mini|Harding Icefield, Kenai National Wildlife Refuge, Alaska mini|Luftbild des Monte-Rosa-Bergmassivs im Schweizer Wallis, mit dem Gornergletscher (li.) und dem Grenzgletscher (re.) im Sommer 1994
Als Gletscherdynamik bezeichnet man das Bewegungsverhalten von Gletschern, Eiskappen und Eisschilden sowie dessen physikalische Beschreibung. Verantwortlich für die Bewegungen ist das Eigengewicht des Gletschers. Zum einen sorgt es für eine Verformung des Eises, das sich wie eine sehr viskose Flüssigkeit verhält. Dieser Prozess wird interne Deformation genannt. Zum anderen kann sich der Gletscher als Ganzes auf seiner Unterlage bewegen, was als basales Gleiten bezeichnet wird. Die Unterlage selbst kann ebenfalls durch das hohe aufliegende Gewicht und die Bewegung des Eises deformiert werden.
Die Geschwindigkeit, mit der sich Gletscher bewegen, reicht von wenigen Metern bis zu einigen Kilometern pro Jahr. Die Bewegung der Gletscher wird von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst, unter anderem der Hangneigung, der Beschaffenheit des Felsbettes, der Eismasse und der Temperatur. Auch innerhalb eines Gletschers ist die Geschwindigkeit nicht homogen. Im Akkumulationsgebiet (Nährgebiet) des Gletschers nimmt sie im Allgemeinen zu, im Ablationsgebiet (Zehrgebiet) dagegen wieder ab, die oberen Schichten des Eises bewegen sich zudem schneller als das Eis nahe dem Felsbett.
Mathematisch kann das Fließen der Gletscher mit Methoden der Kontinuumsmechanik beschrieben werden, indem durch ein Fließgesetz die Verformungsrate des Eises mit der Spannung in Beziehung gesetzt wird. Historisch entwickelte sich das Studium der Gletscherdynamik im achtzehnten und neunzehnten Jahrhundert durch Beobachtung der alpinen Gletscher. Im zwanzigsten Jahrhundert rückten die großen arktischen und antarktischen Eisschilde in den Mittelpunkt der Forschung, nicht zuletzt wegen ihrer zentralen Rolle für das Klimasystem der Erde, zum Beispiel aufgrund ihrer Albedowirkung, das heißt dem hohen Rückstrahlvermögen von Sonnenlicht, oder ihres Einflusses auf den Meeresspiegel.
Forschungsgeschichte mini|Johann von Charpentier, Autor des Essai sur les glaciers et sur le terrain erratique du bassin du Rhône und Pionier der Gletscherforschung mini|„Hôtel des Neuchâtelois“, unter dem Felsen an dieser Stelle des Unteraargletschers entstand die erste, von Louis Agassiz erbaute glaziologische Forschungsstation.
Gletscher wurden beim antiken griechischen Geschichtsschreiber Strabon im Werk Geographie behandelt, in neuzeitlichen geographischen Werken erstmals bei Sebastian Münster in seiner Cosmographia.Meyers Konversations-Lexikon, 6. Auflage 1905–1909, Band 8. Leipzig 1907, S. 27–31. Online bei zeno.org Erwähnung fanden Gletscher auch in mittelalterlichen Urkunden, etwa zur Bezeichnung von Grenzen. In Tirol geschah dies beispielsweise erstmals in einer Schenkungsurkunde von 1260.W. Meixner, G. Siegl: Historisches zum Thema Gletscher, Gletschervorfeld und Obergurgl. In: Brigitta Erschbacher und Eva Koch(Hrsg.): Glaziale und periglaziale Lebensräume im Raum Obergurgl. Innsbruck University Press 2010, S. 13–29. Ein wissenschaftlicher Diskurs über die Bewegungen der Gletscher entwickelte sich jedoch erst ab dem 18. Jahrhundert. Noch im 17. Jahrhundert glaubte die einheimische Bevölkerung der Schweizer Alpen, die Gletscher wüchsen von unten nach oben den Berg hinauf. Diese Ansicht vertraten auch mehrere zeitgenössische Wissenschaftler wie zum Beispiel Johann Gottfried Gregorius in seiner Spezialenzyklopädie Beschreibung der berühmtesten Berge in alphabetischer Ordnung von 1715.
