Wissen – Polargebiete und Trockenwüsten

Wüsten – Landschaften der Extreme
Prof. Dr. Wolf Dieter Blümel

Bereits im 19. Jahrhundert haben Forschungsreisende auf faszinierende äußerliche Übereinstimmungen im Landschaftsbild von Hitze- und Kältewüsten aufmerksam gemacht. Solche Parallelen zeigen sich besonders in der Verwitterung des Gesteinsverbandes, in charakteristischen Geländeformen wie Fels- oder Schuttwüsten oder in polygonalen Oberflächenmustern. Dahinter stehen ursächlich jedoch völlig unterschiedliche physikalische Vorgänge. Neben diesen Konvergenzerscheinungen gibt es aber auch landschaftliche Gegensätze, die im zweiten Teil dieses Kapitels beschrieben werden.

HEISSE WÜSTEN – KALTE WÜSTEN

Saharische Nomaden nennen sie Hamada (»Die Unfruchtbare«) – die abweisende, eintönige, nur mühsam passierbare Wüste aus Gesteinstrümmern und Fels. Steinpflaster oder Streu aus gröberem Schutt und Blockwerk, freigeweht von Sand und Staubpartikeln, bestimmen ihr Erscheinungsbild. Die Stein- und Felswüste ist in ihren vielfältigen Variationen der am weitesten verbreitete Landschaftstyp der Trockenwüsten, hervorgegangen aus einer langen, klimatisch wechselvollen Abtragungsgeschichte der unterlagernden Gesteine. Seine Entsprechung findet er mit oft frappierender Ähnlichkeit in Kältewüsten der Arktis, Antarktis oder in wüstenhaften Hochgebirgsregionen. Der geomorphologische Begriff »Frostschuttzone« kennzeichnet treffend den hier prägenden Entstehungsprozess – die Zertrümmerung des Festgesteins durch die Frostsprengung – eine wiederholte Wechselfolge von Gefrieren und Auftauen.

Zwei physikalische Wirkungen bestimmen in den heißen wie kalten Wüsten maßgeblich den Kreislauf der Stoffe: Es sind regelmäßig oder unstet auftretende Druck- und Volumenschwankungen, die sowohl zur Zerstörung von Gesteinen und Mineralverbänden als auch zur dynamischen Strukturierung von Oberflächen durch Polygonmuster führen. Dies sind einerseits die Trockenriss-Strukturen in Salztonebenen oder Endpfannen der heißen Wüsten, in Kältewüsten dagegen Eiskeilnetze und sortierte Steinpolygone.

In Wüsten hat die Verwitterung als Grundlage von Oberflächenprozessen ein vergleichsweise leichtes Spiel, da der Gesteinsuntergrund mangels Schutz durch eine Vegetationsdecke unmittelbar den zerstörerischen Angriffen aus der Atmosphäre ausgesetzt ist. So werden in den Trocken- oder Hitzewüsten dunkle Gesteinsoberflächen und Schuttstücke durch die direkte Sonneneinstrahlung bis über 70 – 80 Grad Celsius aufgeheizt. Das Gestein steht dann unter Ausdehnungsspannung. Bei der oft unter wolkenlosem Himmel rasch einsetzenden nächtlichen Abkühlung löst sich die Spannung. Dabei zerspringen Schuttstücke, grobe Gerölle und sogar ganze Blöcke. An festen Felsoberflächen sondern sich, je nach Gesteinsart, schuppenartige Plättchen, Mineralbruchstücke (Grus) oder Sand ab. Hitzesprengung, Abschuppung und Abgrusung sind also allein die Folgen der Sonneneinstrahlung. Dunkle Gesteine wie Basalt absorbieren das Licht stärker und verwittern daher schneller als beispielsweise helle Gesteine, die mehr Sonnenlicht reflektieren (Albedo-Effekt) und deshalb weniger intensiv aufgeheizt werden. Im Laufe der Zeit können grobe Schuttstücke oder Gerölle zu immer kleineren Bruchstücken zerfallen – es entsteht ein heute ebenfalls sehr weit verbreiteter geomorphologischer Wüstentyp mit der arabischen Bezeichnung Reg. Es ist eine geglättet erscheinende, eintönige Wüstenoberfläche mit einem häufig dichten Pflaster aus kleinen, kantigen Steinen, aus denen der Wind die Sand- und Staubkorngrößen ausgeweht hat. Optisch ähnlich erscheint die Serir, eine Wüste aus grobem bis feinem Kies (also gerundeten Komponenten), der aus vorzeitlichen oder aktuellen Flussablagerungen stammt. Selbst kleine Sand- und Staubkorngrößen als typische Bestandteile heißer Wüsten können durch die rein mechanische Insolationsverwitterung aus der Zersetzung von Festgestein neu entstehen. Dies ist also neben den Ablagerungen von Flüssen oder wieder verwitterten Sandsteinen eine weitere Quelle für die Anlage von Dünengebieten und Flugsanddecken.

