Einführendes Kapitel: Geomorphologie

Einführung

Im Laufe der Jahrmillionen hat die Erde viele Veränderungen durchgemacht, die ihre heutige Form und Struktur geprägt haben. Von einer Staubkugel nach der Nebelhypothese bis zur heutigen Form hat sich die Erde stark verändert. Einst ein bewohnbarer Ort, hat unsere Erde während des Hadäischen Zeitalters über einen langen Zeitraum von mehr als 4 Milliarden Jahren viele Prozesse durchlaufen. Zu den Entwicklungsstufen, die die heutige bewohnbare Welt geformt haben, gehören sowohl interne als auch externe Kräfte. Meteoriteneinschläge, vulkanische Aktivitäten, Erosionsvorgänge durch Flüsse, Winde, Gletscher, Ozeane usw. sowie die Ausbreitung des Meeresbodens und plattentektonische Aktivitäten haben die Erde, wie wir sie heute sehen, ständig geformt. Viele dieser Aktivitäten finden in einem kurzen Zeitraum statt, während andere Millionen von Jahren benötigen, um verschiedene klimatische, geologische und geomorphologische Systeme zu schaffen. Alle diese nie endenden Prozesse sind noch immer im Gange und formen unsere Erde auch heute noch. Der bemerkenswerteste dieser Prozesse sind die geomorphischen Prozesse, da sie die Form und Gestalt der Erde, wie wir sie heute sehen, schaffen. Daher ist das Studium dieser geomorphischen Prozesse von entscheidender Bedeutung für das Verständnis der Phänomene und Prozesse, die in der Natur ablaufen.

Die Geomorphologie leitet sich von den griechischen Wörtern γεω (Erde), μορφη (Morph/Form) und λογοϛ (diskutieren) ab und bedeutet wörtlich „eine Diskussion über die Form der Erde“. Die Geomorphologie befasst sich also mit den verschiedenen Merkmalen der Erde wie Bergen, Hügeln, Ebenen, Flüssen, Moränen, Kare, Sanddünen, Stränden, Nehrungen usw., die durch verschiedene Faktoren wie Flüsse, Gletscher, Wind, Ozean usw. entstanden sind. Seit dem vierten Jahrhundert v. Chr. haben viele Menschen die Entstehung der Erde untersucht, indem sie sich auf verschiedene Beobachtungen vor Ort bezogen. Die alten Griechen und Römer wie Aristoteles, Strabo, Herodot, Xenophanes und viele andere diskutierten über die Entstehung von Tälern, die Bildung von Deltas, das Vorhandensein von Muscheln auf Bergen usw. Nachdem Xenophanes die Muscheln auf den Berggipfeln beobachtet hatte, vermutete er, dass sich die Erdoberfläche von Zeit zu Zeit gehoben und gesenkt haben musste, wodurch Flusstäler und Berge entstanden (ca. 580-480 v. Chr.). Nachdem er Muscheln auf Berggipfeln und weite Sandflächen beobachtet hatte, schlug Aristoteles (ca. 384-322 v. Chr.) vor, dass die Gebiete, die heute Trockenland sind, in der Vergangenheit vom Meer bedeckt gewesen sein müssen, und dass die Gebiete, in denen heute Meer vorhanden ist, einst Trockenland gewesen sein müssen. Er schlug also vor, dass Land und Meer den Ort wechseln. Traditionell wurde die Entwicklungsgeschichte der Landschaft durch Kartierung der sedimentären und morphologischen Merkmale ermittelt. Um die Entwicklung der Landschaft zu verstehen, wurde die goldene Regel „die Gegenwart ist der Schlüssel zur Vergangenheit“ befolgt. Diese Regel besagt, dass die Prozesse, die heute sichtbar sind, auch in der Vergangenheit stattgefunden haben müssen, woraus sich die Gründe für die Entstehung der Landschaft in der Vergangenheit ableiten lassen. Die Entstehung der Landschaft in der Vergangenheit hing also hauptsächlich von der relativen Information und der Alterungsmethode ab.

