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Massenbewegungen: Radarwellen erkennen Unsichtbares

Der Permafrost in den Alpen taut auf, und der Untergrund beginnt zu bröckeln. Von Satelliten aus aufge­nommene Radarbilder zeigen, wo die Hänge ins Rutschen geraten, und liefern damit eine wertvolle Grundlage, um die Risiken der Massenbewegungen abzuschätzen. Dank dieser Methode können die Bewohnerinnen und Bewohner der Gemeinde St. Niklaus im Walliser Mattertal ruhiger schlafen.

Der Hang im Einzugsgebiet des Wildbachs «Bielzigji»
Der Hang im Einzugsgebiet des Wildbachs «Bielzigji» bewegt sich talwärts.
© BAFU

Text: Lucienne Rey

Sie heissen Boozu, Mâlins, Rollibock und Vuivra: Sagengestalten, die einstmals im Wallis heimisch gewesen sein sollen, unruhige Geister und Fabelwesen, die im Winter Eis und Schneedecken bersten liessen und im Sommer Felsblöcke und Gerölllawinen ins Tal kippten. Wer im Mattertal auf schmalen Pfaden die Bergflanken erklimmt und in der Tiefe die «Gufer» erblickt - so heissen die grossen Schuttkegel auf Walliserdeutsch -, wundert sich jedenfalls nicht, dass seinerzeit die Einheimischen übernatürliche Kräfte am Werk wähnten, wenn sich vor ihren Augen die Wucht von Felsstürzen und Murgängen entlud. Sogar von einem fliegenden Drachen ist die Rede: «Dieses Ungeheuer zernagt und zerfrisst die Goldadern in den Bergen, die dadurch locker werden und zu Thale stürzen», berichtet der Walliser Domherr und Chronist Peter Joseph Ruppen (1815-1896) in seiner Sagensammlung. So sei auch «das Täschgufer» im Mattertal entstanden, das «unzweifelhaft und sicher von einem grossen Bergsturze aus alter Zeit» zeuge.

Gutartige Flugkörper 

In der Auseinandersetzung mit Felsstürzen und Schlammlawinen im Mattertal spielen Flugkörper auch heute wieder eine bedeutsame Rolle. Im Unterschied zu den Drachen aus der Sagenwelt sind sie allerdings gutartig, wenn nicht sogar segensreich. Es handelt sich um Radar­satelliten (European Remote Sensing Satellites, ERS), die Daten liefern, um gross­flächig selbst geringfügige Bewegungen von Fels- und Gesteinsmassen zu ermitteln. Sie kreisen in rund 800 Kilo­metern Höhe über der Erde, und eine Aufnahme kann ein Gebiet abdecken, das bis zu 10 000 Quadrat­kilometer gross ist. Für die ganze Schweiz braucht es also nur wenige Bilder. «Die Satellitenaufnahmen stellt uns die Europäische Weltraumorganisation ESA kostenlos zur Verfügung», erläutert Hugo Raetzo, der in der Sektion Rutschungen, Lawinen und Schutzwald des BAFU unter anderem für das Monitoring von geologischen Massenbewegungen und entsprechende Frühwarnsysteme zuständig ist. Diese vorteilhaften Bedingungen werden dem Amt eingeräumt, weil es sich am internationalen Forschungsprojekt «Ground Deformations Risk Scenarios: an Advanced Assessment Service» der Europäischen Union (EU) beteiligt. Unter italienischer Federführung im Jahr 2009 lanciert, wurde das wissenschaftliche Grossvorhaben Anfang 2013 bis ins Jahr 2016 verlängert. Im Rahmen dieses Projekts entwickelt das BAFU unter anderem ein Verfahren, um mehrere Radaraufnahmen hinsichtlich der Hanginstabilitäten vergleichen zu können.

Rot steht für schnell

Der Vergleich von Bildern, die in einem bestimmten Zeitintervall aufgenommen wurden, liefert die Grundlage, um herauszufinden, wo und mit welcher Geschwindigkeit sich Gesteinsmassen bewegen. Anders als mit herkömmlichen fotografischen Luftbildern lassen sich mit den Aufnahmen des «Interferometric Synthetic Aperture Radar» (InSAR) unter günstigen Voraussetzungen auch kleinste Erdverschiebungen von wenigen Millimetern erfassen. Ein weiterer Vorteil der Methode ist, dass die Daten unabhängig von den Sichtverhältnissen erhoben werden können. Die Radargeräte funk­tionieren auch in der Nacht oder bei Nebel.

