Glaziale Isostasie und rezente Meeresspiegeländerung

Abstract

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.

This study is concerned with the influence of the glacial-isostatic adjustment caused by the last Pleistocene deglaciation on the present-day sea-level change. This change can be inferred both from satellite altimetry and from tide-gauge measurements. Using the altimetry satellites TOPEX/Poseidon and Jason, a global mean sea-level rise of 2.8 ± 0.4mma−1 was estimated (Cazenave & Nerem, 2004). In contrast to this, a global mean sea-level rise of 1.5 ± 0.5mma−1 was determined from selected tide-gauge records (Church, 2001). The comparison of the results of both methods demonstrates the geographical variations in the sea-level change. Moreover, there are large uncertainties regarding the individual contributions (e. g. thermo-steric and halio-steric change, melt-water budget, ground-water storage). In this study, a method is presented that reduces tide-gauge measurements for the influence of the last Pleistocene deglaciation. A model describing this influence must consider the viscoelastic relaxation (VR) due to the timevariable ice and ocean loads. This is achieved by the sea-level equation (MSG), which considers the vertical displacement, the geoid-height change and the melt-water contribution from the Pleistocene ice sheets for the calculation of the sea level. Due to this surface-mass redistribution, the earth rotation (RT) also changes and causes a variation in its centrifugal potential. This, in turn, gives rise to an additional geoid-height change, which must also be considered in the MSG. As theoretical description of the VR, is used the spectral finite-element representation (SFER) developed by Martinec (2000) for a spherical, self-gravitating, incompressible, Maxwell-viscoelastic continuum. The governing field equations are given in the weak formulation, where the angular dependence is represented by spherical harmonics and the radial dependence by finite elements. The main advantage of the SFER is that the equations are solved in the time domain. This simplifies the implementation of the MSG in comparison with Laplace-transform methods. Similarly, the RT is described in the time domain using the Liouville equation, which is solved in terms of the MacCullagh formulae. This allows the determination of the vertical displacement and geoid-height change and, thus, the solution of the MSG. For the numerical calculation, it is necessary to prescribe the earth and ice models. The used radially symmetric earth models are parameterized by density, shear modulus and viscosity. The density and shear modulus are approximated by polynomials according to PREM (Dziewonski & Anderson, 1981). For the parameterization of the viscosity, four models are tested. Furthermore, three ice models are used. To evaluate the earth and ice models, observables independent of tide-gauge measurements are required. For this, palaeontological and geological indications (e. g. shells, whale bones, isolation basins) of the former sea level are used, where each sample is dated and related to today’s sea level. These observables are called sea-level indicators (SLI). Comparing the calculated and observed sea-level changes for the locations and times of the individual SLI then enables to choose optimum combinations of earth and ice models. The tide-gauge time series are taken from the PSMSL3 data base. The time series selected cover at least 45 a and are only weakly influenced by processes other than glacial isostasy (e. g. tectonically or anthropogenically induced vertical displacements, air-pressure variations or hydrodynamic effects). For these time series, linear trends are estimated from the monthly mean values. The previously determined optimum combinations of earth and ice models are then used to predict the influence of the Pleistocene ice-sheet evolution on present-day sea-level change and to reduce the estimated linear trends for this contribution. A comparison with the unreduced linear trends shows a significant reduction of the variance and geographical variability of the reduced linear trends, in particular in the formerly ice-covered regions of North America and Scandinavia. Tests using a fixed time interval of 70 a for the tide-gauge time series or using regional groupings of the tide-gauge stations indicate only a weak dependence of the reduced global mean sea-level rise on the time interval or the grouping. The favoured value of the reduced global mean sea-level rise determined in this study is 1.46 ± 0.2mma−1.