Der Begriff „Geomorphologie“ wurde jedoch erst zwischen den 1870er und 1880er Jahren geprägt und verwendet, um die Morphologie der Erdoberfläche zu beschreiben. Populär wurde der Begriff jedoch durch William Morris Davis, der den „geografischen Zyklus“, auch bekannt als „Davis-Zyklus“, vorschlug. Er vertrat die Auffassung, dass die Entwicklung von Landschaften durch das abwechselnde Wirken von Hebung und Abtragung erfolgt. Er ging davon aus, dass die Hebung schnell erfolgt und die angehobene Landmasse dann allmählich erodiert, um die Topografie der Region zu bilden. Er stellte die Hypothese auf, dass Hebung ein schneller Vorgang ist, während Denudation ein zeitaufwändiger Prozess ist. Die Entstehung hoher Berge und tiefer Täler zeigt also die Jugend-, die Reife- und die Altersphase der Landformentwicklung. Obwohl der Davis-Zyklus als ein klassisches Werk gilt, fehlt in seiner Hypothese das grundlegende Verständnis, dass sowohl Hebung als auch Abtragung gleichzeitig stattfinden. Diese beiden Phänomene gehen Hand in Hand und müssen sich nicht unbedingt abwechseln. Daher schlug Walther Penck fast 35 Jahre später eine Variante des „Davis-Modells“ vor, in der er zeigte, dass die Interaktion von Hebung und Denudation gleichzeitig stattfindet. Er schlug vor, dass sich die Hänge aufgrund der gleichzeitigen Einwirkungen in drei Hauptformen entwickeln werden. Erstens eine konvexe Neigung, bei der die Hebungsrate höher ist als die Denudationsrate; zweitens ein stationäres Stadium, bei dem beide Raten nahezu gleich sind, wodurch eine gerade Neigung entsteht; und drittens eine konkave Neigung, wenn die Hebungsrate geringer ist als die Denudationsrate. Im Laufe der Zeit haben Geomorphologen daher verschiedene Aspekte von Landformen untersucht. Einige Geomorphologen haben den Entstehungsprozess dieser Landformen untersucht, andere ihren Ursprung und ihre Geschichte, und wieder andere haben die verschiedenen Formen von Landformen auf ihre Quantität hin analysiert. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass moderne Geomorphologen sich hauptsächlich auf drei Aspekte von Landformen konzentrieren: Form, Prozess und Geschichte. Die Form- und Prozessstudien werden gemeinhin als funktionale Geomorphologie bezeichnet, während der letzte Aspekt als historische Geomorphologie bezeichnet wird. Die Untersuchung der verschiedenen Prozesse, die für die Entstehung einer Landschaft verantwortlich sind, fällt in den Bereich der funktionellen Geomorphologie.

Alle auf der Erde sichtbaren Landformen variieren in ihrer Größe von mikroskaligen Formen wie Schlaglöchern, Rinnen, Wellen usw. bis hin zu großflächigen Merkmalen wie Gebirgszügen, Flussbecken usw. Daher variiert auch die Zeit, die für die Bildung dieser Merkmale erforderlich ist, von einigen Dutzend Jahren bis zu Millionen von Jahren. Es wurde auch beobachtet, dass bestimmte Merkmale in bestimmten Klimazonen beheimatet sind; daher spielt die Entwicklung von Klimazonen wie ariden, tropischen usw. eine entscheidende Rolle bei der Entstehung und Entwicklung dieser geomorphischen Merkmale. So zeigen beispielsweise die in höheren Breitengraden beobachteten Landformen die Spuren der Vergletscherung und des Vergletscherungszyklus, was auf ein quartäres klimatisches Umfeld hindeutet, während in anderen Teilen der Welt, wie dem Grand Canyon im Colorado River Valley in den Vereinigten Staaten, die Spuren verschiedener Aktivitäten, die vor Hunderten von Millionen Jahren stattfanden, in den verschiedenen Landformen erhalten sind. Die meisten Landformen werden durch zwei Prozesse geformt und verformt, nämlich durch endogene Prozesse, die innerhalb der Erdkruste stattfinden, wie z. B. konvektive Wärmezyklen, aufsteigende Fahnen und Magmakammern, und durch exogene Prozesse, die die Merkmale der Erdoberfläche mit Hilfe verschiedener Verwitterungsfaktoren wie Wasser, Wind, Gletscher, Meere usw. formen. Alle diese Phänomene der Landschaftsentwicklung in Bezug auf Lebensspanne, Klimazonen und Prozesse sind in Abbildung 1 dargestellt.

