Tephra influence on glacier ablation in Iceland

Möller, Rebecca; Kukla, Peter; Schneider, Christoph

doi:10.18154/RWTH-2019-08049

Tephra influence on glacier ablation in Iceland = Tephraeinfluss auf Gletscherablation in Island

Möller, Rebecca^RWTH*

2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl.-Geol. Rebecca Möller

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (xv, 155 Seiten)

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Kukla, Peter (Thesis advisor)^RWTH* ; Schneider, Christoph (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-06-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-08049
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/766417/files/766417.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Iceland (frei) ; tephra influence (frei) ; ablation (frei) ; glacier (frei) ; volcano (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Ungefähr ein Drittel aller aktiven Vulkane weltweit weisen eine dauerhafte Schnee- oder Eisbedeckung auf oder liegen in direkter Nachbarschaft vergletscherter Gebiete. Im Falle einer explosiven Eruption eines solchen Vulkans können ausgedehnte Gletscherflächen in den Einflussbereich vulkanischen Fallouts geraten. Die so entstehenden supraglazialen Ablagerungen verändern wirkungsvoll die Energiebilanz an der Gletscheroberfläche. Die verringerte Albedo bewirkt eine erhöhte Energieaufnahme aus der Atmosphäre, wohingegen der thermische Widerstand der Ablagerungen die Weiterleitung dieser Energie an den Gletscherkörper selbst hemmt. Die entgegengesetzte Wirkung dieser beiden Effekte führt dazu, dass vulkanischer Fallout die Ablation eines Gletschers auf komplexe und räumlich variable Weise beeinflusst. Eine Region, in der diese Aspekte auch jenseits rein naturraumbezogener Überlegungen von besonderer Bedeutung sind, ist Island. Die Nähe wichtiger infrastruktureller Einrichtungen zu aktivem Vulkanismus und weitläufiger Vergletscherung sowie die Tatsache, dass mehr als zwei Drittel der Stromproduktion Islands aus hauptsächlich schmelzwassergespeisten Wasserkraftwerken stammt führen dort zu einer global einmaligen sozioökonomischen Relevanz. Die Arbeit verfolgt einen interdisziplinären Ansatz, der Methoden aus Geologie und physischer Geographie kombiniert, um Forschungsfragen bezüglich rezenter Eruptionen der isländischen Vulkane Eyjafjalljökull und Grímsvötn zu beantworten. Sie beschäftigt sich mit durch den vulkanischen Fallout hervorgerufenen Ablagerungen auf den benachbarten Eiskappen und legt besonderes Augenmerk auf Veränderungen im Albedomuster und in der Ablation. Hierzu werden in der Arbeit die einzelnen Glieder einer Modellkette vorgestellt, welche die relevanten Aspekte prozessual abbilden. In den Jahren 2013-2016 wurden auf Island glaziologische Feldarbeiten durchgeführt. Die dabei erhobenen Daten dienen als Basis für die Entwicklung eines Modells, das die Veränderung der Ablation unter dem Einfluss verschiedener Bedeckungen mit vulkanischen Materialien berechnet. Neue, fernerkundungsbasierte Ansätze werden entwickelt, die die Veränderungen der Albedo im Fallout-Bereich bestimmen. In ganz Island wurden Proben vulkanischer Materialien gesammelt und anschließend geologischen Laboranalysen unterzogen. Die Analyseergebnisse bilden die Grundlage zur Entwicklung eines Modells, das die Wärmeleitfähigkeit einer vulkanischen Ablagerungsschicht anhand von Materialeigenschaften abschätzt. Mit den entwickelten Methoden und Modellieransätzen kann für dünne Ablagerungen (mm-Bereich) vulkanischen Materials räumlich verteilt die albedobedingte Zunahme der Ablation unter einer solchen Ablagerung bestimmt werden. Außerdem ist es möglich für dickere Ablagerungen (cm- bis dm-Bereich) den thermischen Widerstand abzuschätzen und damit die isolationsbedingte Verringerung der Ablation unter einer solchen Ablagerung zu quantifizieren. Eine Kombination beider Verfahren ermöglicht es schließlich die volle Bandbreite des Einflusses vulkanischen Fallouts auf die Ablation eines Gletschers abzuschätzen. Sie bietet darüber hinaus das Potential zu einem Modellansatz weiterentwickelt zu werden, der aktuell noch bestehende Lücken in der Beurteilung vulkanischer Gefahren zu schließen vermag.

Among the active volcanoes around the world, approximately one third is covered by perennial snow or ice or is at least located close to glacierized terrain. Explosive eruptions from such volcanoes have the capability to affect extensive glacier areas with fallout of volcanic materials. The resulting supraglacial particle depositions are known to effectively alter the energy balance at the glacier surface. The decreased albedo leads to increased amounts of absorbed energy from the atmosphere, but thermal resistance of the supraglacial deposits hampers the conduction of this energy down to the glacier ice. The counteracting nature of these two effects leads to a high level of complexity and spatial variability in the influences on ablation which are exerted by volcanic fallout. A region of the world where this issue is of particular importance even beyond purely environmental concerns is Iceland. The proximity of major infrastructure installations to active volcanism and wide-spread glaciation and the fact that more than two thirds of all electricity generation on the island comes from predominantly meltwater-fed hydropower plants induces a globally unparalleled socio-economic relevance. This thesis follows an interdisciplinary approach combining methods from geology and physical geography to answer specific research questions that are related to recent eruptions of the Icelandic volcanoes Eyjafjallajökull and Grímsvötn. The influence of volcanic fallout and resulting tephra deposition from these volcanoes on neighboring ice caps is studied with respect to changes in glacier albedo pattern and glacier ablation. Individual links of a modeling chain are presented that reproduce related aspects and processes. Glaciological fieldwork was carried out on Iceland in the period 2013-2016. The data obtained serve as a basis for the development of models of ablation variability under the influence of covers of volcanic materials. New remote sensing-based approaches are developed that quantify changes of glacier albedo across the fallout area. Geological laboratory analyses on samples of volcanic materials from all over Iceland were carried out. The results form the basis for the development of models that estimate the thermal conductivity of a volcanic deposit from rock property data. With the methods and modeling approaches developed it is possible to obtain a spatially distributed quantification of the increases of glacier ablation that may occur under a thin, millimeter-scale deposit of volcanic materials in response to altered albedo. Moreover, it is possible to obtain an estimation of the range of thermal resistivity of a thick, decimeter-scale deposit from geochemical knowledge of the tephra, and thus a quantification of the decreases of ablation under such a deposit. Combining the two approaches facilitates a full estimation of the range of influences of volcanic fallout on glacier ablation. The results hold the potential to be further developed into a model approach capable of filling current gaps regarding volcanic hazard assessment.

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