Glazial isostatische Anpassung
Die glazial isostatische Anpassung (GIA) beschreibt, wie die Erde auf eine durch Eisschilde verursachte Belastung reagiert. Die noch heute andauernde Anpassung des Erdkörpers an die Umverteilung von Eis- und Wassermassen nach der letzten Eiszeit äußert sich in einer Reihe von Phänomenen. Diese werden untersucht, um die Ausdehnung und Mächtigkeit der früheren Eismassen abzuschätzen, den Meeresspiegel über einen glazialen Zyklus zu rekonstruieren sowie die rheologischen Eigenschaften der Erde, im Wesentlichen ihre Viskositätsstruktur, zu bestimmen.
Die Vereisungsphasen während eines Glazials zeichnen sich durch ein langsames Anwachsen der Eisschilde aus gefolgt von einem schnellen Abschmelzen. Jede Phase dauerte etwa 40,000 Jahre. Während der letzten 700,000 Jahre verlängerten sich die Phasen auf etwa 100,000 Jahre. Unterbrochen werden sie durch relativ kurze Warmzeiten, die sogenannten Interglazialen oder Zwischeneiszeiten, die nur wenige tausend Jahre dauern; in der letzten befinden wir uns gerade. Während des letzten Vereisungsmaximums vor etwa 21,000 Jahren speicherten die Eisschilde Nordamerikas, Skandinaviens und der Antarktis soviel Wasser, dass sich der Meeresspiegel global um etwa 120 m senkte. Diese Eislasten von mehreren km Mächtigkeit deformierten die Erde so stark, dass es in den vereisten Gebieten der Erdboden um mehrere hundert Metern gesenkt hatte. Zwischen 21,000 und 8,000 Jahren vor Heute schmolzen die Eisschilde, und der globale Meeresspiegel erreichte ungefähr seinen jetzigen Wert. Die feste Erde reagiert dagegen verzögert noch heute: Es fließt immer noch Mantelmaterial zurück, das während der Vereisung verdrängt worden war. Dies verursacht die bekannten Hebungsbewegungen in Nordschweden und dem Osten Kanadas, die einen Zentimeter pro Jahr erreichen.
... die als Verschiebung der Äquipotentialfläche des Schwerefeldes (des Geoids) beschrieben werden. Dieses isostatische Ungleichgewicht resultiert in den vormals vereisten Gebieten in einem niedrigen Geoid. Der Anpassungsprozess reduziert die Geoiddepression durch den Zufluss von Mantelmaterial. Ein prominentes Beispiel findet sich in Nordost-Kanada, wo das Geoid um etwa 40 m, abgesenkt ist und zeigt, dass sich nach dem Rückzug des Laurentinischen Eisschildes noch kein isostatisches Gleichgewicht eingestellt hat. Für dieses Gebiet muss man jedoch beachten, dass mindestens 50 Prozent auf eine Dichteanomalie und damit auf Mantelkonvektion zurückzuführen ist (e.g. Mitrovica & Vermeersen, 2002, Ice Sheets, Sea Level and the Dynamic Earth. American Geophysical Union, Washington). Heutige Änderungen in den Eisschilden dominieren dagegen durch ihre direkte Massenanziehung das Geoid, wohingegen die elastische Antwort der festen Erde vergleichbar gering ausfällt. In der Antarktis oder in Grönland werden damit die mit GRACE beobachteten Massenänderungen durch rezentes Abschmelzen sowie durch GIA verursacht.