Die im Rahmen des Forschungsprojektes eingesetzten Radarwellen sind 3 bis 23 Zentimeter lang. Sie werden in 16 Phasenbereiche unterteilt, denen Farb­abstufungen zugewiesen sind. Der Sensor des Satellitenradars zählt die Anzahl der reflektierten Wellen und registriert den Phasenbereich. So lässt sich die Distanz zur Erdoberfläche ermitteln: Verändert sie sich geringfügig, variiert auch die Phase des Signals.

Aus dem Vergleich mehrerer Bilder ­resultieren eingefärbte Darstellungen der Erdoberfläche. Weil das BAFU für ­seine Forschung Satellitenaufnahmen mit einer Auflösung von 5 Metern verwendet, steht jedes Bildpixel für eine Fläche von 25 Quadratmetern. Dort, wo sich die Phasen zwischen den Zeitpunkten der beiden Aufnahmen verschoben ­haben - das heisst, wo sich die Ent­fernung zwischen Erdoberfläche und Satellit verändert hat -, sind die Pixel nach einer definierten Farbskala ein­gefärbt; je grösser die Phasenverschiebung, desto grösser die Bewegung im Gelände.

Einblick auch in schwer zugängliche
Gebiete 

Hugo Raetzo analysiert diese Phasenveränderungen, berücksichtigt atmosphä­rische und topografische Effekte, bestimmt Geschwindigkeiten und kartiert die geologischen Massenbewegungen mit einer Standardlegende. In roter und violetter Farbe werden die schnellen Rutschungen dargestellt.

Das satellitengestützte Radarverfahren besticht durch gewichtige Vorteile: Es ist das einzige, das flächendeckende Erhebungen über sehr grosse Gebiete ermöglicht. Da die Satelliten die Erde immer wieder auf denselben Umlaufbahnen umkreisen, können vom gleichen Gebiet in regelmässigen Abständen Daten ausgewertet werden. Der Satellit Terrasar-X etwa überfliegt alle 11  Tage die Schweiz in der gleichen Position.

Zudem deckt das Satellitenbild auch schwer zugängliche Gebiete im Gebirge ab, die unmöglich mit Begehungen und terrestrischen Messungen erfasst werden könnten. Dadurch werden auch grossflächige und langsame Gesteinsbewegungen erkannt, und zuvor unbekannte Prozesse lassen sich frühzeitig aufdecken: «Wir können nachweisen, dass sich die Alpen wegen des Baus des Gotthard-Basistunnels auf der Lukmanierachse flächig setzen. Das geht mit keiner anderen Methode», erläutert Hugo Raetzo.

Manchmal funkt das Gras dazwischen

Die Technik stösst allerdings auch an Grenzen. Weil die Satelliten die Erde von Nord nach Süd oder von Süd nach Nord überfliegen, erfassen sie vor allem Erdbewegungen in west-östlicher Richtung gut; Verschiebungen in Flugrichtung hingegen sind schwieriger zu erkennen, weil nur ein Teil der Bewegungskomponente sichtbar ist. Und obschon sich der Winkel des Radars bis zu einem bestimmten Grad an das Gelände anpassen lässt, bleiben sehr steile Hänge «im Schatten».

Auch wenn sich die Bodenbedeckung verändert, kann dies die Interpretation der Bilder behindern. So strahlt kurzes Gras die Wellen anders zurück als längeres. Im dichten Wald werden die Radarwellen dermassen heterogen reflektiert, dass eine Auswertung mit der Phasenveränderung nicht mehr möglich ist. In Lichtungen, bei Felsaufschlüssen, auf Strassen und im Siedlungsgebiet kann das Radarsignal hingegen genutzt werden. Trotz der Einschränkungen liessen sich je nach Terrain 20 bis 80 Pro­zent der relevanten Informationen mit dem Satellitenradar erheben, sagt Hugo Raetzo.

Der Berg taut auf

Rund 100 Radaraufnahmen, gesammelt über 21 Jahre, dienten dem BAFU als Grundlage für eine Karte der Massenbewegungen im Mattertal. Beidseitig gesäumt von majestätischen Viertausendern, bildet dieses Gebiet ein ideales Untersuchungsgelände: Die Gipfel liegen grösstenteils im Permafrost, das heisst in jenem Bereich, wo der Boden das ganze Jahr über gefroren bleibt. Wegen der Klimaerwärmung verschiebt sich derzeit die Untergrenze des Permafrosts in die Höhe.