Den Steinwüsten vergleichbare Landschaftstypen trifft man in zahlreichen Kältewüsten an – die Frostschuttwüste. Dahinter steht genetisch aber die Frostsprengung als ein völlig andersartiger Verwitterungsvorgang. Sie benötigt Wasser für die mechanische Zerstörung der Gesteine: Es kann in feinste Haarrisse, kleinste Klüfte oder Poren eindringen. Da es beim Gefrieren durch die Eiskristallisation sein Volumen um etwa zehn Prozent vergrößert und der Frost von außen nach innen vordringt, wird ein enormer Druck entwickelt, der Gesteine mühelos zerspringen lässt. Die Übereinstimmungen im Landschaftsbild der Frostschuttwüste mit dem einer Hamada oder einer feinsteinigen Reg sind oft verblüffend. In den Schmelzwasserablagerungen von Gletschern (Sander) oder Fluss-Schwemmfächern lassen sich darüber hinaus äußerlich betrachtet Vergleiche zum Wüstentyp der Serir ziehen.

ORDNUNG IN DER WÜSTE: POLYGONALE MUSTEREs mag widersprüchlich klingen, aber das knappe Wasser ist in der Hitzewüste ein bedeutender Reliefgestalter. In nahezu allen Trockenwüsten existieren beispielsweise Salzseen, Salztonebenen und Endpfannen versickernder Flussläufe, bekannt unter Bezeichnungen wie Schotts, Sebkhas, Playas, Lagunas oder Vleis. Es sind flache Depressionen, in denen sich Lehm, Ton und Salz anreichern – bisweilen durch örtliche episodische Niederschläge von Wadis zusammengeschwemmt. In der Mehrzahl aber handelt es sich um Sammelbecken von feinkörnigen Flussablagerungen, die aus feuchteren Nachbarregionen oder nahen Gebirgen in die Wüsten verlagert werden. Anders als in humiden Gebieten bleiben hygroskopische Salzminerale aufgrund der hohen Verdunstung in Erdoberflächennähe erhalten. Zusammen mit Tonmineralen, die viel Wasser an sich binden und somit quellen können, entwickeln sie eine spezifische Hydrodynamik im Wechselspiel von Durchfeuchtung und Austrocknung. Sie äußert sich in polygonalen Trockenriss-Strukturen und verleiht diesen Wüstentypen ein ganz eigenes Erscheinungsbild. Zeitweilig sammelt sich Wasser in den Becken: Die offenen Trockenrisse schließen sich dann durch die Wasseraufnahme der Minerale, die Oberflächen der Polygone wölben sich leicht durch den allseitigen Volumenzuwachs und Druck. (Für unerfahrene Wüstenbesucher entpuppt sich der gesättigte Salzton als tückische Falle für Fahrzeug und Schuhwerk.) Die nachfolgende Verdunstung des Wassers und die Austrocknung der gequollenen Sedimente leiten den rückläufigen Prozess ein: Die Wüstenoberfläche entspannt sich förmlich; erneut öffnen sich die Trockenrisse zu einem markant strukturierten Ordnungsmuster.

