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Glaziale Isostasie und rezente Meeresspiegeländerung
(2005) Hagedoorn, Jan M.; Wolf, Detlef (Prof. Dr. habil.)
Die vorliegende Untersuchung befaßt sich mit dem Einfluß des durch die letzte pleistozänen Enteisung hervorgerufenen glazial-isostatischen Ausgleichs auf die rezente Meeresspiegeländerung. Diese Änderung kann sowohl durch Satellitenaltimetrie als auch durch Pegelmessungen bestimmt werden. Mit Hilfe der Altimetrie-Satelliten TOPEX/Poseidon und Jason wurde ein globaler mittlerer Meeresspiegelanstieg von 2.8 ± 0.4mma−1 abgeschätzt (Cazenave & Nerem, 2004). Hingegen wurde aus ausgewählten Pegelaufzeichnungen ein mittlerer globaler Meeresspiegelanstieg von 1.5 ± 0.5mma−1 bestimmt (Church et al., 2001). Der Vergleich der Ergebnisse beider Methoden zeigt die geographischen Variationen der Meeresspiegeländerungen. Weiterhin bestehen große Unsicherheiten hinsichtlich der einzelnen Beiträge (z. B. thermosterische und haliosterische Änderung, Schmelzwasserbilanz, Grundwasserspeicherung). In der vorliegenden Untersuchung wird eine Methode präsentiert, die die Pegelmessungen hinsichtlich des Einflusses der letzten pleistozänen Enteisung reduziert. Ein Modell, das diesen Einfluß beschreibt, muß die viskoelastische Relaxation (VR) durch die zeitveränderlichen Eis- und Ozeanlasten berücksichtigen. Dies wird durch die Meeresspiegelgleichung (MSG) erreicht, die bei der Berechnung des Meeresspiegels die Vertikalverschiebung, die Geoidhöhenänderung und den Schmelzwasserbeitrag von den pleistozänen Eisschilden berücksichtigt. Infolge dieser Umverteilung der Oberflächenmassen verändert sich auch die Erdrotation (RT) und bewirkt eine Änderung des Zentrifugalpotentials. Dies wiederum verursacht eine zusätzliche Geoidhöhenänderung, die ebenfalls in der MSG berücksichtigt werden muß. Als theoretische Beschreibung der VR wird die von Martinec (2000) für ein sphärisches, selbstgravitierendes, inkompressibles, Maxwell-viskoelastisches Kontinuum entwickelte spektrale Finite-Elemente-Repräsentation (SFER) verwendet. Die bestimmenden Feldgleichungen werden in der schwachen Formulierung aufgestellt, wobei die Winkelabhängigkeit durch Kugelflächenfunktionen und die Radialabhängigkeit durch finite Elemente repräsentiert wird. Der Hauptvorteil der SFER ist, daß die Gleichungen im Zeitbereich gelöst werden. Dies vereinfacht die Implementierung der MSG im Vergleich zu Laplace-Transformationsmethoden. Ähnlich wird im Zeitbereich die RT durch die Liouville-Gleichung beschrieben, die mit Hilfe der MacCullagh-Formeln gelöst wird. Dies gestattet die Bestimmung der Vertikalverschiebung und Geoidhöhenänderung und damit die Lösung der MSG. Zur numerischen Berechnung ist es erforderlich, die Erd- und Eismodelle vorzugeben. Das verwendete radialsymmetrische Erdmodelle ist durch Dichte, Schermodul und die Viskosität parametrisiert. Die Dichte und der Schermodul werden durch Polynome gemäß PREM (Dziewonski & Anderson, 1981) approximiert. Zur Parametrisierung der Viskosität werden vier Modelle getestet. Weiterhin werden drei Eismodelle verwendet. Um die Erd- und Eismodelle zu bewerten, sind von den Pegelmessungen unabhängige Observable erforderlich. Hierzu werden paläontologische und geologische Hinweise (z. B. Muscheln, Walknochen, Isolationsbecken) auf den früheren Meeresspiegel herangezogen, wobei jede Probe datiert und auf den gegenwärtigen Meeresspiegel bezogen wird. Diese Observablen werden Meeresspiegel-Indikatoren (SLI) genannt. Ein Vergleich der berechneten und beobachteten Meeresspiegeländerungen für die Orte und Zeiten der einzelnen SLI gestattet dann, die optimalen Kombinationen von Erd- und Eismodell zu wählen. Die Pegelzeitreihen sind der Datenbank des PSMSL2 entnommen. Die ausgewählten Zeitreihen überdecken mindestens 45 a und sind nur schwach von anderen Prozessen als denen der glazialen Isostasie (z. B. tektonisch oder anthropogen bedingte Vertikalbewegungen, Luftdruckvariationen oder hydrodynamische Effekte) beeinflußt. Für diese Zeitreihen werden aus den monatlichen Mittelwerten lineare Trends abgeschätzt. Die zuvor bestimmten optimalen Kombinationen von Erd- und Eismodell werden dann verwendet, um den Einfluß der pleistozänen Eisschildevolution auf die rezente Meeresspiegeländerung vorherzusagen und die geschätzten linearen Trends hinsichtlich dieses Beitrags zu reduzieren. Ein Vergleich mit den unreduzierten linearen Trends zeigt eine signifikante Verringerung der Varianz und geographischen Variabilität der reduzierten linearen Trends, insbesondere in den früher eisbedeckten Gebieten Nordamerikas und Skandinaviens. Tests mit einem festen Zeitintervall von 70 a für die Pegelzeitreihen oder mit regionalen Gruppierungen der Pegelstationen zeigen nur eine schwache Abhängigkeit des reduzierten globalen mittleren Meeresspiegelanstiegs von dem Zeitintervall oder der Gruppierung. Der favorisierteWert des in dieser Untersuchung bestimmten reduzierten globalen mittleren Meeresspiegelanstiegs beträgt 1.46 ± 0.2mma−1.