Wo der Berg auftaut, kann sich die Stabilität der Hänge vermindern, sodass sie ins Rutschen geraten. Die Gefährdung nimmt zu, wenn gleichzeitig ergiebige Niederschläge im betroffenen Gebiet fallen. So treten die Murgänge, die den Menschen im Mattertal vertraut sind, seit einigen Jahren immer häufiger auf, und es donnert mehr Material ins Tal. Probleme bereitet etwa der Blockgletscher beim Breithorn im Einzugsgebiet des Wildbachs «Bielzigji» oberhalb des Weilers Herbriggen in der Gemeinde St. Niklaus. Blockgletscher sind Schutt-Eis-Gemenge, die sich im aktiven Zustand langsam talwärts bewegen. Ende Juni 2013 musste Herbriggen evakuiert werden, als wiederholt gewaltige Murgänge den Geschiebesammler im Unterlauf des Bachs aufgefüllt hatten und nach heftigen Gewittern weitere Schlamm­lawinen bis zu den Häusern zu gelangen drohten. Auf der neuen Karte der Massenbewegungen ist der rund 1 Kilometer lange Blockgletscher denn auch tiefrot eingefärbt: Seine Zungenspitze schiebt sich jährlich um bis zu 20 Meter über eine Fels­rippe, wo es immer wieder zu Abbrüchen kommt.

Instrumente im Dienst der Vorsorge 

Gaby Fux-Brantschen, die Gemeindepräsidentin von St. Niklaus, ist froh über die neue Karte. «Wir sind nun besser à jour», sagt sie. «Früher dachten wir, bei den Murgängen handle es sich um lokale Ereignisse, die durch Gewitter hervorgerufen werden. Jetzt erkennen wir die Zusammenhänge.» Dadurch fällt es ihr auch leichter, die Bevölkerung von den getroffenen Massnahmen zu überzeugen.

Die InSAR-Karte ist zudem ein nütz­liches Instrument, um abzuschätzen, mit welchen Materialmengen zu rechnen ist und wie stark folglich der Geschiebesammler im «Bielzigji» vergrössert werden muss; denn sie zeigt, dass der Hang oberhalb des Blockgletschers ebenfalls abrutscht. Die Karte gibt eine grobe Übersicht, wo Gesteinsmassen langsam oder schnell in Bewegung sind.

Für 5 Wildbäche hat die Gemeinde St. Niklaus in Zusammenarbeit mit verschiedenen Fachleuten den Handlungsbedarf ermittelt, Prioritäten definiert und davon Massnahmen abgeleitet. «Die Karte bestätigt, dass wir die Lage gut eingeschätzt haben», fasst Gaby Fux-Brantschen zusammen. Die Vorkehrungen sind zum Teil planerischer Art, indem beispielsweise besonders gefährdete Areale einer Gefahrenzone zugewiesen werden, wo keine dauerhaft bewohnten Gebäude errichtet werden dürfen. In anderen Gebieten setzt man auf Schutzbauten, etwa auf Dämme, die erhöht oder neu errichtet werden, um die Schlamm- und Gerölllawinen von Strasse, Schiene oder Gebäuden abzulenken. Schliesslich gibt es noch die organisatorischen Vorkehrungen, das heisst Überwachungsposten und Evakuierungspläne für den Notfall.

Die erste Etappe der geplanten Arbei­ten - die Installation eines Alarmsystems - wurde 2013 in Angriff genommen. Das BAFU beteiligt sich an den Aufwendungen, weitere Mittel kommen vom Kanton Wallis, der Matterhorn-Gotthard-Bahn, dem kantonalen ­Strassenamt, den Kraftwerken und anderen Institutionen. «Allein könnte eine Gemeinde die Kosten nie stemmen», weiss Gaby Fux-Brantschen. Und: Auch all diese Vorkehrungen vermögen die Naturkräfte nicht zu bändigen. Aber der Schaden für die Menschen lässt sich in Grenzen halten.


Kontakt: magazin@bafu.admin.ch
Zuletzt aktualisiert am: 12.02.2014

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