Auf dem Gebiet der funktionalen und historischen Geomorphologie sind viele Arbeiten durchgeführt worden. Inzwischen sind viele andere Bereiche oder Arten der Geomorphologie untersucht worden, wie die tektonische Geomorphologie, die submarine Geomorphologie, die planetarische Geomorphologie, die klimatische Geomorphologie und die modellierende Geomorphologie. Das Zusammenspiel von tektonischen Kräften und geomorphologischen Prozessen verformt die Erdkruste regelmäßig, was zur Entwicklung der tektonischen Geomorphologie führte. Sie nutzt Techniken und Daten aus anderen Bereichen der Geologie, insbesondere der Strukturgeologie, Geochemie und Geochronologie, in Verbindung mit der Geomorphologie und dem Klimawandel. Wie der Name schon sagt, konzentriert sich die submarine Geomorphologie auf den Ursprung, die Bildung und die Entwicklung submariner Landformen, die sich sowohl in flachen als auch in tiefen Meeresumgebungen entwickeln. Die planetarische Geomorphologie befasst sich mit der Anwendung der Erkenntnisse über die Entstehung von Landformen auf der Erde auf extraterrestrische Objekte wie Mond, Planeten, Exoplaneten usw. Dies ist der jüngste Zweig und entwickelt sich sehr schnell. Geomorphologische Untersuchungen von Venus, Mars, Jupiter, Titan und anderen Planeten sind heutzutage ein heißes Eisen. Das Klima spielt eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung der verschiedenen Landformen, die in den einzelnen Klimazonen (aride, tropische, gemäßigte Zonen usw.) vorkommen. Dieses Verständnis ist die Grundlage für die Entwicklung der klimatischen Geomorphologie als Strömung. Die Auswirkungen klimatischer Phänomene in Verbindung mit tektonischen Aktivitäten bilden eine neue Querschnittsdisziplin der Geomorphologie, die als klimatisch-tektonische Geomorphologie bekannt ist. Heutzutage werden inter- und multidisziplinäre Ansätze in verschiedenen Wissenschaftsbereichen verwendet, und die Geomorphologie ist einer von ihnen, in dem die Kreuzung sehr offensichtlich ist. Bis heute haben sich verschiedene Zweige und Ableger der Geomorphologie entwickelt, und in diesen interdisziplinären Bereichen wurde viel geforscht.

Unter allen exogenen Faktoren, die die Landschaft formen, ist das Wasser der vielversprechendste und wirksamste. Aus diesem Grund wurde die Flussgeomorphologie sehr eingehend untersucht. Unter Berücksichtigung dieser Aspekte wurde dieses Buch so konzipiert, dass der Schwerpunkt auf geomorphologischen Merkmalen liegt, die durch die Einwirkung von Wasser entstehen. Daher werden hier zwei Kapitel über die Geomorphologie der Flüsse und ein Kapitel über die Geomorphologie der Küstengebiete vorgestellt. Das letzte Kapitel befasst sich mit den jüngsten Entwicklungen des digitalen Höhenmodells (DEM), das sehr effektiv für die morphometrische Analyse verschiedener Flüsse eingesetzt werden kann.

Die Hydrogeomorphologie, die Untersuchung hydrologischer Prozesse, umfasst den Oberflächenabfluss, den Grundwasserabfluss, den Abfluss von Flüssen und die Boden- und Flussbett-Erosionsprozesse, die das geomorphologische Profil eines Einzugsgebiets kontinuierlich verändern. Die Lebensdauer solcher Prozesse reicht von einigen hundert Jahren bis hin zu Millionen von Jahren. Neben der Quantifizierung der hydrologischen Prozesse sowie der Boden- und Flussbett-Erosionsprozesse liefert die kontinuierliche hydrogeomorphologische Modellierung wertvolle Informationen über die zukünftige Entwicklung dieser physikalischen Prozesse. Es steht eine Vielzahl integrierter Modelle zur Verfügung, die Abfluss-, Bodenerosions- und Sedimenttransportprozesse kontinuierlich simulieren. In Kapitel 2 wird ein zusammengesetztes mathematisches Modell vorgestellt, das auf die kontinuierliche Simulation hydrogeomorphologischer Prozesse sowie auf die kontinuierliche Simulation von Boden- und Flussbett-Erosionsprozessen im Einzugsgebiet des Kosynthos (Bezirk Xanthi, Thrakien, Nordostgriechenland) und im Einzugsgebiet des Nestos (Grenze zwischen Mazedonien und Thrakien, Nordostgriechenland), den beiden benachbarten Einzugsgebieten im Nordosten Griechenlands, abzielt. Das Modell generiert kontinuierliche Ganglinien und Sedimentdiagramme an den Ausläufen der beiden Einzugsgebiete auf einer feinen zeitlichen Skala, deren statistische Effizienz mit den gemessenen Größen am Einzugsgebietsausgang hoch signifikant ist und zufriedenstellende Ergebnisse liefert. Der Korrelationskoeffizient der modellierten Werte mit den gemessenen Werten liegt für beide Einzugsgebiete bei mehr als 80 % für Wasser- und Sedimentabfluss.

