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 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 den GIA Effekt verursacht.
Referenzen:
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. GFZpublic | doi.org/10.5194/tc-7-1499-2013 | PDF |
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. | GFZpublic | doi.org/10.1007/s00190-014-0787-8 | URI | PDF |
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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 Studien wie das BIFROST Projekt (Baseline Inferences for Fennoscandian Rebound Observations, Sea Level and Tectonics) beobachtet (Davis & members of BIFROST, 1996; Scherneck et al., 2003). Dagegen muss das Deformationssignal in der Antarktis in rezente Eisdickenänderungen und GIA bedingte Vertikalverschiebungen separiert werden.
Referenz:
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. | GFZpublic | doi.org/10.1093/gji/ggx368 | URI | PDF |
Derzeitige Projekte:
In den vormals vereisten Regionen bildet die Meeresspiegeländerung im Wesentlichen die Hebungsbewegung 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. In weiter entfernten Regionen wird das Verhalten durch die Änderung des globalen Meeresspiegels dominiert, die aber ebenfalls als Laständerung berücksichtigt werden muss. Um die Massenumverteilungen während des glazialen Zyklus zu quantifizieren, werden Rekonstruktionen des Meeresspiegels mit Hilfe von Meeresspiegelindikatoren validiert.
Referenz:
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. https://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. https://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. https://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. https://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.
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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
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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
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... d.h. die Bewegung des Massenzentrums der Erde gegenüber der gemittelten 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/a. 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. | GFZpublic | doi.org/10.1016/j.tecto.2009.08.031 | PDF
... 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 Trägheitsmoment in Richtung der Erdachse ab, dem sogenannten J2 Term, der zur Zeit zu einer Beschleunigung der Erde führt und somit die Tageslänge verkürzt (z.B. Nakada & Okuno, 2003). Der Einfluss von GIA wird durch andere Prozesse wie Mantelkonvektion und Massenumverteilungen an der Oberfläche sowie dem Druckfeld an der Kern-Mantel-Grenze überdeckt (z.B. Mitrovica & Vermeersen, 2002).
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, modellieren, wie die feste Erde auf Oberflächenauflasten reagiert, und berücksichtigen die gravitativ konsistente Kopplung, die die Antwort des Ozeans und somit Meeresspiegelvariationen mit einbezieht.
Referenz:
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. | GFZpublic | doi.org/10.2312/polfor.2016.005 | www.polarforschung.de/Inhalt/ | PDF |
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. | GFZpublic | doi.org/10.1007/s10712-013-9257-8 | URI |
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