Änderungen der Eisdynamiken und Gletschermassenbilanzen auf der nördlichen Antarktischen Halbinsel abgeleitet aus Fernerkundungsdaten

The climate system of our planet has undergone significant changes since the beginning of industrialization and the global average surface temperature has risen by 0.74±0.18°C per century. The cryosphere plays an important role in the global climate system. It shows considerable changes in response to climatic variations. Large amounts of water are stored in the glaciers and ice sheets. However, the changes in climatic conditions lead to shrinkage of the ice masses, resulting in a contribution to the global sea level rise. The Antarctic Ice Sheet has shown significant changes in the last century and major ice mass loss was reported in West Antarctica and along the Antarctic Peninsula. The Antarctic Peninsula is a hotspot of global warming and is affected by dramatic climatic and glaciological changes. A strong temperature increase was observed in the 20th century. Along the peninsula numerous ice shelves have retreated considerably or even disintegrated within the last decades. The recession or break-up of the ice shelves has led to a reduced buttressing of the tributary glaciers. Consequently, the ice flow of former tributaries has accelerated, resulting in increased mass discharge. Widespread recession of tidewater glaciers was also reported along the Antarctic Peninsula, and surface lowering and speed-up of the outlet glaciers was found on the west coast. Since the 1960s, an increasing amount of spaceborne remote sensing data has been acquired worldwide. Field observations in polar regions are expensive, laborious and usually temporally and spatially limited. Thus, remote sensing data facilitates the spatially extended investigation of the large polar ice sheets, especially in inaccessible areas, complementary to field campaigns. Numerous methods have been developed in order to analyze the changes of glaciers and ice sheets based on remote sensing data. The Antarctic Peninsula has difficult terrain and is frequently covered by clouds. Hence, radar remote sensing is an ideal tool to investigate this region, since the radar signal penetrates through clouds. In 1991, the European Remote Sensing satellite mission was launched by the European Space Agency, and has frequently acquired radar remote sensing data of the polar regions. This was followed by more radar satellite missions. On the north eastern Antarctic Peninsula, the Larsen-A and Prince-Gustav ice shelves disintegrated in the 1990s. Thus, the available radar remote sensing time series allows us to observe these events and the resulting long-term impacts on the tributary glaciers in detail. Two comprehensive studies were performed in order to investigate the glaciers' response to ice shelf decay; the first was conducted at the Dinsmoor-Bombardier-Edgeworth (DBE) glacier system, former tributaries of the Larsen-A Ice Shelf and the second was conducted at the Sjögren Inlet glaciers, former tributaries of the Prince-Gustav Ice Shelf. Detailed time series of glacier flow speed, surface elevation change, frontal retreat and ice discharge were derived from various satellite datasets. Moreover, glacier mass balances were determined for different time periods and by applying different methods and assumptions. The tributaries showed a strong acceleration of ice flow (up to 8.8 m/d at DBE) and fast ice front recession after the ice shelf break-up, followed by a slowdown and stabilization or re-advance of the calving front. An exponential surface lowering trend was obtained for the DBE glacier system, amounting to 130±15 m in the time period 1995- 2014, whereas the Sjögren Inlet glaciers revealed nearly linear trends of 68±10 m on average. Highly negative mass balances were found in the first years after ice shelf collapse (DBE: -4.86±0.49 Gt/a in 1995-2003; Sjögren Inlet: −1.16 ± 0.38 Gt/a in 1993-2001), which decreased towards recent years (DBE: -0.17±0.15 Gt/a in 2003-2014; Sjögren Inlet: −0.54 ± 0.13 Gt/a in 2012-2014). However, the glaciers still showed increased flow speeds as well as considerable mass loss and surface lowering rates in 2014, about 20 years after ice shelf removal. Variations in the timing and intensity of the glaciers response to similar forcing were attributed to differences in the fjord and glacier geometries. Numerous ice shelves around Antarctica are thinning and retreating. Thus, projections of the reaction of tributaries to potential ice shelf break-up need detailed information about the ongoing processes. Therefore, the obtained results provide a consistent long-term database of the dynamic adjustments of tributary glaciers to ice shelf disintegration. In a third study, glacier changes since 1985 