Trotz ihrer klimatisch konträren Andersartigkeit finden sich polygonale Oberflächenmuster auch in den Kältewüsten, also in den unvergletscherten, von Permafrost unterlagerten, wenig bewachsenen Periglazialgebieten. Hier gehören sie zum weitflächig typischen Landschaftsmerkmal, von steilen geböschten Hängen abgesehen. Dahinter steht das Prinzip der optimalen Flächenaufteilung – vergleichbar den hexagonalen Bienenwaben. Zugrunde liegt hier wiederum ein physikalisches Wechselspiel zwischen Volumenerweiterung und Druckerhöhung sowie zwischen Druckentlastung und räumlicher Schrumpfung. Grundlage hierfür ist der sehr hohe Gegensatz zwischen den positiven Sommertemperaturen und der extremen Winterkälte mit tief reichendem Frost.

Zwei genetisch völlig unterschiedliche Netzmuster sind auszumachen: Die kleineren Frostmusterstrukturen sowie die aus jeder Luftaufnahme arktischer Flachländer hervorstechenden größeren Eiskeilnetze in den Kältewüsten Kanadas, Sibiriens oder Spitzbergens. Die einzelnen Eiskeil-Polygone haben Durchmesser von mehreren Metern bis einigen Dekametern, sind also vergleichsweise Großformen. Sie entstehen bei räumlichen Schrumpfungs- und Ausdehnungsprozessen, deren Ursache in den winterlichen Extremtemperaturen bis zu minus 70 Grad Celsius zu suchen ist: Die lang anhaltende Winterkälte erzeugt eine »Tieffrostkontraktion« im Dauerfrost- und Gesteinskomplex. Es bilden sich schmale, tiefe Schwundrisse, die sich mit Segregationseis füllen, das heißt, Wasserdampf aus der Luft lagert sich in Form von Eiskristallen an den Flanken der Risse an, vergleichbar den vereisten Kälteaggregaten im Gefrierschrank. Durch die jahreszeitliche Wiederholung des Vorgangs an den gleichen Grenzflächen wachsen mit der Zeit lang gestreckte, blanke Eiskörper (Eiskeile) in den permanent gefrorenen Untergrund hinein. Sie verschlanken sich nach unten und enden in wenigen Metern Tiefe, in Reichweite saisonaler Temperatur- und Volumenschwankungen. An der Oberfläche betont oftmals vermehrtes Mooswachstum das faszinierende Netzmuster.

Deutlich kleinere Frostmuster-Polygone mit einigen Dezimetern bis mehreren Metern Durchmesser entwickeln sich in flachen oder nur schwach geneigten Oberflächen von Kältewüsten. Sie gliedern die Flächen zwischen den Eiskeilen und prägen so in unverwechselbarer Weise ein Wesensmerkmal der Kältewüste. Im Unterschied zu den Trockenwüsten werden in der Frostschuttzone Schuttdecken und Steinpflaster nach Korngrößen sortiert und in Polygon-Netzen neu angeordnet (Frostmusterstrukturen). An den Rändern der Polygone sammeln sich die besonders groben Steine, es folgen nach innen kleinere Komponenten, im Zentrum bleibt das feinkörnigere Verwitterungsmaterial zurück. Dieser verblüffende Sortierungsbeziehungsweise Entmischungsprozess (Kryoturbation) beruht auf äußerst komplexen Frostwechsel-Wirkungen, die sich in vertikalen und horizontalen Volumen- und Druckänderungen äußern. Ohne ausreichende Bodenfeuchte oder Durchnässung käme die Kryoturbation jedoch zum Erliegen, da das Wasser mit seiner zehnprozentigen Volumenerweiterung beim Gefrieren die Grundlage für den gesamten Prozess bildet. Dabei wirkt die Kristallisation des Wassers und damit die Ausdehnung des Bodens dreidimensional.

