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Variability of the recent accumulation rate in coastal Dronning Maud Land, Antarctica [Elektronische Ressource] / von Helgard Anschütz

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Publié le 01 janvier 2006
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Langue Deutsch
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Variability of the recent accumulation rate
in coastal Dronning Maud Land, Antarctica
Dissertation zur Erlangung des Grades Dr. rer. nat.
vorgelegt dem Fachbereich Geowissenschaften
der Universita¨t Bremen
von
¨HELGARD ANSCHUTZ
Alfred-Wegener-Institut fu¨r Polar- und Meeresforschung
Bremerhaven
12. Dezember 2006Name: Helgard Anschu¨tz Datum: 12. 12. 2006
Anschrift: Sommerstr. 29
28215 Bremen
¨ERKLARUNG
Hiermit versichere ich, daß ich
1. die Arbeit ohne unerlaubte fremde Hilfe angefertigt habe,
2. keine anderen als die von mir angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe und
3. die den benutzten Werken wo¨rtlich oder inhaltlich entnommenen Stellen als solche kenntlich
gemacht habe.
Bremen, den Helgard Anschu¨tzNE DUBITA, CUM PETES MAGNA, IMPENDERE PARVA.
M. Porcius Cato maiorContents
Kurzfassung iii
Abstract v
1 Introduction 1
1.1 Antarctica and its mass balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Mass balance and surface-mass balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1 Influences on surface-mass balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.2 Overview of measurement methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Large-scale estimates of (surface-)mass balance . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1 Recent estimates of Antarctic surface-mass balance . . . . . . . . . . . 6
1.3.2 Uncertainties and implications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 Satellite-based approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.1 Determination of ice-mass changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.2 Results and uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4.3 The VISA project and this study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2 Area of investigation 13
3 Methods 17
3.1 GPR and GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1.1 Application of GPR in glaciology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.1.2 GPR: Data aquisition and processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.3 GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.4 Combining GPR and GPS data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2 Firn cores and snow pits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3 Combination of GPR and firn-core data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.3.1 Conversion of radar layers to depth and cumulative mass . . . . . . . . 25
3.3.2 Origin of reflecting layers in radargrams . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3.3 Accumulation rates along GPR profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
i4 Scope of papers 31
5 PAPER I 33
6 PAPER II 45
7 PAPER III 59
8 Summary and outlook 71
Acknowledgements 75
Bibliography 77
iiKurzfassung
¨Im Hinblick auf mo¨gliche zuku¨nftige Anderungen des Meeresspiegels sind Untersuchungen
der Oberfla¨chenmassenbilanz der polaren Eisschilde zu einem zentralen Punkt glaziologischer
Forschung geworden. Dennoch ist die Massenbilanz des antarktischen Eisschildes nicht hin-
reichend genau bekannt, wodurch sich große Unsicherheiten in der Abscha¨tzung des Meer-
esspiegelanstiegs im 21. Jahrhundert ergeben. Die vorliegende Arbeit leistet einen wichtigen
Beitrag durch die Analyse neuer Daten von Schneeakkumulation und stellt neue Erkenntnisse
u¨ber lokale Effekte vor, die die Akkumulationsverteilung beeinflussen. Ziel der Arbeit ist es,
ein umfassendes Bild der ra¨umlichen Verteilung der Akkumulation auf der Skala von einigen
zehn Kilometern zu erhalten, sowie von zeitlichen Variationen sowohl auf ja¨hrlicher als auch
auf dekadischer Skala. Zu diesem Zwecke wurde Profile mit einem hochfrequenten Boden-
radar gemessen und flache Firnkerne erbohrt. Das Untersuchungsgebiet konzentriert sich auf
die gegru¨ndeten Ku¨stengebiete des Dronning Maud Landes in der Ostantarktis, die zugleich im
Mittelpunkt neuer Satellitenmissionen stehen. Gerade die Ku¨stengebiete reagieren empfindlich
auf globale Klimavera¨nderungen, jedoch ist ihre Akkumulationsrate auf lokaler und regionaler
Skala bislang nicht sehr gut durch globale Zirkulationsmodelle oder regionale Klimamodelle
repra¨sentiert. Daher sind Feldmessungen der Akkumulation von entscheidender Bedeutung.