Referenzen:
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Dobslaw, H., Bergmann, I., Dill, R., Forootan, E., Klemann, V., Kusche, J., Sasgen, I. (2015): The updated ESA Earth System Model for future gravity mission simulation studies. - Journal of Geodesy, 89, 5, p. 505-513. doi.org/10.1007/s00190-014-0787-8
Sasgen, I., Konrad, H., Ivins, E. R., van den Broeke, M. R., Bamber, J. L., Martinec, Z., Klemann, V. (2013): Antarctic ice-mass balance 2002 to 2011: regional re-analysis of GRACE satellite gravimetry measurements with improved estimate of glacial-isostatic adjustment. - The Cryosphere, 7, p. 1499-1512. doi.org/10.5194/tc-7-1499-2013
Derzeitige Projekte:
Beobachtbare Deformationen der Erdoberfläche sind in den vormals vereisten Gebieten am größten. Ein gut untersuchtes Beispiel stellt die Landhebung im nördlichen Skandinavien dar, ein Gebiet das während des letzten Vereisungsmaximums durch ein 2 bis 3 km mächtiges Eisschild belastet war. Die noch andauernde Hebungsbewegung mit Raten, die im ehemaligen Lastzentrum 8 mm/a erreichen, wird durch GPS im BIFROST Projekt (Baseline Inferences for Fennoscandian Rebound Observations, Sea Level and Tectonics) beobachtet (Davis & members of BIFROST, 1996; Scherneck et al., 2003). Aber auch heutige Eismassenänderungen führen zu Hebungsbewegungen, die als GIA aufgefasst werden können. Wichtig hierbei ist die Unterscheidung von direkten elastischen Belastungen und verzögert viskoelastischen, die vor allem in der Antarktis relevant ist. Darüber hinaus beeinflusst der heutige durch GIA verursachte Deformationszustand das Spannungsfeld in den vormals vereisten Regionen.
Referenz:
Erfani Jazi, Z., Motagh, M., Klemann, V. (2022): Inferring mass loss by measuring contemporaneous deformation around the Helheim Glacier, southeastern Greenland, using Sentinel-1 InSAR. - Remote Sensing, 14, 16, 3956.
https://doi.org/10.3390/rs14163956
Frick, M., Cacace, M., Klemann, V., Tarasov, L., Scheck-Wenderoth, M. (2022): Hydrogeologic and thermal effects of glaciations on the intracontinental basins in central and northern Europe. - Frontiers in Water, 4, 818469. https://doi.org/10.3389/frwa.2022.818469
Sasgen, I., Martín-Español, A., Horvath, A., Klemann, V., Petrie, E. J., Wouters, B., Horwath, M., Pail, R., Bamber, J. L., Clarke, P. J., Konrad, H., Drinkwater, M. R. (2017): Joint inversion estimate of regional glacial isostatic adjustment in Antarctica considering a lateral varying Earth structure (ESA STSE Project REGINA). - Geophysical Journal International, 211, 3, p. 1534-1553. doi.org/10.1093/gji/ggx368
Derzeitige Projekte:
... d.h. die Bewegung des Massenzentrums der Erde gegenüber der gemittelten Bewegung der Erdoberfläche. Der Beitrag von GIA verursacht eine Bewegung, die in Richtung Nordost-Amerika zeigt, je nach Erdstruktur liegt ihr Wert zwischen 0,1 und 1 mm pro Jahr. Dominiert wird die Bewegung des Geozentrums aber durch saisonale Schwankungen in den Massenumverteilungen zwischen Ozean, Hydrologie, Atmosphäre und innerhalb dieser Subsysteme.
Referenz:
Klemann, V., Martinec, Z. (2011): Contribution of glacial-isostatic adjustment to the geocenter motion. - Tectonophysics, 511, 3-4, p. 99-108. doi.org/10.1016/j.tecto.2009.08.031
... d.h. eine Bewegung der Rotationsachse bzgl. eines erdfesten Referenzsystems (Polbewegung) und eine Änderung ihrer Rotationsgeschwindigkeit (Tageslänge). Massenumverteilungen innerhalb der Erde und an ihrer Oberfläche verändern das Trägheitsmoment und verursachen die Polbewegung. Die Tageslänge hängt vom Hauptträgheitsmoment in Richtung der Erdachse ab, dem sogenannten J2 Term. Die Polbewegung wird durch die Eismassenumverteilung verursacht und führt zu einer weiteren Deformation, die ebenfalls die Polbewegung beiinflusst. Diese Rückkopplung führt zu einer mittleren Geschwindigkeit des Poles von einigen cm pro Jahr, die vom heutigen Nordpol aus gesehen in Richtung östliches Kanada weist. Die durch die Polbewegung verursachten viskoelastischen Deformationen müssen entsprechend in den geodätischen Beobachtungsgrößen wie auch im Meeresspiegel berücksichtigt werden. Die Bewegung wird durch weitere Prozesse wie Mantelkonvektion, heutige Massenumverteilungen an der Oberfläche sowie das Druckfeld an der Kern-Mantel-Grenze beiinflusst (z.B. Mitrovica & Vermeersen, 2002).
