Frostverwitterung

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Die Temperaturverwitterung oder auch Insolationsverwitterung (von Insolation, solare Wärmeeinstrahlung) ist eine Form der physikalischen Verwitterung, die durch Temperaturunterschiede hervorgerufen wird. Jedes Gestein dehnt sich aus wenn es erwärmt wird und zieht sich zusammen wenn es abkühlt. Diesen Effekt, der sich vornehmlich auf der Oberfläche des Gesteins abspielt, bezeichnet man als Wärmeausdehnung. Durch diese partielle Volumenvergrößerung oder auch Verkleinerung werden Spannungen im Gestein erzeugt, die letztendlich zu dessen Desintegration führen.

Allgemeines

Eine scharfe Trennung zu den anderen Verwitterungsarten ist nicht möglich, da in der Regel verschiedenen Verwitterungsarten zusammen auftreten. Oft bilden die feinen Mikrorisse welche durch die Temperatur hervorgerufen werden, denn Angriffspunkt für die anderen physikalischen (hier vor allem die Frostverwitterung) und chemischen Verwitterungsvorgänge. Denn auch die Spannungen, die bei den Temperaturwechseln entstehen, lockern das Gefüge des Gesteins und machen es anfälliger für andere Faktoren, welche in der Endphase der Zerstörung des Gesteins oft an Einfluss gewinnen und so den Einfluss der Temperatursprünge oberhalb des Gefrierpunktes auf den gesamten Verwitterungvorgang unsichtbar machen.

Ursachen

Die Erwärmung von Gesteinen wird vor allem durch die Sonneneinstrahlung hervorgerufen, kann aber auch auf die Einwirkung anderer Wärmequellen und hierbei besonders auf Waldbrände zurückgehen. Die meist nächtliche Abkühlung in Abwesenheit dieser Wärmequellen vollzieht sich wiederum durch das Freisetzen von Wärmestrahlung, die Wärmeabgabe in die Umgebung und das Gesteinsinnere über Wärmeleitung, sowie die niederschlagsbedingte Temperatursenkung. Wesentlichste äußere Parameter sind das Temperaturintervall und die Rate der Temperaturänderung. Das Temperaturintervall steht dabei in der Regel für die Differenz zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Temperaturwert innerhalb von 24 Stunden, wohingegen die Rate der Temperaturänderung den Wandel der Temperatur innerhalb eines bestimmten Zeitraumes zum Ausdruck bringt, meist in Grad Celsius pro Stunde.

Die Wirkung der Sonneneinstrahlung ist von mehreren äußeren Faktoren abhängig. Zu ihnen zählt die geographische Breite, die Höhenlage, die Exposition des eventuellen Hanges, die Ausrichtung der Gesteinsoberfläche, die Jahreszeit, die Bewölkung, die Windgeschwindigkeit und die Lufttemperatur. All diese Faktoren bestimmen, mit welcher Intensität das Licht auf die direkte Gesteinsoberfläche trifft, berücksichtigen jedoch noch nicht, wie besonders das Gesteinsinnere auf die Strahlungseinwirkung reagiert.

Der Sonne gegenüber steht die Wirkung des Feuers auf die Gesteine. Hier sind vor allem Buschfeuer zu nennen, die zwar unregelmäßig auftreten und meist auch nur von kurzer Dauer sind, hingegen jedoch auch sehr hohe Oberflächententemperaturen herbeiführen können. Diese bewegen sich nicht selten über 500 °C, mit rund 800 °C als Höchstwert, halten jedoch auch oft nur zehn Minuten oder weniger an. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einem Temperaturschock.

Einflussfaktoren

Zu den Gesteinseigenschaften, die für die Temperaturverwitterung eine besondere Rolle spielen, zählen vor allem Wärmeleitfähigkeit und Albedo. Letztere bestimmt, wie viel der auf die Gesteinsoberfläche auftreffenden Strahlungsenergie reflektiert bzw. absorbiert wird. Wichtige Beispiele mit zunehmendem Reflektionsanteil sind Basalt mit 12 %, Granit mit 18 %, Kalk mit 25 % und Wüstensand mit rund 40 %. Da Gesteine jedoch oft unterschiedliche Mineralfarben aufweisen, ist deren Albedo nicht über die gesamte Oberfläche konstant, unterschiedliche Minerale können also im gleichen Zeitraum unterschiedliche Energiemengen aufnehmen.

Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist demgegenüber jener Kennwert, der die Wärmeleitung in das Gesteinsinnere beschreibt. Dabei haben zum Beispiel Metalle eine sehr hohe spezifische Wärmeleitfähigkeit, leiten die Wärme also sehr gut und sorgen somit für einen raschen Energieaustausch zwischen Oberfläche und Körperinnerem. Ihre thermische Energie wird gleichmäßig verteilt, was aber auch bedingt, dass sie allein in Bezug auf diese Eigenschaft weniger stark zu örtlichen Temperaturextremen neigen. Gesteine haben hingegen meist eine relativ geringe spezifische Wärmeleitfähigkeit, so dass sich maßgebliche Temperaturschwankungen bei ihnen nur bis wenige Millimeter unter der Gesteinsoberfläche nachweisen lassen. Dies bedingt auch die hohe Bedeutung der spezifischen Oberfläche, denn da die Temperaturverwitterung nur hier ihre Wirksamkeit entfalten kann ist deren massenbezogene Wirkung umso größer, je kleiner die Gesteinskörper sind.

Temperaturen

Messungen, vor allem in heißen oder kalten Wüsten mit einem hohen Anteil von blankem Gestein auf der Erdoberfläche, sind in der Regel die empirische Basis zur Klärung der Frage, inwiefern sich Temperaturschwankungen im Inneren des Gesteins widerspiegeln und was diese dort bewirken.

Im Death Valley wurden im August 1992 über einen Messzeitraum von 24 Stunden Höchsttemperaturen von nahe 73 °C und Tiefstemperaturen unter 28 °C aufgezeichnet. In der Region von Tibesti konnte man am Tag Oberflächentemperaturen von beinahe 80 °C messen, die in der Nacht auf ungefähr 35 °C abfielen. Diese Temperaturintervalle von rund 40 °C im Tagesverlauf traten in 30 cm Tiefe mit nur noch 1 bis 2 °C in Erscheinung und waren in 75 cm Tiefe nicht mehr nachweisbar. Dies sind jedoch lediglich Ausnahmesituationen und die Oberflächentemperaturen überschreiten in der Regel nicht die 60 °C Grenze. In der Regel bewegt sich die Tiefenwirkung der täglichen Temperaturschwankungen bei Böden im Bereich von 25 bis 50 cm, wohingegen jährliche Schwankungen meist nur bis in 20 cm Tiefe reichen.^[Beleg?]

Doch auch in kalten Klimaten zeigen sich teils erhebliche Temperaturschwankungen. Auf der grönländischen Ellesmere-Insel wurden Oberflächentemperaturen des Gesteins von 39,7 °C erfasst und im Viktorialand der Antarktis zeigten sich Temperaturschwankungen von 60 °C. Die allgemein niedrigen Temperaturen bedingen hier auch deren sehr starke Abhängigkeit von der Sonneneinstrahlung, so dass schon eine Verdeckung der Sonne durch vorbeiziehende Wolken einen Temperaturabfall von 0,8 °C/min hervorrufen konnten, wass jedoch einen Maximalwert darstellt.^[Beleg?]

Wärmeausdehnung

Es zeigt sich hier ein starker Temperaturgradient innerhalb des Gesteins, der über die Wärmeausdehnung zudem recht proportional zum Spannungsgradienten ist.

Ein Effekt der bisher noch nicht betrachtet wurde, ist der Charakter der Wärmeausdehnung selbst. Diese ist ein Mittler zwischen den Temperaturunterschieden und der letztlich im Gestein vorliegenden Spannungsverteilung.

Beschrieben wird diese über den stoffabhängigen Kennwert des Wärmeausdehnungskoeffizienten, wobei man Längenausdehnungskoeffizient und Raumausdehnungskoeffizient zwar unterscheidet, in diesem Rahmen jedoch nur der Längenausdehnungskoeffizient Anwendung findet. Gesteine sind im Allgemeinen nichthomogene kristalline Körper, die sich aus den unterschiedlichsten Mineralen zusammensetzen. Da die Kennwerte der Wärmeausdehnung jedoch stoffspezifisch sind, unterscheidet sich auch deren Größe in Bezug auf die verschiedenen Minerale und es kommt daher innerhalb des Gesteins zu unterschiedlichen Reaktionen auf eine Temperaturänderung. Dieser Effekt wird noch dadurch verstärkt, dass auch die Art und Größe der Kristalle einen Einfluss auf die Wärmeausdehnung haben, sich also auch zwei Kristalle des gleichen Minerals in ihrem Längenausdehnungskoeffizient unterscheiden können. Da die Kristalle zudem anisotrop sind, als Beispiel sei besonders Calcit genannt, spielt auch die Wirkungsrichtung der Längenausdehnung eine Rolle.

