Ableitung glaziologischer Parameter aus Fernerkundungsdatenzeitreihen - Anwendungen an Gletschern in der Antarktis und im Karakorum

Global warming led to an increase of the global mean surface air temperature of ~ 1.0 °C from pre-industrial times to now. This strongly affects all components of the Earth’s system and the complex interactions between them. Glaciers, ice caps and ice sheets are sensitive indicators of these changes. The reduction of land ice masses, which are the world’s largest storages of freshwater, already has strong influence on human life on Earth today, but the influence is likely to increase in the future. This ranges from changes in seasonal freshwater availability over geomorphological hazards to global sea level rise, whereof the latter has already considerably accelerated during the last decades. Hence, monitoring and gaining a deep understanding of the behavior of glacial systems is of great importance. Space- and airborne remote sensing allows for regular monitoring of glaciological parameters over large and inaccessible areas. Modern satellite sensors like Sentinel-1 provide free and automatic access to global data at short repeat cycles. Using such data together with acquisitions from older missions, allows to generate long time series of glaciological parameters. Combining the resulting products with other measurements (e.g. climate data) reveals deep insights into driving factors, mechanisms and histories of glacier change. The main goal of this thesis is to investigate the potential of remote sensing and time series analysis for the quantification and understanding of glacier change. For this purpose, study areas with different characteristics in Antarctica and the Karakoram were selected. Glaciers in these areas were investigated using combinations of various glaciological products that were derived by using different remote sensing techniques and data. Time series of multi-spectral and radar (radio detecting and ranging) satellite imagery were used for mapping glacier fronts and surface structure. Glacier surface velocities were derived by means of intensity offset tracking techniques applied to dense, long time series of multi-mission SAR (Synthetic Aperture Radar) data. Interferometric SAR, laser altimetry and airborne lidar (light detection and ranging) data were employed to quantify ice surface elevation change. Spectral indices derived from multi-spectral satellite imagery time series allowed to map supraglacial lakes. Finally, grounding line (i.e. the boundary between grounded and floating ice) and pinning point positions (i.e. smaller bathymetric features, where the ice is locally grounded) of polar tidewater glaciers and ice sheets were located by means of differential SAR interferometry, differential range offset tracking, hydrostatic equilibrium from airborne ice thickness, as well as other data and methods. In a comprehensive review, remote sensing methods and data were critically evaluated regarding their suitability to derive grounding line and pinning point positions. Up to now, such a review did not exist in the literature. There is a considerable amount of techniques that substantially differ in the measured proxies, the accuracy achieved, the spatial coverage and the data used. Additionally, an inconsistent use of terminology in the literature may cause further confusion. A current tradeoff between accuracy and both spatial coverage and temporal resolution of the different techniques was identified. Moreover, data of the new Sentinel-1 mission has only been used in a few studies for estimating the grounding line position so far. Hence, the potential of Sentinel-1 for grounding line mapping was investigated. It was shown for the first time that Sentinel-1 data is suitable for a newish differential range offset tracking technique. At the Antarctic Peninsula several ice shelves like Wordie Ice Shelf disintegrated in the past, which led to acceleration and increased mass loss of their former tributary glaciers in response to the reduction in buttressing. However, how long these changes last, as well as how the current state of the tributary glaciers ~ 20 years after complete disappearance of Wordie Ice Shelf is, has been largely unknown. Furthermore, the current grounding line position was uncharted, as grounding line mapping is very challenging in this area. In this study, an unprecedentedly dense time series of multi-mission SAR surface