Referenzen:
Martinec, Z., Hagedoorn, J. (2014): The rotational feedback on linear-momentum balance in glacial isostatic adjustment. - Geophysical Journal International, 199, 3, 1823-1846.
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Martinec, Z., Hagedoorn, J. (2005): Time-domain approach to linearized rotational response of a three-dimensional viscoelastic earth model induced by glacial-isostatic adjustment: I. Inertia-tensor perturbations. - Geophysical Journal International, 163, 2, 443-462.
doi.org/10.1111/j.1365-246X.2005.02758.x
In den vormals vereisten Regionen bildet die heutige Meeresspiegeländerung im Wesentlichen die nacheiszeitliche Hebungsbewegung, d.h. die Deformation der Erdoberfläche ab, sodass es dort zu einer Absenkung des lokalen Meeresspiegels kommt. In den umliegenden Gebieten wie zum Beispiel den Niederlanden kommt es hingegen zu einem Anstieg des Meeresspiegels.
Eisschilde speichern große Mengen an Süßwasser. Jede Veränderung der Massenbilanz eines Eisschildes führt somit zu einer Veränderung des globalen Meeresspiegels. Während des letzten glazialen Maximums, während dessen große Eisschilde den Nordamerikanischen Kontinent und Skandinavien bedeckten, lag der global gemittelte Meeresspiegel somit um fast 130 m unter seinem heutigen Wert. Aber auch zu dieser Zeit führten die sich dadurch verändernde Ozeanlast und Rotationsschwankungen zu sich zeitlich und räumlich verändernden Meerespsiegelverteilungen, die auch heute noch zu einem typischen Pattern führen. Rekonstruktionen des Meeresspiegels mit Hilfe von geologischen Funden sogenannten Meeresspiegelindikatoren, sind eine wichtige Informationsquelle um sowohl die Eismassenänderungen während des glazialen Zyklusses zu quantifizieren als auch die Viskositätsverteilung im Erdinneren abzuschätzen.
Referenzen:
Schachtschneider, R., Saynisch-Wagner, J., Klemann, V., Bagge, M., Thomas, M. (2022): An approach for constraining mantle viscosities through assimilation of palaeo sea level data into a glacial isostatic adjustment model. - Nonlinear Processes in Geophysics, 29, 1, 53-75. doi.org/10.5194/npg-29-53-2022
Bagge, M., Klemann, V., Steinberger, B., Latinovic, M., Thomas, M. (2021): Glacial-isostatic adjustment models using geodynamically constrained 3D Earth structures. - Geochemistry Geophysics Geosystems (G3), 22, 11, e2021GC009853. doi.org/10.1029/2021GC009853
Rosentau, A., Klemann, V., Bennike, O., Steffen, H., Wehr, J., Latinovic, M., Bagge, M., Ojala, A., Berglund, M., Becher, G. P., Schoning, K., Hansson, A., Nielsen, L., Clemmensen, L. B., Hede, M. U., Kroon, A., Pejrup, M., Sander, L., Stattegger, K., Schwarzer, K., Lampe, R., Lampe, M., Uścinowicz, S., Bitinas, A., Grudzinska, I., Vassiljev, J., Nirgi, T., Kublitskiy, Y., Subetto, D. (2021): A Holocene relative sea-level database for the Baltic Sea. - Quaternary Science Reviews, 266, 107071. doi.org/10.1016/j.quascirev.2021.107071
Dobslaw, H., Dill, R., Bagge, M., Klemann, V., Boergens, E., Thomas, M., Dahle, C., Flechtner, F. (2020): Gravitationally consistent mean barystatic sea‐level rise from leakage‐corrected monthly GRACE data. - Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 125, 11, e2020JB020923. doi.org/10.1029/2020JB020923
Palmer, M. D., Gregory, J. M., Bagge, M., Calvert, D., Hagedoorn, J. M., Howard, T., Klemann, V., Lowe, J. A., Roberts, C. D., Slangen, A. B. A., Spada, G. (2020): Exploring the drivers of global and local sea‐level change over the 21st century and beyond. - Earth's Future, 8, 9, e2019EF001413. https://doi.org/10.1029/2019EF001413
Latinovic, M., Klemann, V., Irrgang, C., Bagge, M., von Specht, S., Thomas, M. (2018): A statistical method to validate reconstructions of late-glacial relative sea level – Application to shallow water shells rated as low-grade sea-level indicators. - Climate of the Past Discussions.