SAND UND EIS

Sandmeere mit ästhetischen Dünenformen gelten vielfach als Prototyp einer Wüste. Jedoch ist nur etwa ein Fünftel der globalen Trockenwüsten tatsächlich von Sand bedeckt. In den polaren Kältewüsten fehlen Dünen und mächtigere Flugsande dagegen weitgehend – mangels geeigneter Sandquellen. Kleinräumige Vorkommen finden sich an einigen arktischen Küstenlinien oder in der Nachbarschaft von Gletschervorfeldern. Aus der extrem trockenen, sehr stürmischen Ostantarktis sind kleine Kiesdünenfelder beschrieben worden.

Die größten und attraktivsten Sandmeere (Ergs, Edeyen), oft besetzt mit riesigen, schwungvoll geformten Dünen, finden sich in Afrika (Sahara, Namib, Kalahari), auf der Arabischen Halbinsel (Rub al-Khali), in Innerasien (Takla Makan, Gobi) und in Australien (Simpson). Ihre Entstehung ist mit der Klimageschichte der Eis- und Kältewüsten gekoppelt: Die Formung der heute beobachtbaren Riesendünen und Sandmeere fällt in den Höhepunkt der letzten Eiszeit, der Maximalvergletscherung der Erde vor 20000 –16000 Jahren vor unserer Zeitrechnung. Während sich gigantische Eisschilde über Nordamerika und Eurasien ausbreiteten und die Kältewüsten wuchsen, dehnten sich auch die Trockenwüsten in starkem Maße auf Kosten der Savannen und Waldökosysteme aus. Grund dafür war die um vier bis fünf Grad Celsius kältere Atmosphäre, die weniger Wasser aufnehmen konnte und damit weiträumig stark verminderte Niederschläge verursachte. Zeitgleich bewirkten hohe Luftdruckgegensätze starke Windfelder. In der Folge entstanden riesige Sandwüsten, vielfach mit langen Ketten ortsfester hoher Dünen, den Draa. Saharische Dünen breiteten sich ebenso im Niger, Tschad und Sudan aus; sie sind im gegenwärtigen Klima durch Bewuchs fixiert. Die Kalahari im südlichen Afrika war vormals eine riesige Vollwüste, deren dicht geschartes Längsdünenfeld bis unter den heutigen Regenwald im Kongobecken reichte. Heute ist sie eine Dornbusch- oder Trockensavanne.

Die äolische Dynamik erzeugt in Form der Rippeln eine Gemeinsamkeit zwischen Trocken- und Kältewüsten: Rippeln sind die kleinsten rhythmischen Äußerungen (Wellenlänge kleiner als fünf Meter) und besetzen vor allem die Luvseite von Dünen oder flache Sandtennen. Rippelmarken entstehen auf vergleichbare Weise bei der Verdriftung von Schnee, formen harsche Schneeflächen und gestalten die windausgesetzte Seite von Schneewehen.

Dünen sind physikalisch gesehen große Wellen, die bei entsprechendem Sandangebot an der Grenzfläche Luft/Erdoberfläche entstehen. Normale Dünen haben eine Wellenlänge, die kleiner als 500 Meter ist. Spektakulär sind Mega-Dünen (Draa) von 500 – 6500 Metern Wellenlänge. Sie sind häufig in kilometerlangen Strängen angeordnet. Unter wechselnden Windregimen entstanden darauf bizarr geformte Sterndünen. Die meisten großen Sandmeere sind somit Vorzeitformen und weitgehend ortsfest. Heute überarbeitet der Wind lediglich die Kämme der großen Dünen. Die gegenwärtig einzige echte Wanderdüne ist der Barchan (Sicheldüne), der als Einzelform bei relativ geringem Sandangebot entsteht.

