Multi-method investigation of dynamic processes in rapidly changing Alpine glaciers [cumulative dissertation]

Glacier retreat due to climate change is significant and well investigated on a regional scale. Much less is known about local effects, especially in the proglacial area. This thesis focuses on glacial changes and new methods to tackle the processes therein. The glacial changes within the catchment of the river Fagge, in the upper Kaunertal valley, are investigated by combining different direct glaciological, geodetic and geophysical methods. Alongside long-term monitoring of glacier flow velocities at adjacent glaciers, the investigation focuses on the glacier tongue of Gepatschferner. In addition to the direct measurements of the ice motion and the determination of the surface mass balance, the ice thickness and the thickness of subglacial sediments is measured with vibroseismic soundings. Changes in total area, elevation and volume are calculated from multiple high-resolution digital elevation models from airborne laser scans. These detailed glaciological investigations are part of the joint project PROSA, which focuses on the geomorphodynamics of the entire proglacial system and aims at balancing the sediment budget therein. The presented cumulative doctoral thesis consists of three publications and additional results from the glaciological part of PROSA. This includes long-term monitoring of glacier flow velocities (Paper 1), detailed investigations of the process development of a surface depression at the tongue of Gepatschferner (Paper 2), and an approach at closing the balances of ice, water and sediments on the glacier tongue (Paper 3). It turned out that the formation of circular and funnel-shaped surface depressions occurs as a consequence of increased glacier retreat rates. Additionally, the process of the depression development in turn increases the retreat rates. This exemplary development was caused by the evacuation of subglacial sediments after a heavy precipitation event and by decreasing glacier dynamics as a result of negative glacier mass balances. Beside the mass balances, the horizontal motion and especially the vertical motion of the glacier provide valuable information on the glacier state, such as measured in the long-term program on Kesselwandferner. The magnitudes of the mass exchanges showed the influence of extreme events, which exceed mean daily and even annual turnovers, as well as the role of the melt water production at the glacier tongue of Gepatschferner and its severe effect on the glacial runoff regime of the river Fagge.Die Gletscherschmelze in Folge des Klimawandels ist signifikant und auf regionaler Ebene gut untersucht. Weniger untersucht sind dabei lokale Effekte im Speziellen im proglazialen Bereich. Diese Arbeit beschäftigt sich mit den glazialen Änderungen und neuen Methoden zur Untersuchung der Prozesse. Mit einer Zusammenschau verschiedener direkt glaziologischer, geodätischer und geophysikalischer Methoden werden die glazialen Änderungen im Einzugsgebiet der Fagge im oberen Kaunertal untersucht. Neben dem Langzeitmonitoring von Gletscherfließgeschwindigkeiten benachbarter Gletscher, liegt der Fokus der Untersuchungen im Speziellen auf der Zunge des Gepatschferners. Zusätzlich zur direkten Messung der Eisbewegung sowie der Erfassung der Oberflächenbilanz der Zunge werden mit Hilfe der Vibroseismik sowohl die Eisdicken als auch die Dicke subglazialer Sedimente untersucht. Die Berechnung von Flächen-, Höhen- und Volumsänderungen der Gletscher erfolgt auf Basis multipler hochaufgelöster digitaler Höhenmodelle aus Airborne Laser Scans. Diese detaillierten glaziologischen Untersuchungen sind Teil des Projektbündels PROSA welches sich mit der Geomorphodynamic des gesamten proglazialen Systems befasst und auf die Bilanzierung des Sedimenthaushalts abzielt. Die hier vorliegende kumulative Doktorarbeit setzt sich aus drei Veröffentlichungen sowie zusätzlichen Ergebnissen aus dem glaziologischen Teil aus PROSA zusammen. Der Rahmen reicht dabei vom Langzeitmonitoring der Gletscherfließgeschwindigkeiten (Artikel 1) über die Detailuntersuchung des Prozessablaufs der Trichterbildung auf der Zunge des Gepatschferners (Artikel 2) bis zum Ansatz des Schließens der Bilanzen von Eis, Wasser und Sedimenten am Beispiel der Gletscherzunge (Artikel 3). Es zeigte sich, dass die Bildung von kreis- und trichterförmiger Senken als Folge verstärkter Schmelzraten zu sehen sind. Zusätzlich wird die Rückverlagerung der Gletscherzunge durch den Prozessablauf der Trichterbildung verstärkt. Ursache für diese beispielhafte Entwicklung war neben einem Starkniederschlagsereignis, welches zum Ausspülen subglazialer Sedimente führte, die abnehmende Eisdynamik aufgrund negativer Gletschermassenbilanzen. Neben dem Massenhaushalt, liefern die Horizontalbewegung und vor allem die Vertikalbewegung des Gletschers, wie sie etwa im Langzeitmessprogramm am Kesselwandferner erfasst werden, wertvolle Information über den Gletscherzustand. Bei den Größenordnungen der Massenumsätze zeigte sich einerseits der Einfluss von Extremereignissen welche mittlere tägliche und sogar jährliche Umsätze übersteigen, auf der anderen Seite aber auch den maßgeblichen Anteil der Schmelzwasserproduktion der Gletscherzunge des Gepatschferners und somit den großen Einfluss auf das glaziale Abflussregime der Fagge