doi.org/10.5194/cp-2018-50
Martinec, Z., Klemann, V., van der Wal, W., Riva, R. E. M., Spada, G., Sun, Y., Melini, D., Kachuck, S. B., Barletta, V., Simon, K., James, T. S., G A (2018): A benchmark study of numerical implementations of the sea level equation in GIA modelling. - Geophysical Journal International, 215, 1, 389-414. https://doi.org/10.1093/gji/ggy280
Düsterhus, A., Rovere, A., Carlson, A. E., Barlow, N. L. M., Bradwell, T., Dutton, A., Gehrels, R., Hibbert, F. D., Hijma, M. P., Horton, B. P., Klemann, V., Kopp, R. E., Sivan, D., Tarasov, L., Törnqvist, T. E. (2016): Palaeo-sea-level and palaeo-ice-sheet databases: problems, strategies, and perspectives. - Climate of the Past, 12, p. 911-921. http://doi.org/10.5194/cp-12-911-2016
Klemann, V., Heim, B., Bauch, H. A., Wetterich, S., Opel, T. (2015): Sea-level evolution of the Laptev Sea and the East Siberian Sea since the last glacial maximum. - arktos, 1, 1, p. 1-8. doi.org/10.1007/s41063-015-0004-x
Derzeitige Projekte:
Die Dynamik des Klimas auf einer Zeitskala von zehntausenden Jahren wird von Änderungen der Eisschilde sowie des Meeresspiegels beeinflusst. Beide wirken als Last, die die feste Erde deformiert. Die Deformationen beeinflussen damit rückwirkend die klimarelevanten Oberflächenprozesse in der Atmosphäre (Änderungen der Topographie), im Ozean (Änderungen der Bathymetrie) und der Eisschilde (Änderungen des Meeresspiegels am Eisrand und der Grundgebirgstopographie).
Wir konzentrieren uns auf die numerische Modellierung der Eisschilddynamik als Reaktion auf Klimavariationen; wir modellieren, wie die feste Erde auf die Eismassenänderungen reagiert, und berücksichtigen die gravitativ konsistente Rückkopplung auf das Eisschild, die durch GIA beinflussten Meeresspiegelvariationen mit einbezieht.
GIA beeinflusst vor allem Prozesse in den Polarregionen, da ihr Einfluss auf die Eisschildynamik dominiert. Folgende Mechanismen sind von Relevanz:
Eisschild-Ozean:
Schelfeise sind an ihrer Unterseite in direktem Kontakt mit dem Wasser des Ozeans. Die Temperatur und Zirkulation des Wassers in der Schelfeiskaverne bestimmen die basalen Schmelzraten. Sie beeinflussen die Dicke des Schelfeises und damit die Position der Aufsetzlinie des Eises, welche einen großen Einfluss auf die Dynamik des angrenzenden gegründeten Eisschildes, seine Massenbilanz und damit die Höhe des globalen Meeresspiegels hat. Andererseits hat die Form der Schelfeiskaverne und die Postion der Aufsetzlinie ebenso wie die Menge des durch Schmelzen eingebrachten Süßwassers einen entscheidenen Einfluss auf die Zirkulation des Ozeans unter dem Schelfeis. Änderungen im Meeresspiegel durch lokale oder globale Prozesse veränden so die Größe der Kaverne was sich rückwirkend auf Eischilddynamik und Ozeanzirkulation auswirkt.