Anthropogene Aktivitäten haben die fluvialen geomorphologischen Regime innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne erheblich beeinflusst. Vom Bau von Staudämmen, die die Sedimentation im Stausee erhöhen und damit das Flussbettprofil verändern, bis hin zur Abholzung und Verstädterung, die die Erosionsraten im Flusseinzugsgebiet erhöhen, haben anthropogene Aktivitäten ihre Spuren im natürlichen Phänomen hinterlassen. Ähnlich verhält es sich in den St. Lawrence Lowlands in der Region Quebec im Kanadischen Schild, wo der Bau von Staudämmen zu einer Vergrößerung der Uferbreite und damit zu einer Verringerung der Krümmung des Flussbettes und zu einer Veränderung des Flussregimes geführt hat. Weitere Veränderungen der Landnutzungsmuster haben ebenfalls zu einer höheren Erosion und Sedimentation geführt. Die Abholzung von Wäldern für landwirtschaftliche Zwecke hat zur Entwaldung geführt, und die spätere Aufforstung in dieser Region (landwirtschaftliche Gebiete) aufgrund des Rückgangs der landwirtschaftlichen Arbeitskräfte hat die morphologische Entwicklung der Kanäle in der kanadischen Region Quebec beeinflusst. In Kapitel 3 wird daher versucht, die Auswirkungen der Wiederaufforstung und der hydroklimatischen Schwankungen auf die Morphologie (Breite und Krümmung) des Matambin-Flusses in Quebec, Kanada, einzuschränken. Von 1935 bis 1964, als es in der Region nur selten zu starken Überschwemmungen kam, wurde eine Abnahme der mittleren Breite des Kanals um 21 % beobachtet. Nach 1964 wurde ein Trend zur Zunahme der mittleren Uferbreite beobachtet, der mit der Zunahme der Häufigkeit starker Überschwemmungen und der Abnahme der durch Bodenerosion entstandenen Schwebstoffe zusammenhängt.

Höhere Erosionsraten werden beobachtet, wenn das Verwitterungsmittel Wasser ist. In Anbetracht der riesigen Ausdehnung der Ozeane und der Erosion, die an den Küsten auftritt, steht dies an erster Stelle. Dieser Effekt ist in der Veränderung der Küstenlinien und dem Anstieg des Meeresspiegels deutlich sichtbar. Die meisten bewohnten Städte auf der ganzen Welt liegen in Küstennähe; die Mehrheit der Weltbevölkerung lebt also nur wenige Kilometer von der Küste entfernt. Daher ist ein angemessenes Küstenlandmanagement erforderlich, um den Bedürfnissen der ständig wachsenden Bevölkerung gerecht zu werden. Die Veränderung der Küstenlinie (Klippenerosion) wurde mit Hilfe von Prognosemodellen untersucht, die auf historischen Aufzeichnungen und geomorphologischen Daten einer bestimmten Region beruhen. Die derzeitigen Modelle zur Extrapolation historischer Daten verwenden historische Rückzugsdaten, aber unterschiedliche Umgebungen mit denselben historischen Werten können identische jährliche Rückzugscharakteristiken hervorbringen, obwohl die potenziellen Reaktionen auf eine sich verändernde Umgebung unterschiedlich sind. Aus diesem Grund werden in Kapitel 4 Prozess-Response-Modelle auf der Grundlage realer Daten an der Küste von Holderness (UK) erläutert, um quantitative Vorhersagen über die Auswirkungen natürlicher und vom Menschen verursachter Veränderungen zu ermöglichen, die mit anderen Modellen nicht vorhergesagt werden können.

Mit dem Aufkommen der Satellitentechnologie ist es absolut einfach geworden, die Erdoberfläche anhand von Satellitendaten zu untersuchen. Wenn es darum geht, verschiedene Landformen zu identifizieren und die physischen Erscheinungen zu beschreiben, sind Satellitenbilder oder Luftaufnahmen sehr nützlich. Dieser Ansatz ist jedoch eher qualitativ als quantitativ und wird als Morphographie bezeichnet, bei der die äußeren Formen beschrieben werden, ohne Informationen über die Art der Entstehung dieser Merkmale zu geben. Es werden verschiedene Methoden angewandt, um den Ursprung von Merkmalen und den Mechanismus der Entwicklung dieser Merkmale zu bestimmen. Dies fällt unter die Morphogenese, während sich die Morphochronologie mit der absoluten und relativen Altersbestimmung der Formen befasst. Die quantitative Schätzung, die durch Messungen der geometrischen Merkmale der Landformen erfolgt, wird als Morphometrie bezeichnet. Es gibt verschiedene morphometrische Parameter und morphometrische Indizes, die in der Geomorphometrie zur Analyse und Klassifizierung von Landformen verwendet werden. Kapitel 5 gibt einen detaillierten Überblick über verschiedene geomorphometrische Indizes und Parameter und zeigt die Verwendung von DEM zur Gewinnung dieser Informationen. Er erklärt diese Werkzeuge mit verschiedenen Beispielen, die in verschiedenen GIS-Paketen verfügbar sind.