Mehr noch als Hitze und Sand für die Wüste wurden Kälte und Eis zum Synonym für die Polargebiete der Erde. Ähnlich wie Sand ist auch das Phänomen Eis sehr differenziert zu betrachten. Zunächst ist einmal zwischen landgebundenem Eis aus Süßwasser und dem Meereis zu unterscheiden. Jahreszeitlich variiert die Meereisdecke der Polarozeane in der Fläche wie in ihrer Mächtigkeit sehr stark; große Teile bilden sich im Polarwinter neu und schwinden im Sommer wieder. Die Eisdicke beträgt wenige Dezimeter bis maximal vier Meter. Aufgrund des Salzgehalts von 3,5 Prozent gefriert das Meerwasser erst bei minus 1,9 Grad Celsius. Dabei schmilzt sich die Salzsole durch die entstehende Eisschicht hindurch, die danach nahezu Süßwassereigenschaften hat. Lose Eisschollen driften als Treibeis in den Kaltwasserströmen. Sind 80–100 Prozent der Wasserfläche von flachen Schollen oder von übereinandergeschobenen Eisschollen bedeckt, spricht man von Packeis. Das Meereis ist meist von einer dünnen, in der Sonne gleißenden Schneeschicht überweht, die mit ihren winzigen Kristallflächen bis zu 90 Prozent des einfallenden Sonnenlichts reflektieren kann. Demgegenüber bestehen Gletscher aus primärem Süßwasser in Form von Schnee, der sich unter entsprechend kalten Klimabedingungen auf festem Land ansammelt. In der Entstehung von Gletschereis verbirgt sich eine gewisse Parallele zur Akkumulation von Sanddecken und Dünen: Das polare Wind- und Sturmregime sorgt für eine oft weitreichende Verdriftung der Schneeniederschläge. Schneeflocken werden dabei zerstört; der Wind drückt die Kristalltrümmer zusammen. Im Luv (der dem Wind zugekehrten Seite) von Unebenheiten, Hindernissen und Wechten wird der Schnee angepresst, Rippelmarken strukturieren dabei die Oberfläche, im Lee (der dem Wind abgewandten Seite) ist der Schnee lockerer. Schneedrift und Verdichtung sind die ersten Schritte zur Schneemetamorphose: Der interne Druck nach und nach aufgehäufter Schneemassen presst die Luft aus dem immer dichter werdenden Eis. In Klimaten mit positiven Tagestemperaturen und Nachtfrösten geschieht die Eisbildung aus Schnee durch Anschmelzen und Wiedergefrieren. Gletscher sind zäh fließende Eismassen. Sie können nicht »in den Himmel wachsen«, da die zunehmende Schneeauflast internen Druck erzeugt und so die viskose Bewegung der Eismasse auslöst. Wenn Gletschereis – wie man am Beispiel Antarktikas oder Teilen Grönlands sehen kann – sich über den Festlandrand hinausschiebt, entsteht ein Saum von Schelfeis mit ebener, eintöniger Oberfläche, die mehrere 100 000 Quadratkilometer umfassen kann. Das Eis liegt zunächst noch auf dem Meeresboden auf. Zunehmender Nachschub und Auftrieb durch das Meerwasser lassen schließlich an den senkrechten Eiskanten die teils großflächigen Tafeleisberge abbrechen. Sie ragen einige Dekameter aus dem Meer – nur mit einem Siebtel ihrer Gesamtdicke. Schelfeis bildet sich nur an den gigantischen Inlandvereisungen der Antarktis oder Grönlands, deren Eispanzer stellenweise über 4000 Meter dick ist. (Die höchste gemessene Eisdicke beträgt 4776 Meter.) Grönlands Inlandeis produziert vor allem aber gewaltige Mengen an kleineren Eisbergen, die an den zerklüfteten Fronten der zahlreichen Auslassgletscher in den Fjorden abgekalbt werden. Eisberge von den grönländischen Auslassgletschern stammen von den Randbereichen des Inlandeises und bestehen aus transparentem Eis von der Gletscherbasis. Die gigantischen Tafeleisberge in der Antarktis dagegen erscheinen über Wasser meist milchig-weiß, eine Folge des noch hohen Lufteinschlusses unter der trocken-kalten Schneemetamorphose. Stärker abgeschmolzene, gekenterte Eisberge leuchten indes oft intensiv blau durch die Lichtbrechung des nahezu luftfreien Blankeises aus den tieferen, älteren Gletscherschichten.