along the west and east side of the northern Antarctic Peninsula were investigated. Temporally detailed time series analysis of ice velocities and ice front positions were performed at 74 glacier basins north of 65°S. The information obtained on changes in ice dynamics were discussed for sub-regions and linked with atmospheric, oceanic and glaciological conditions. For instance, glaciers affected by ice shelf disintegration showed similar variations and the termini of all basins along the east coast retreated. On the west side, the temporal trends did not indicate a clear change pattern. However, the observed variations in ice dynamics could be correlated with the geometric parameters of the individual basins by applying a cluster analysis. Moreover, glacier mass balance of the study site was computed for two epochs. On the east coast negative mass balances in the 1990s and a nearly balanced state in the period 2010-2014 were found. In contrast, very high accumulation rates were obtained along the west side, resulting in positive mass balances. Hence, the recent mass balance of the northern Antarctic Peninsula is estimated to be close to equilibrium or even positive, depending on the applied ice thickness and climatic mass balance scenario. Area, flow speed and surface elevation changes can be determined at good quality from remote sensing data. However, the performed studies indicate that the climatic mass balance and ice thickness information are the major sources of uncertainty in imbalance computations on the Antarctic Peninsula. Observations of both are very sparse on the Antarctic Peninsula due to the harsh conditions found there. Computer models already provide good and region-wide information, but their spatial resolution and accuracies are limited. Therefore, more observations and knowledge of the ongoing processes are necessary in order to validate and further improve the current models and mass balance estimates.Das Klima auf unserer Erde hat sich seit Beginn der Industrialisierung signifikant verändert und die durchschnittliche globale Oberflächentemperatur ist um 0,74 ± 0,18 ° C pro Jahrhundert gestiegen. Die Kryosphäre spielt eine wichtige Rolle im globalen Klimasystem und zeigt deutliche Reaktionen auf den Klimawandel. Große Mengen an Wasser sind in den Gletschern und Eisschilden gespeichert. Allerdings führen die klimatischen Veränderungen zu einem Rückgang der Eismassen, und tragen somit zum globalen Meeresspiegelanstieg bei. Innerhalb des letzten Jahrhunderts zeigte das antarktische Eisschild deutliche Massenänderungen, wobei die größten Eismassenverluste in der Westantarktis und entlang der Antarktischen Halbinsel beobachtet wurden. Die Antarktische Halbinsel ist ein Brennpunkt der globalen Erwärmung mit dramatischen klimatischen und glaziologischen Veränderungen. Im 20. Jahrhundert wurde ein weltweit überdurchschnittlicher Temperaturanstieg beobachtet und zahlreiche Schelfeise entlang der Antarktischen Halbinsel zogen sich stark zurück oder lösten sich in den letzten Jahrzehnten ganz auf. Der Rückgang und Aufbruch der Schelfeise führte zu einer reduzierten Abstützung der Zuflussgletscher. In Folge dessen beschleunigten die ehemaligen Zuflussgletscher, wodurch es zu erhöhtem Eismassenabfluß kam. Auch die direkt ins Meer kalbenden Gletscher zogen sich im vergangenen Jahrhundert entlang der Antarktischen Halbinsel zurück. An der Westküste kam es zu Höhenabnahmen und Beschleunigungen der Gletscher. Seit den 1960er Jahren wird eine große Menge verschiedenster Satelliten-Fernerkundungsdaten aufgezeichnet. Feldbeobachtungen in den Polarregionen sind teuer, aufwendig und in der Regel zeitlich und räumlich begrenzt. Folglich erleichtert die Analyse von Fernerkundungsdaten die räumlich ausgedehnte Untersuchung der polaren Eismassen, vor allem in schwer zugänglichen Gebieten, und bietet eine ideale Ergänzung zu Feldmessungen. Zahlreiche Methoden wurden entwickelt um die Veränderungen der Gletscher und Eisschilde mittels Fernerkundungsdaten zu analysieren. Die Antarktische Halbinsel ist in weiten Teilen nur sehr schwer zugänglich und zudem häufig von Wolken bedeckt. Daher ist die Radar-Fernerkundung ein ideales Werkzeug um diese Region zu untersuchen, da das Radarsignal die Wolkendecke durchdringt. Im Jahr 1991 wurde die European Remote Sensing Satellitenmission der Europäischen Weltraumagentur gestartet, welche eine Vielzahl an Radarfernerkundungsdaten der Polarregionen lieferte. Mehrere Radarsatellitenmissionen folgten. Im Nordosten der Antarktischen Halbinsel zerfielen das Larsen-A und Prinz-Gustav Schelfeis in den 1990er Jahren. Somit bieten die verfügbaren Radarfernerkundungsdaten eine sehr gute Datenbasis um diese Schelfeisaufbrüche und die daraus resultierenden langfristigen Auswirkungen