Auswirkungen und Produkte

Ein durch Frostsprengung fragmentierter Stein im südlichen Island

Alle bisher beschriebenen Faktoren wirken gleichzeitig auf das Gestein ein und bedingen damit ein komplexes Zusammenspiel von Druck- und Zugspannungen unterschiedlichster Stärke, was die Gesteinsstruktur im Einflussbereich der Temperaturverwitterung mit der Zeit regelrecht mürbe macht und dessen Elastizitätsmodul erhöht. Die auftretenden Spannungen können dabei sehr hoch sein und erreichen beispielsweise bei Quarz 25 Tonnen pro Quadratzentimeter parallel und 22,8 Tonnen pro Quadratzentimeter normal zur c-Achse der Elementarzelle.

Je stärker, häufiger und schneller die Temperaturschwankungen im Gesteinsverband sind, desto stärker zeigt sich auch der Effekt der Temperaturverwitterung. Dabei übersteigen die Temperaturschwankungen der Gesteinsoberflächen meist deutlich die der Luft und weisen durch den Tagesgang auch einen hohe Frequenz derselben auf. Besonders wenn sich die Temperaturen sehr rasch ändern, zum Beispiel bedingt durch ein Regenereignis, kommt es zu teils erheblichen Reaktionen des Gesteins. Zu Brüchen im Gestein kann es dann kommen, wenn die Kräfte der Wärmeausdehnung die Elastizitätsgrenze des Gesteins überschreiten.

Messungen von Griggs im Jahr 1936 und Goudie im Jahr 1974 unter kontrollierten Laborbedingungen, die die Temperaturverwitterung anhand von Schwankungen im Tagesgang nachzuvollziehen versuchten, zeigten lange Zeit keine schwerwiegenden Auswirkungen derselben auf das Gestein. Hall und Hall konzentrierten sich schließlich 1991 stärker auf sehr rasche Temperaturänderungen, sowohl unter kälteren als auch unter wärmeren Temperaturregimen. Einen entscheidenden Effekt sehr hoher Temperaturen im Bereich von 500 °C konnte Goudie et al. im Jahr 1992 nachweisen, wobei schon innerhalb sehr kurzer Zeiträume von wenigen Minuten wesentliche Änderungen des Elastizitätsmoduls zu verzeichmen waren. Diese empirischen Laborergebnisse führten dazu, dass vor allem in amerikanischen Schriften Zweifel an der Bedeutung der Temperaturverwitterung laut wurden. Die Frage nach der Übertragbarkeit dieser Ergebnisse auf natürliche Bedingungen, insbesondere in Bezug auf den Faktor Zeit, kann jedoch nicht eindeutig beantwortet werden, was eine sehr unterschiedliche Bewertung der Temperaturverwitterung zur Folge hat.

Bei anisotropen Körpern wie Kalzit ist die Wärmeausdehnung richtungsabhängig und daher kommt es vor allem bei diesen zur Bildung von oberflächenparallelen Rissen oder gar Sprüngen (Kernsprünge). Weiten sich diese Risse aus, so können Teile des Gesteins abplatzen (Blockschutt) bzw. sich schalenförmig ablösen (Desquamation). Man spricht in diesem Falle daher auch oft von einer Temperatursprengung.

Auftreten

Spuren der Temperaturverwitterung lassen sich vor allem in steinreichen Wärmewüsten finden. Meist bereitet die Temperaturverwitterung dabei nur ein frisches Gestein für andere Verwitterungsarten vor, führt aber auch zur Grusbildung auf dessen Oberfläche, zum Beispiel bei der Wollsackverwitterung. Eine größere Rolle spielt sie in den Klimazonen der winterkalten, kontinentalen, semiariden bis ariden Waldsteppen, Steppen und Wüsten, den trockenen Suptropenklimaten und den ariden Halb- und Vollwüsten. Auch in den semihumiden mediterranen Winterregenklimaten, den trockenen Randtropenklimaten und den wechselfeuchten Tropenklimaten, sowie mit geringerer Bedeutung in den humid-feuchtgemäßigten Waldklimaten, spielt sie eine Rolle. Sie wird dabei durch hohe und häufige Temperaturwechsel, episodische Regenfälle und eine geringe Vegetation begünstigt.

Siehe auch

• Feuersetzen, künstliche Anwendung der Temperaturverwitterung im mittelalterlichen Bergbau