Bernhard Friedrich Kuhn war 1787 einer der Ersten, der die Bewegungen der Gletscher physikalisch zu erklären versuchte. Er nahm an, dass durch die Sonne erwärmtes Geröll unter den Gletscher gelangt, Eis zum Schmelzen bringt und die Stabilität des Gletschers vermindert. Sobald so viel Wasser geschmolzen sei, dass das Eis keinen Kontakt mehr zum Felsbett hat, beginne sich der Gletscher anschließend als Ganzes talwärts zu bewegen. Auch wenn seine Theorie der Gletscherbewegungen eher zu den schwächeren Teilen seiner Arbeit gezählt wird, leistete er dennoch einen bemerkenswerten Beitrag zur Glaziologie, denn er stellte einen Zusammenhang zwischen Moränen und Änderungen der Massenbilanz her und postulierte, dass den Bewegungen alpiner Gletscher und arktischer Eiskappen der gleiche Mechanismus zu Grunde läge. Zu Kuhn siehe auch und Andere frühe gletscherdynamische Theorien versuchten, die talwärtige Bewegung der Gletscher durch Schmelzen und Wiedergefrieren von Wasser zu erklären. So erklärte Johann von Charpentier in seinem 1841 erschienenen Werk die Gletscherbewegungen durch die Schneeschmelze an der Gletscheroberfläche. Das geschmolzene Wasser dringe in das Innere des Gletschers ein und verursache beim nächtlichen Wiedergefrieren Risse und Verformungen, die zu einer Bewegung des Gletschers führten.Johann von Charpentier: Essai sur les glaciers et sur le terrain erratique du bassin du Rhône. Lausanne 1841, S. 71. Digitalisat auf Google Books. Andere Naturforscher wie Johann Jakob Scheuchzer oder Ignaz Venetz vertraten ähnliche Theorien. Schon früh wurde jedoch erkannt, dass die Temperaturen im Gletscherinneren normalerweise zu niedrig sind, um eine Verformung durch derartige Vorgänge zu bewirken.Peter Merian: Ueber die Theorie der Gletscher. In: Annalen der Physik. 136, Nr. 11, 1843, S. 417–444 und S. 527–549 (hier S. 427 f.), doi:10.1002/andp.18431361115 (Digitalisat auf Wikisource)
Schon 1751 führte dagegen Johann Georg Altmann die Bewegungen der Gletscher auf die Gravitation zurück. Diese führe dazu, dass das Eis des Gletschers talwärts gedrückt werde. Allerdings bewegten sich nach seinen Vorstellungen die Gletscher als Ganzes, vom Fließverhalten des Eises selbst als viskose Flüssigkeit hatte er noch keine Vorstellung. Auch andere seiner Ideen wirken für heutige Vorstellungen eher kurios. So nahm er beispielsweise an, dass sich unter der Gletscheroberfläche ein Meer aus flüssigem Wasser bis hinab in die Talgründe erstrecke, von dem die Gletscher nur die oberste Schicht darstellen.Peter Merian: Ueber die Theorie der Gletscher. In: Annalen der Physik. 136, Nr. 11, 1843, S. 417–444 und S. 527–549 (hier S. 424 f), doi:10.1002/andp.18431361115 (Digitalisat auf Wikisource) Horace-Bénédict de Saussure brachte 1779 im ersten Band seiner Voyages dans les AlpesHorace-Bénédict de Saussure: Voyages dans les Alpes. Genf 1779–1796. die Theorie der Bewegung durch Gravitation auf eine aus heutiger Sicht wissenschaftlich etwas solidere Grundlage. Ausgehend von der Beobachtung, dass sich häufig am Fuße des Gletschers Hohlräume und abfließende Gletscherbäche befinden, erklärte er, dass das Eis am Felsbett abschmilzt und dadurch eine Bewegung des Gletschers zulässt, der sich wegen der von oben aufdrückenden Last des Eises talwärts bewegt.Peter Merian: Ueber die Theorie der Gletscher. In: Annalen der Physik. 136, Nr. 11, 1843, S. 417–444 und S. 527–549, doi:10.1002/andp.18431361115 (Digitalisat auf Wikisource) Auch seine Theorie berücksichtigt die viskosen Eigenschaften des Eises nicht, erst James David Forbes erkannte diese richtig als eine der Ursachen für die Bewegung der Gletscher.Peter Merian: Ueber die Theorie der Gletscher. In: Annalen der Physik. 