auf die Zuflussgletscher zu analysieren. Zwei umfassende Studien wurden durchgeführt um die Reaktionen der Gletscher auf Schelfeisaufbrüche zu untersuchen. Die erste Studie wurde am Dinsmoor-Bombardier-Edgeworth (DBE) Gletschersystem, ehemalige Zuflüsse des Larsen-A Schelfeises, durchgeführt und die zweite Studie an den Sjögren Inlet Gletschern, ehemalige Zuflüsse des Prinz-Gustav Schelfeises. Detaillierte Zeitreihen von Gletscherfließgeschwindigkeiten, Oberflächenhöhenänderungen, Rückzug der Eisfront Satellitendatensätzen unterschiedliche und des abgeleitet. Zeiträume Eismassenabflusses Darüber und unter hinaus der sind die Verwendung wurden aus verschiedenen Gletschermassenbilanzen verschiedener Methoden für und Randbedingungen bestimmt worden. Die Zuflussgletscher zeigten eine starke Beschleunigung (auf bis zu 8,8m/d am DBE) und einen rapiden Rückzug der Gletscherzungen als unmittelbare Folgen des Schelfeisaufbruchs. Anschließend kam es jedoch zu einem Rückgang der Fließgeschwindigkeiten und Stabilisierung oder Wiedervorstoßen der Gletscherzuge. Ein exponentieller zeitlicher Verlauf der Höhenänderung wurde am DBE Gletschersystem beobachtet, mit einer Gesamthöhenabnahme von 130±15m im Zeitraum 1995-2014. Die Gletscher im Sjögren Inlet hingegen zeigten fast lineare Höhenänderungstrends von durchschnittlich -68±10m zwischen 1993 und 2014. In den ersten Jahren nach den Aufbrüchen der Schelfeise wurden stark negative Massenbilanzen beobachtet (DBE: -4,86±0,49Gt/a im Zeitraum 1995-2003; Sjögren Inlet: -1,16±0,38Gt/a im Zeitraum 1993-2001), welche in den letzten Jahren deutlich zurückgegangen sind (DBE: -0,17±0,15Gt/a im Zeitraum 2003-2014; Sjögren Inlet: -0,54±0,13Gt/a im Zeitraum 2012-2014). Jedoch zeigten die Gletscher im Jahr 2014, etwa 20 Jahre nach den Schelfeisaufbrüchen, immer noch erhöhte Fließgeschwindigkeiten, sowie erhebliche Massenverluste und Höhenabnahmen. Die Unterschiede im zeitlichen Ablauf und in der Intensität der Reaktionen der Gletscher auf die Schelfeisaufbrüche sind Unterschieden in der Fjord- und Gletschergeometrien zugeordnet worden. Zahlreiche Schelfeise in der Antarktis ziehen sich zurück und verlieren an Eisdicke. Für Prognosen von Zuflussgletscherreaktionen auf potenzielle Schelfeisaufbrüche werden detaillierte Informationen der ablaufenden Prozesse benötigt. Somit bieten die gewonnenen Ergebnisse eine konsistente Datenbank mit Informationen über die dynamischen, langfristigen Reaktionen von Zuflussgletschern auf Schelfeisaufbrüche. In einer dritten Studie wurden die Gletscheränderungen seit 1985 entlang der West- und Ostseite der nördlichen Antarktischen Halbinsel untersucht. Detaillierte Zeitreihenanalysen von Fließgeschwindigkeiten und Kalbungsfront-Positionen wurden nördlich von 65°S an 74 Gletschern durchgeführt. Die gewonnenen Informationen über Veränderungen in den Eisdynamiken sind mit atmosphärischen, ozeanischen und glaziologischen Variationen korreliert und für einzelne Subregionen diskutiert worden. Die vom Zerfall der Schelfeise betroffenen Gletscher zeigten weitgehend ähnliche Veränderungen und alle Gletscher entlang der Ostküste zogen sich zurück. Auf der Westseite zeigten die zeitlichen Trends der Eisdynamiken keine eindeutigen Muster. Jedoch konnten die beobachteten Änderungen der Eisdynamiken mit geometrischen Parametern der einzelnen Gletscherbecken durch Anwenden einer Clusteranalyse korreliert werden. Weiterhin wurde die Gletschermassenbilanz des Untersuchungsgebietes für zwei Zeitabschnitte berechnet. An der Ostküste sind deutlich negative Massenbilanzen in den 1990er Jahren und nahezu ausgeglichene Massenbilanzen in der Periode 2010-2014 gefunden worden. Im Gegensatz hierzu wurden entlang der Westseite sehr hohe Akkumulationsraten beobachtet, welche zu positiven Massenbilanzen führten. Somit ergibt sich eine ausgeglichene oder sogar positive Massenbilanz für die nördliche Antarktische Halbinsel im Zeitraum 2010-2014, je nach verwendetem Eisdicken- und Akkumulationsszenario. Änderungen der Gletscherausdehnung, Fließgeschwindigkeit und Oberflächenhöhe können mittels Fernerkundungsdaten mit guter Qualität bestimmt werden. Allerdings heben die durchgeführten Studien hervor, dass die klimatischen Massenbilanz- und Eisdickeninformationen die größten Fehlerquellen bei Bilanzierungen der Eismassenänderungen auf der Antarktischen Halbinsel sind. Messungen beider Variablen sind aufgrund der harschen Bedingungen auf der Antarktischen Halbinsel sehr spärlich. Computermodelle liefern zwar bereits gute und flächendeckende Datensätze, aber ihre räumliche Auflösung und Genauigkeit sind begrenzt. Daher sind weitere Beobachtungen und Erkenntnisse über die ablaufenden Prozesse notwendig, um die aktuellen Modelle und Massenbilanzschätzungen zu bestätigen und weiter zu verbessern