Die Akkumulationsraten auf dem Potsdamgletscher im ku¨stennahen Bereich des zentralen
Dronning Maud Landes weisen ein undulierendes Muster und eine hohe ra¨umliche Variabilita¨t
−2 −1auf: Die einfache Standardabweichung betra¨gt nahezu 50 % des Mittelwertes von 140 kg m a
fu¨r den Zeitraum von 1970–2004. Die zeitlichen Variationen auf der Zeitskala von Dekaden be-
tragen lediglich einige Prozent, abgeleitet aus den gebietsweiten Mittelwerten der Akkumu-
lationsraten. Ja¨hrliche Schwankungen der Akkumulationsrate fallen deutlich ho¨her aus, da
die Firnkernanalysen Standardabweichungen von 30–40 % des Mittelwertes der Akkumula-
tion fu¨r die jeweiligen Kerne aufweisen. Eine statistische Analyse der ra¨umlichen Akkumula-
tionsverteilung macht die hohe Periodizita¨t des Akkumulationsmusters mit Wellenla¨ngen von
5 km und Amplituden von 10 m deutlich. Dies la¨sst den Schluss zu, daß die hier beobachtete
Akkumulationsverteilung derjenigen gleicht, wie sie von den Megadu¨nen auf dem ostanta-
rktischen Plateau bekannt ist, auch wenn die Du¨nen auf dem Potsdamgletscher weder die
ra¨umliche Ausdehnung noch die extreme Morphologie der Megadu¨nen aufweisen. Analog zu
iiiden Megadu¨nen la¨sst sich die Entstehung der auf dem Potsdamgletscher beobachteten Struk-
turen sehr wahrscheinlich durch ein spezielles Ru¨ckkopplungssystem zwischen Atmospha¨re
und Kryospha¨re erkla¨ren. Das Auftreten von du¨nenartigen Undulationen wie die in dieser Ar-
beit diskutierten ist von Bedeutung fu¨r Firnkernbohrungen in ku¨stennahen Gebieten sowie fu¨r
die Fernerkundung von Eismassena¨nderungen.
Das zweite Untersuchungsgebiet im westlichen Dronning Maud Land, in der Na¨he der Kot-
tasberge am Fusse des polaren Plateaus, weist eine geringere ra¨umliche Variabilita¨t der Akku-
mulationsrate auf. Hier betra¨gt die Standardabweichung lediglich 5–10 % des Mittelwertes
−2 −1von 190 kg m a (1980–2005). Allerdings sind in diesem Gebiet die zeitlichen Variatio-
nen ho¨her, sei zeigen Werte von 16 % auf dekadischer Skala, abgeleitet aus den Mittelwerten
der Akkumulation im Untersuchungsgebiet. Die ja¨hrlichen Schwankungen betragen wie auf
dem Potsdamgletscher ca. 30 %, wie sich aus der Firnkernanalyse ergibt. Der Vergleich von
ra¨umlichen und zeitlichen Variationen entlang eines Radarprofils auf einer Gletscherfließlinie
macht eine schwache Korrelation deutlich, wie sie ebenfalls auf dem Potsdamgletscher zu
beobachten ist. Dieses Ergebnis deutet an, daß die zeitlichen Differenzen der Akkumulation-
srate auf der Skala von einigen zehn Jahren dort am gro¨ssten sind, wo auch die ra¨umlichen
Differenzen auf der Skala von einigen 100 Metern bis zu wenigen Kilometern ein Maximum
aufweisen.
Die hier vorgestellten Ergebnisse sind wichtig fu¨r die Validierung von Eismassena¨nderungen,
die aus Satellitendaten abgescha¨tzt werden und die daher u¨ber mehrere 100 Kilometer gemittelt
sind und somit keine kleinra¨umlichen Einflu¨sse erfassen. Deutliche ra¨umliche Variationen in
der Akkumulationsrate wie diejenigen auf dem Potsdamgletscher beeinflussen sehr wahrschein-
lich das Schweresignal z.B. der Satellitenmission GRACE. Dies zeigt die Notwendigkeit der
Validierung von Satellitendaten mit bodengestu¨tzten Messungen, wie sie in dieser Arbeit disku-
tiert werden.