Eisschild-Atmosphäre:
Die Albedo der Eisoberfläche bestimmt wieviel Sonnenenergie reflecktiert wird. Staub, Algenbewuchs und die Charakteristik des Firns sind im wesentlichen durch atmosphärische Prozesse geprägt. Jahreszeitliche Änderungen in der Temperatur und im Wassertransport der Atmosphäre beeinflussen darüberhinaus durch Abschmelz- und Niederschlagsraten die Massenbilanz und die Dynamik des Eisschildes. Durch GIA verursachte Vertikalbewegungen der umgebenden Ozeanfläche sowie der Eisschildbasis, beeinflussen damit die Höhe des Eises bezüglich der Atmosphäre und damit das Niederschlagsregime. Eisschild-Ozean: Schelfeise sind an ihrer Unterseite in direktem Kontakt mit dem Wasser des Ozeans. Die Temperatur und Zirkulation des Wassers in der Schelfeiskaverne bestimmen die basalen Schmelzraten. Sie beeinflussen die Dicke des Schelfeises und damit die Position der Aufsetzlinie des Eises, welche einen großen Einfluss auf die Dynamik des angrenzenden gegründeten Eisschildes, seine Massenbilanz und damit die Höhe des globalen Meeresspiegels hat. Form und Andererseits hat die Form der Schelfeiskaverne und die Postion der Aufsetzlinie ebenso wie die Menge des durch Schmelzen eingebrachten Süßwassers einen entscheidenen Einfluss auf die Zirkulation des Ozeans unter dem Schelfeis. Änderungen im Meeresspiegel durch lokale oder globale Prozesse veränden so die Größe der Kaverne was sich wiederum Rückwirkend auf Eischilddynamik und Ozeanzirkulation auswirkt. Eisschild-Atmosphäre: Die Albedo der Eisoberfläche bestimmt wieviel Sonnenenergie reflecktiert wird. Staub, Algenbewuchs und die Charakteristik des Firns sind im wesentlichen durch atmosphärische Prozesse geprägt. Jahreszeitliche Änderungen in der Temperatur und im Wassertransport der Atmosphäre beeinflussen darüberhinaus durch Abschmelz- und Niederschlagsraten die Massenbilanz und die Dynamik des Eisschildes. Durch GIA verursachte Vertikalbewegungen der umgebenden Ozeanfläche sowie der Eisschildbasis, beeinflussen damit die Höhe des Eises bezüglich der Atmosphäre und damit das Niederschlagsregime.
GIA beeinflusst vor allem Prozesse in den Polarregionen. Ihr Einfluss auf die globale Verteilung des Meeresspiegels während eines glazialen Zyklus ist aber gleichermaßen relevant, da er das Trockenfallen von Kontinentalschelfen und den zeitlich sich ändernden Durchlass von Passagen wie der Beringstraße oder der Sundastraße kontrolliert, und damit die globale Ozeanzirkulation beeinflusst.
Referenzen:
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Albrecht, T., Bagge, M., Klemann, V. (2024): Feedback mechanisms controlling Antarctic glacial-cycle dynamics simulated with a coupled ice sheet–solid Earth model. - The Cryosphere, 18, 9, 4233-4255. doi.org/10.5194/tc-18-4233-2024
Höning, D., Willeit, M., Calov, R., Klemann, V., Bagge, M., Ganopolski, A. (2023): Multistability and Transient Response of the Greenland Ice Sheet to Anthropogenic CO2Emissions. - Geophysical Research Letters, 50, 6, e2022GL101827. doi.org/10.1029/2022GL101827
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Timmermann, R., Goeller, S. (2017): Response to Filchner–Ronne Ice Shelf cavity warming in a coupled ocean–ice sheet model – Part 1: the ocean perspective. - Ocean Science, 13, 765-776. https://doi.org/10.5194/os-13-765-2017
Konrad, H., Sasgen, I., Klemann, V., Thoma, M., Grosfeld, K., Martinec, Z. (2016): Sensitivity of grounding-line dynamics to viscoelastic deformation of the solid-earth in an idealized scenario. -Polarforschung, 85, 2, p. 89-99. doi.org/10.2312/polfor.2016.005 | www.polarforschung.de/Inhalt/
Konrad, H., Thoma, M., Sasgen, I., Klemann, V., Grosfeld, K., Barbi, D., Martinec, Z. (2014): The deformational response of a viscoelastic solid earth model coupled to a thermomechanical ice sheet model. - Surveys in Geophysics, 35, 6, p. 1441-1458. doi.org/10.1007/s10712-013-9257-8
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