Investigating Ice-Mass Balance and Glacial Isostatic Adjustment in the Amundsen Sea Sector, West Antarctica, by Geodetic Observations and Modelling
Final Report Abstract
Wesentliche Datengrundlage des DFG-Projekts bildeten geodätische GNSS-Messungen in West-Antarktika sowie Satellitenbeobachtungen. Die GNSS-Messungen konnten dabei nicht wie vorgesehen realisiert werden. Die Anfang 2015 geplante Polarstern-Fahrt PS90 musste aufgrund technischer Probleme verschoben werden und fand erst im Februar/März 2017 statt. Aus diesem Grund wurden zusätzlich GNSS-Messungen einbezogen, die während der 2016 realisierten Polarstern-Fahrt PS97 im Gebiet der Antarktischen Halbinsel gewonnen wurden. Die Auswertung der GNSS-Messungen erfolgte mittels differentieller Strategie und einer Realisierung des geodätischen Datums durch Anschluss an den globalen, terrestrischen Referenzrahmen IGS14. Somit konnten Koordinatenänderungen über einen Zeitraum von 20 Jahren für Stationen im Gebiet der Antarktischen Halbinsel und von ca. 10 Jahren im Gebiet des Amundsenmeeres abgeleitet werden. Die weitere Analyse konzentrierte sich auf das im Fokus des Antrags stehende Amundsenmeer-Gebiet. Hier wurden mit bis zu 62 mm/a vertikale Deformationsraten gemessen, die weltweit die höchsten Werte darstellen, die bisher für glazial induzierte Krustendeformationen erhalten wurden. Die erhaltenen GNSS-Raten wurden um den Effekt der instantanen elastischen Deformation reduziert. Dazu wurden satellitenaltimetrisch gewonnene Höhenänderungen in Eismassenänderungen transformiert, und zwar für den Zeitraum 2006-2010 aus Daten der Missionen Envisat und ICESat, und für den Zeitraum 2010-2017 aus CryoSat-2-Daten. Die elastische Deformation wurde nachfolgend sowohl für die vertikale als auch die horizontalen Komponenten berechnet. Sie erreicht in der vertikalen Komponente eine Größenordnung von 20 bis 30% der totalen Deformation und ein Maximum von ca. 17 mm/a in der Region Mt. Murphy / Smith-Gletscher. Hier spiegelt sich die Intensität des rezenten Eismassenverlusts wider, die in der genannten Region im Zeitraum 2010-2017 sogar eine Verstärkung erfährt. Die um die (sofortige) elastische Krustendeformation reduzierten GNSS-Raten können als Messung des GIA-Effekts interpretiert werden. Mit 44,5 mm/a am GNSS-Punkt MURP (Mt. Murphy) wird global die höchste jemals gemessene GIA-Rate erreicht. Allerdings zeigt sich, dass sowohl aktuelle GIA-Modelle als auch Modelle, die aus der inversen Schätzung auf Grundlage von Satellitengravimetrie und –altimetrie basieren, die Hebungsraten im Amundsenmeer-Gebiet beträchtlich unterschätzen. Unsere Ergebnisse, insbesondere die großen Gradienten der vertikalen Deformation von ca. 10 mm/a pro 100 km im Gebiet der Pine-Island-Bucht und von ca. 25 mm/a pro 100 km in der Region Mt. Murphy / Smith-Gletscher, lassen auf eine effektive elastische Lithosphärenmächtigkeit schließen, die wahrscheinlich noch geringer ist als die in einer von Barletta et al. 2018 publizierten GIA-Modellierung erhaltenen Mächtigkeit von 60 km. Ebenso steht die Rheologie in Diskussion, da niedrige Werte der Viskosität des oberen Mantels (1018 bis 1019 Pa s) Relaxationszeiten von Dekaden bis zu einem Jahrhundert entsprechen. Für die Ableitung einer adäquat zeitlich aufgelösten, realistischen Eisauflastgeschichte im Amundsenmeer-Gebiet während des Holozäns und vor allem seit der kleinen Eiszeit besteht allerdings noch erheblicher Forschungsbedarf. Die von uns bestimmten Deformationsraten liefern damit Randbedingungen, um erweiterte Modellierungsansätze zu testen. Dazu gehört die Anwendung des erweiterten Burger-Modells (anstatt des klassischen Maxwell-Modells), um die Abhängigkeit der Materialeigenschaften (Rheologie der festen Erde) von der Dauer der Eisauflast einzubeziehen. Erste Tests zeigen, dass damit rapide verlaufende Krustendeformationen aufgrund von Eismassenänderungen auf kurzen Zeitskalen, wie sie im Amundsenmeer-Gebiet auftreten, erklärt werden können.
Publications
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(2017): Repeated GNSS Measurements in the Amundsen Sea Region to Investigate Glacial Isostatic Adjustment and Ice-Shelf Dynamics, in: Gohl, K. (ed.) The Expedition PS104 of the Research Vessel Polarstern to the Amundsen Sea in 2017. Reports on Polar and Marine Research, 712. Alfred Wegener Institute
Scheinert, M., B. Ebermann