136, Nr. 11, 1843, S. 417–444 und S. 527–549 (hier S. 548 f), doi:10.1002/andp.18431361115, (Digitalisat auf Wikisource). Seine Beobachtungen am Mer de Glace widersprachen der Theorie Saussures, da die Temperaturen zu niedrig waren, um nennenswert Eis zu schmelzen. Stattdessen nahm er in seinem 1842 erschienenen Werk eine viskose Verformung des Eises als Ursache der Gletscherbewegungen an.James David Forbes: Travels through the Alps of Savoy and other parts of the Pennine chain with observations of the phenomena of glaciers. Adam and Charles Black, Edinburgh 1842, S. 356–389. Auch wenn sich diese Theorie schließlich durchsetzen konnte, blieb sie anfangs nicht unwidersprochen: John Tyndall hielt es für unmöglich, dass Eis viskose Eigenschaften habe. In diesem Fall müsste ein Gletscher in der Lage sein – so Tyndall – über steile Kanten hinwegzufließen, anstatt zu brechen.John Tyndall: The Glaciers of the Alps. John Murray, 1860, S. 311–315. Seine Erklärung für die Bewegung der Gletscher war eine kontinuierliche Bildung und anschließendes Wiederverschließen von kleinen Rissen. Diese Risse bildeten sich, sobald Sonnenlicht das Eis an verschiedenen Stellen im Gletscher zum Schmelzen bringe und das im Vergleich zum Eis geringere Volumen des Wassers den entstandenen Hohlraum nicht vollständig ausfüllen könne. Die Luftblasen in Gletschereis sah er dementsprechend als Überreste dieser Risse an.John Tyndall: The Glaciers of the Alps. John Murray, 1860, S. 353–361.
In die Zeit von Forbes und Tyndall fällt auch der Beginn erster systematischer Messungen der Gletscherbewegungen. Louis Agassiz zeigte, dass ein Gletscher in der Mitte schneller fließt als an seinen seitlichen Rändern. Zudem fand er heraus, dass die Geschwindigkeit am Beginn und Ende eines Gletschers niedriger ist als in den Bereichen dazwischen. Harry Fielding Reid zeigte 1896 schließlich, dass die Fließlinien eines Gletschers nicht parallel zum Felsbett verlaufen, sondern im Akkumulationsgebiet nach unten geneigt sind (Submergenz) und im Ablationsgebiet nach oben (Emergenz). Dies kann als experimentelle Bestätigung von Forbes’ Theorie des Gletschers als viskose Flüssigkeit angesehen werden.
Große Fortschritte wurden in den fünfziger Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts erzielt. Dank der Arbeiten von Glen und Nyez. B. konnte erstmals ein allgemeines Fließgesetz für Eis formuliert werden (glensches Fließgesetz, siehe unten).H. Jiskoot: Dynamics of Glacier. In: Encyclopedia of Snow, Ice and Glaciers. 2011, S. 415–428. Zusätzlich formulierte Weertman 1957 seine Theorie des basalen Gleitens eines Gletschers als Ganzes über das darunterliegende Felsbett. Die Beschreibung des basalen Gleitens wurde in den nachfolgenden Jahrzehnten noch weiter verfeinert. Namentlich wurde die Rolle des Schmelzwassers am Felsbett sowie die Tatsache, dass das Felsbett selbst durch Druck des aufliegenden Gletschers deformationsfähig ist, stärker in den Modellen berücksichtigt.
Die Relevanz der arktischen und antarktischen Eisschilde auf das globale Klimasystem und die Variation des Meeresspiegels führte in den letzten Jahrzehnten dazu, dass die Eisschilde mehr in den Fokus der Forschung gerieten, wohingegen die frühen Arbeiten zur Gletscherdynamik sich fast ausschließlich mit den alpinen Gletschern beschäftigten. Nachdem schon bei Alfred Wegeners letzter Grönlandexpedition seismische Messungen der Eisdicke durchgeführt worden waren, begannen detaillierte Studien des Antarktischen Eisschildes erst mit der Norwegisch-Britisch-Schwedischen Antarktisexpedition 1949 bis 1952.K. M. Cuffey, W. S. B. Paterson: The Physics of glaciers. S. 3–6.