Glazialisostasie, Massenbilanz und Eisdynamik

Im Bereich des Grönländischen Eissschildes (GrIS) sowie der peripheren Gletscher und Eiskappen überlagern sich verschiedenartige geophysikalische Prozesse, wie der glazial-isostatische Ausgleich (GIA) der festen Erde und gegenwärtige Änderungen der Auflast des Eises und des angrenzenden Ozeans. Teilprojekt 6 widmet sich der Untersuchung der Wechselwirkungen dieser Teilsysteme unter Nutzung geodätischer Daten. Diese Daten beschreiben Änderungen der Geometrie der Erdkruste (in-situ GNSS-Beobachtungen) und des Eisschildes (Satellitenaltimetrie), der Eismasse (Satellitengravimetrie) sowie von Gletscherfrontlagen und -fließgeschwindigkeiten (Satellitenfernerkundung). Aufgrund der unterschiedlichen Sensitivitäten der Daten gegenüber den wirkenden Prozessen, ermöglicht die Kombination von Datensätzen eine Trennung der verschiedenen Effekte, insbesondere von eisdynamischen und Oberflächenprozessen des GrIS. Eine zentrale Rolle spielen die immer noch großen Unsicherheiten des GIA-Effekts. Durch die in-situ Beobachtung GIA-bedingter Deformationen der Erdkruste können vorliegende Modelle validiert und Unsicherheiten reduziert werden. Damit wird die Grundlage für eine genauere Bestimmung der Eismassenbilanz des GrIS gelegt.

Kontakte: Msc. Thorben Döhne, Dr.-Ing. Andreas Groh, Dr.-Ing. Mirko Scheinert, Prof. Dr.-Ing. Martin Horwath und Dr.-Ing. Christoph Knöfel

Abbildung 1: Ergebnis der Datenkombination von Satellitengravimetrie und -altimetrie unter Verwendung des GIA-Modells von Caron u. a. (2018). Massenänderungsrate für den Grönländischen Eisschild (a) und im Arbeitsgebiet (b) sowie dazugehörige Genauigkeitsmaße (c, d). Die Lage der GNSS-Stationen ist mit Dreiecken (TU Dresden) bzw. Kreisen (GNET) gekennzeichnet. (aus Kappelsberger et al., 2021)

Abbildung 2: Prädizierte vertikale Deformationsraten aus der Überlagerung von GIA-Modellierung und elastischem Effekt im Vergleich mit den GNSS-Ergebnissen. Dabei wurden folgende GIA-Modelle verwendet: (a) A13 (A u. a., 2013); (b) ICE-6G_D (Peltier u. a., 2015, 2018); (c) Caron (Caron u. a., 2018); (d) Huy3 (Lecavalier et al., 2014); (e) GNET-GIA (Khan u. a., 2016). Die an den GNSS-Stationen gemessenen Raten sind in derselben Farbskala dargestellt (TU Dresden: Dreiecke, GNET: Kreise). (aus Kappelsberger et al, 2021)

Welches Hauptziel wurde in der ersten Projektphase verfolgt?

Das Hauptziel der ersten Phase war die Bestimmung GIA-induzierter Krustendeforma- tionen mit Hilfe von GNSS-Messungen in Nordost-Grönland. Die bestimmten Deformationen (insbesondere in der Höhenkomponente) ermöglichen die Validierung verfügbarer GIA-Modelle und die Identifikation des für die Reduktion satellitengravime- trischer Daten am besten geeigneten Modells. 

Welche Methoden wendet ihr zur Beantwortung eurer Fragestellung an?

  • Deformationen der Erdkruste wurden aus bodengebundenen GNSS-Beobachtungen auf Fels abgeleitet. Die 2016 und 2017 durchgeführten Beobachtungskampagnen stellen Wiederholungsmessungen auf bereits 2008 und 2009 angelegten Punkten dar. Im Rahmen einer differentiellen GNSS-Auswertung wurden zusätzlich Beobachtungen permanenter GNSS-Stationen des GNET-Projekts einbezogen.
  • Elastische Deformationen wurden mittels einer Faltung der Greenschen Funktionen mit räumlich hochaufgelösten rezenten Massenänderungen modelliert. Letztere wurde aus der Kombination von Massenänderungen aus den Daten der Satellitengravimetrie-Mission GRACE und des Satelliten-Radaraltimeters CryoSat-2 für den Zeitraum 2010-2017 abgeleitet und weisen im Arbeitsgebiet eine räumliche Auflösung von 1,5 x 1,5 km² auf (Abbildung 1b).

Was waren die Hauptergebnisse?

  • An den GNSS-Stationen im Arbeitsgebiet wurden vertikale Deformationsraten der Erdkruste bestimmt, die Werte von 2,8 bis 8,9 mm/a erreichen. Der Beitrag der elastischen Deformation variiert an diesen Stationen zwischen 2,4 und 7,0 mm/a. Unsere Ergebnisse wurden hier veröffentlicht: Kappelsberger et al.(2021).
  • Der Vergleich von beobachteten Hebungsraten und der Summe aus modellierten elastischen und GIA-bedingten Deformationsraten hat gezeigt, dass die globalen GIA-Modelle ICE-6G_D und A13 den GIA-Effekt im Arbeitsgebiet überschätzen (Abbildung 2). Alle anderen betrachteten GIA-Modelle liefern zu den Beobachtungen konsistente GIA-Prädiktionen, welche im Falle des Modells von Caron et al. (2018) im Bereich von 1,3 bis 4,4 mm/a an den GNSS-Stationen variieren. 

  • Unter Verwendung dieses im Arbeitsgebiet verifizierten Modells konnte die Massenände- rungsrate des gesamten GrIS im Zeitraum 2010-2017 zu -233±43 Gt/a abgeschätzt werden, wobei -31±19 Gt/a auf die peripheren Gletscher und Eiskappen entfallen. 
  • Für das Einzugsgebiet des 79°N-Gletschers ergibt sich eine Massenänderungsrate von lediglich -0,9±0,4 Gt/a. 
  • Die kombinierten Massenänderungen (Abbildung 1) aus Satellitengravimetrie und - altimetrie stehen im Datenarchiv PANGAEA unter folgendem Link zur Verfügung: https://doi.pangaea.de/10.1594/PANGAEA.922884.

Welche Fragestellung wird nun in GROCE-2 bearbeitet?

In GROCE-2 fokussiert sich Teilprojekt 6 auf eine Separation der bei der Eismassenänderung involvierten Prozesse, insbesondere eisdynamischer und Oberflächenprozesse. Zur Charakterisierung von Signal- und Fehleranteilen der zeitlichen Variationen von Oberflächenmassenbilanzen und Firnstruktur wird auf verschiedene Modelldatensätze zurückgegriffen. Die für die Kombination genutzten satellitenbasierten Datensätze werden fortgeführt und durch die Hinzunahme neuer Satellitenmissionen (Gravimetrie: GRACE Follow-on, Altimetrie: ICESat-2, Sentinel-3) erweitert. GNSS-Beobachtungen werden in verringertem Umfang fortgesetzt.