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Materiell und lokal inkompressible viskoelastische Erdmodelle : Theorie und Anwendungen in der glazialen Isostasie
(2004) Thoma, Malte; Wolf, Detlef (Prof. Dr. habil.)
Die vorliegende Untersuchung beschäftigt sich mit glazial-isostatischen Ausgleichsvorgängen, wie sie in Island (rezentes Abschmelzen der Vatnajökull-Eiskappe) oder in Kanada und Fennoskandien (Abschmelzen der pleistozänen Eisschilde) beobachtet werden. Zur Berechnung des Ausgleichs wird ein mehrschichtiges sphärisches Erdmodell verwendet, dessen hydrostatischer Anfangszustand durch Auflasten gestört wird. Die viskoelastischen Materialeigenschaften des Erdinnern werden mit Hilfe der Maxwell-Rheologie simuliert. Weiterhin wird lokale Inkompressibilität vorausgesetzt, was eine konsistente Berücksichtigung der durch Selbstkompression bedingten Dichtezunahme mit der Tiefe gestattet. Nach Linearisierung und Laplace-Transformation der inkrementiellen Feldgleichungen ergibt sich für die Feldgrößen Verschiebung, Spannung und Gravitationsbeschleunigung ein gekoppeltes lineares Differentialgleichungssystem, das mit Hilfe der Kugelflächenfunktionsentwicklung analytisch gelöst wird. Nach einem numerischen Vergleich ebener und sphärischer Erdmodelle werden als Anwendung der Theorie die glazial-isostatischen Ausgleichsvorgänge in Island und Fennoskandien interpretiert. Für Fennoskandien ist es notwendig, neben der Eislast auch die gekoppelte Ozeanlast zu berücksichtigen. Hierzu werden verschiedene Näherungslösungen der "sea-level equation" präsentiert. Die wichtigsten Ergebnisse der Untersuchung lassen sich wie folgt zusammenfassen: * Bei der Interpretation glazial-isostatischer Beobachtungen führen ebene Erdmodelle nur zu befriedigenden Ergebnissen, wenn der Lastradius kleiner als 1500 km ist, das Erdmodell eine elastische Lithosphäre besitzt und die Beobachtungsorte in der Nähe des Lastzentrums liegen. Ist eine dieser Voraussetzungen nicht erfüllt, sollte ein sphärisches Erdmodell verwendet werden. * Die Interpretation des durch das Abschmelzen der Vatnajökull-Eiskappe hervorgerufenen rezenten Ausgleichsvorgangs (Landhebungsrate und Neigungsänderung) weist auf eine Lithosphärenmächtigkeit von 10 bis 20 km und eine Asthenosphärenviskosität von 5*10^16 bis 1*10^18 Pa s hin. * Der gravitative Einfluß des während einer Klimaerwärmung aus den vereisten Gebieten in die Ozeane abgeführten Schmelzwassers muß in die Interpretation des glazial-isostatischen Ausgleichs einbezogen werden. Die hiermit verbundene Lastumverteilung wird mit Hilfe der "sea-level equation" quantitativ beschrieben und numerisch bestimmt. * Zur Interpretation des Ausgleichsvorgangs in Fennoskandien werden die postglaziale Landhebung sowie die gegenwärtigen Raten der Landhebung, Neigungsänderung und Schwereänderung berücksichtigt. Die Modellierung ergibt Viskositäten des oberen und unteren Mantels von etwa 0.55*10^21 Pa s bzw. 1*10^21 Pa s, eine Lithosphärenmächtigkeit von 50 bis 80 km und eine maximale Eismächtigkeit von etwa 2000 m. Die Berücksichtung einer Asthenosphäre führt zu keiner nennenswert verbesserten Anpassung an die Beobachtungsdaten.