und glazialen Prozessen. Angetrieben werden abtragende Prozesse generell durch die Tektonik, welche die Erdoberfläche hebt und somit Höhengradienten erzeugt, entlang derer Gravitation wirken kann. Unterschiedliche Prozesse führen dabei zu unterschiedlichen Erosionsmustern und ändern dadurch die Form der Landschaft, welche sich wiederum über Variablen wie Höhenverteilung und Hangneigung auf die formgebenden Prozesse auswirkt. Während Änderungen in Prozessdominanz und Erosionsrate oft Klimavariationen zugeschrieben werden, bleiben die Rückkopplungen mit der Tektonik ungeklärt. Dieses Projekt trägt dazu bei, diese Wissenslücke zu schließen, indem relevante Mechanismen und Rückkopplungen, die zwischen der Tektonik und sich zyklisch ändernden erosiven Prozessregimes auftreten, auf Basis von drei Haupthypothesen untersucht werden: Ein durch Klimaveränderungen hervorgerufenes Ungleichgewicht zwischen der Form der Landschaft und den dominierenden Erosionsprozessen führt zu einer intensiven Veränderung der Landschaftsform und zu einhergehender Sedimentverlagerung. Die Tektonik bestimmt den Zeitraum, der notwendig ist, um das Talrelief zu erneuern, und daher auch die Zeit, die eine Landschaft braucht, um ein Gleichgewicht mit veränderten klimatischen Bedingungen herzustellen. Die Tektonik kontrolliert die Klimazyklen-übergreifende Reliefproduktion in Hochgebirgen mit hoher Hebungsrate. Die Hypothesen werden mit neuesten Landschaftsevolutionsmodellen, quantitativen Analysen der Landschaftsform und Daten zur räumlichen Variation von Prozessraten - gewonnen aus neuen thermochronometrischen Datierungsmethoden - getestet. Die numerische Modellierung profitiert insbesondere von einem Rechencluster aus Graphikkarten (GPUs) an der Universität Lausanne in Verbindung mit einem neuen GPU-basierten Fluidmodell, welches es ermöglicht, das Fließen von Eis effizient zu modellieren. Die Südalpen von Neuseeland werden im Projekt als ideales natürliches Labor genutzt. Die Gebirgskette ist aufgrund der gut dokumentierten, großen Bandbreite an Klimabedingungen und tektonisch kontrollierten Hebungsraten ideal für die Analyse und Modellierung von Oberflächenprozessraten. Das Projekt leistet einen maßgeblichen Beitrag zum besseren Verständnis der Geomorphologie und der Geodynamik durch (a) die Untersuchung und Entflechtung von bisher kaum beachteten Rückkopplungen in der Landschaftsentwicklung, welche die heutige Form der Hochgebirge der Erde wesentlich beeinflusst haben, und (b) die Entwicklung und Anwendung einer Methodik, die eine Alternative zu der hitzig debattierten Ableitung von Erosionsraten aus Sediment- und Thermochronometriedaten darstellt.

Das Projekt "Tektonik und die Wirkung von Klimazyklen auf Gebirge" (conneCt) untersucht den Einfluss der tektonischen Hebung auf die Form und die Höhe von Gebirgen in unterschiedlichen Klimaten. Hierzu wurden im Rahmen des Projektes neue theoretische Computermodelle entwickelt. Die wichtigsten Erkenntnisse aus der Anwendung dieser Modelle sind: 1) Die Höhe von vergletscherten Gebirgen wird durch klimatische UND tektonische Einflüsse bestimmt. Die Relevanz von Klima und Tektonik für Gebirgshöhe und -form war bisher für durch Flusserosion dominierte Gebirge nachgewiesen, während in vergletscherten Gebirgen einzig der Einfluss des Klimas als relevant angesehen wurde. Diese Erkenntnis trägt daher substanziell zum Verständnis der Evolution von Gebirgen, speziell in kalten Klimaten, bei. Außerdem folgt daraus, dass die tektonische Aktivität eines Gebirges den Einfluss von alternierenden Kalt- und Warmzeiten auf Erosion und Gebirgshöhe- und Form mitbestimmt. 2) Gletscher erodieren effizienter als Flüsse. Höhe und Form von Gebirgen werden durch das Gleichgewicht zwischen aufbauenden Prozessen (tektonische Hebung) und abbauenden Prozessen (Erosion an der Erdoberfläche) bestimmt. Die neu entwickelten Computermodelle ermöglichen es, Erosionsprozesse von Gletschern und Flüssen unter einheitlichen tektonischen und klimatischen Bedingungen zu vergleichen. Die Simulationen zeigen, dass von Gletschern erodierte Gebirge systematisch niedriger sind, als von Flüssen erodierte Gebirge unter den gleichen Umweltbedingungen. Diese Erkenntnis trägt dazu bei, Klimaänderungen über lange Zeiträume besser zu verstehen. Seit mehreren Jahrzehnten wird ein möglicher Rückkopplungseffekt zwischen Klima und Erosion diskutiert: erhöhte Erosion und Verwitterung in einem kühleren Klima könnte zu einer erhöhten Bindung von CO2 aus der Atmosphäre und dadurch zu einer weiteren Abkühlung des Klimas führen. Entscheidend ist in diesem Szenario, ob fallende Temperaturen (und die Ausbreitung von Gletschern) tatsächlich zu erhöhter Erosion führen. Unsere Simulationen sagen: ja.