velocities was related to information on ice surface elevation change, modelled bedrock and the hydrostatic equilibrium condition. It emerged that the ice shelf’s main tributary glacier (Fleming Glacier) had substantially accelerated by up to > 1.4 m d−1 between 2008 and 2011 and thinned by up to > 6 m a−1 between 2011 and 2014. This was caused by the loss in basal friction due to sudden ice unpinning and gradual grounding line retreat along the retrograde glacier bed, likely triggered by oceanic forcing. The study led to a new understanding of the recent changes at Wordie Bay. Similar to Fleming Glacier, Pine Island Glacier, one of the major outlet glaciers of the West Antarctic Ice Sheet, showed considerable acceleration and mass loss due to grounding line retreat in response to increased ocean temperatures in the past. In 2013 and 2015 two large calving events occurred, which led to a reorientation of the calving front. However, the exact mechanisms behind these events were not well known. Analyzing a unique combination of new multibeam bathymetry data of an area previously covered by the ice shelf and a dense time series of multi-mission satellite imagery revealed that a newly detected subglacial ridge underneath the floating ice tongue of Pine Island Glacier and the loss of a pinning point played an important role in controlling these and previous calving events. While Antarctic glaciers are mainly of interest due to their contribution to global sea level rise, glaciers in the Karakoram are important freshwater resources that are expected to be strongly affected if climate change proceeds. Although Baltoro Glacier is one of the largest glaciers in the Karakoram, little was known about differences in timing and magnitude of its (intra-)seasonal velocity variations and their causal mechanisms. Combining a dense and long multi-mission SAR velocity time series with remotely sensed time series on temperature, precipitation and supraglacial lake formation revealed complex interdependencies between winter precipitation, summer melt, supraglacial lakes, crevassing and glacier acceleration. Stronger summer accelerations in recent years with melt seasons warmer than average seem to be indirectly related to global warming. Furthermore, the study successfully demonstrated the viability of Sentinel-1 data for the derivation of glacier flow dynamics in high mountain regions. The studies conducted in this thesis demonstrated that combining time series of different multi-mission remote sensing data enables detailed insights into glacier dynamics and mechanisms of glacier change in both the polar ice sheets and high mountain areas. The recent Sentinel-1 mission opens up completely new perspectives for glaciological remote sensing, as it allows fully automatic monitoring of glaciological variables at global scales and at high temporal resolution. However, the studies also showed that accurate and repeat mapping of the grounding line is still problematic in some areas like the Antarctic Peninsula and the West Antarctic Ice Sheet. Hence, new SAR missions with longer wavelengths and very short repeat cycles are required, in order to enable precise and gapless monitoring of grounding lines at continental scales.Die globale Erwärmung führte zwischen vorindustrieller Zeit und heute zu einem Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur um ~ 1.0 °C. Dies hat starke Auswirkungen auf alle Erdsystemkomponenten und ihre komplexen Wechselwirkungen. Gletscher, Eiskappen und Eisschilde sind sensible Gradmesser dieser Veränderungen. Die Abnahme der Landeismassen, welche die weltweit größten Süßwasserspeicher darstellen, hat bereits einen starken Einfluss auf das menschliche Leben auf der Erde, der in Zukunft wahrscheinlich noch weiter zunehmen wird. Dies reicht von Veränderungen in der Süßwasserverfügbarkeit über glaziale Naturgefahren bis zum Anstieg des globalen Meeresspiegels, wobei sich letzterer in den vergangenen Dekaden bereits signifikant beschleunigt hat. Daher sind die Überwachung sowie ein tiefes Verständnis des Verhaltens glazialer Systeme von großer Wichtigkeit. Satelliten- und Flugzeugfernerkundung ermöglichen die regelmäßige Überwachung glaziologischer Parameter in großen und unzugänglichen Gebieten. Moderne Satellitensensoren wie z.B. Sentinel-1 erlauben einen kostenfreien und automatischen Zugang zu globalen Fernerkundungsdaten mit kurzen Wiederkehrraten. Werden solche Daten mit Aufnahmen älterer Missionen verknüpft, können lange Zeitreihen glaziologischer Parameter erstellt werden. Die Kombination dieser Produkte mit anderen Messungen (z.B. Klimadaten) ermöglicht tiefe Einblicke in die Antriebsfaktoren, Mechanismen und die Historie von Gletscherveränderungen. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Untersuchung des Potentials von Fernerkundungsdaten- und Zeitreihenanalysen für die Quantifizierung und das Verständnis von Gletscherveränderungen. Zu diesem Zweck wurden Untersuchungsgebiete mit unterschiedlichen Eigenschaften in der Antarktis und dem Karakorum ausgewählt. Gletscher in diesen Gebieten wurden anhand der Kombination mehrerer glaziologischer Produkte, welche aus unterschiedlichen Fernerkundungsdaten mithilfe verschiedener Techniken abgeleitet wurden, untersucht. Zeitreihen multispektraler und Radarsatellitendaten mit synthetischer Apertur (SAR) wurden zur Kartierung von Gletscherumrissen und Oberflächenstrukturen herangezogen. Gletscherfließgeschwindigkeiten wurden mittels Intensitätstrackingverfahren aus dichten, langen SAR-Zeitreihen unterschiedlicher Satellitenmissionen abgeleitet. Interferometrische SAR-Daten, Laser Altimetrie und flugzeuggestützte Lidar-Messungen (engl. light detection and ranging) wurden für die Quantifizierung von Eishöhenänderungen verwendet. Spektrale Indices, die aus multispektralen Satellitenaufnahmen abgeleitet wurden, ermöglichten die Kartierung supraglazialer Seen. Schließlich wurden Aufsetzlinien- (d.h. die Grenzen zwischen schwimmendem und nicht-schwimmendem Eis) und Aufsetzpunktpositionen (d.h. Bereiche, in denen schwimmendes Eis lokal aufsitzt) polarer Gezeitengletscher und Eisschilde mittels differentieller SAR-Interferometrie, differentiellen SAR Trackingverfahren, hydrostatischen Gleichgewichtsrechnungen aus flugzeuggestützen Eisdickenmessungen, sowie anderen Daten und Methoden abgeleitet. In einer umfassenden Studie wurden Fernerkundungsmethoden und -daten hinsichtlich ihrer Eignung zur Ermittlung von Aufsetzlinien- und Aufsetzpunktpositionen untersucht. Eine solche Studie existierte bis jetzt in der Literatur nicht. Es gibt eine beachtliche Anzahl an Methoden, die sich teilweise beträchtlich darin unterscheiden, welche Aufsetzlinienproxies sie messen, welche Genauigkeiten und räumlichen Abdeckungen erreicht werden und welche Daten sie nutzen. Zusätzlich beinhaltet der in der Literatur weit verbreitete uneinheitliche Gebrauch von Fachbegriffen weiteres Potential für Unklarheiten. Bezüglich der unterschiedlichen Fernerkundungstechniken wurde ein aktueller Zielkonflikt zwischen Messgenauigkeit, räumlicher Abdeckung und zeitlicher Auflösung identifiziert. Darüber hinaus wurden Daten der Sentinel-1 Mission bisher nur in wenigen Studien für die Bestimmung der Aufsetzlinie genutzt. Daher wurde das Potential der neuen Sentinel-1 Mission für die Aufsetzlinienkartierung untersucht. Hierbei wurde zum ersten Mal gezeigt, dass Sentinel-1 Daten auch für eine neue differenzielle Trackingtechnik geeignet sind. An der Antarktischen Halbinsel sind in der Vergangenheit mehrere Eisschelfe wie z.B. das Wordie Eisschelf zerfallen, was in Folge des daraus resultierenden Wegbruchs der ursprünglich durch die Eisschelfe ausgeübten Rückhaltekraft zu einer Beschleunigung und einem gesteigerten Massenverlust der ehemaligen Zuflussgletscher führte. Wie lange diese Veränderungen andauern und wie der aktuelle Zustand der Zuflussgletscher ~ 20 Jahren nach dem vollständigen Verschwinden des Wordie Eisschelfs ist, war größtenteils unbekannt. Darüber hinaus war die aktuelle Aufsetzlinienposition nicht erfasst, da die Kartierung der Aufsetzline in diesem Gebiet sehr schwierig ist. In dieser Studie wurde eine aus unterschiedlichen SAR Missionen erstellte Geschwindigkeits-zeitreihe von bis dahin beispielloser Dichte mit Informationen zu Eishöhenänderungen und Messungen des hydrostatischen Gleichgewichts verknüpft. Es stellte sich heraus, dass sich der Hauptzuflussgletscher (Fleming Gletscher) zwischen 2008 und 2011 um bis zu > 1.4 m d−1 beschleunigt, und zwischen 2011 und 2014 teilweise > 6 m a−1 an Höhe verloren hatte. Es konnte gezeigt werden, dass dies durch die verminderte basale Reibung aufgrund des Loslösens der Gletscherzunge von einem Aufsetzpunkt, sowie einem graduellen Rückzug der Aufsetzline entlang des retrograd geneigten Gletscherbetts verursacht wurde, welches beides wahrscheinlich durch ozeanische Faktoren ausgelöst wurde. Die Studie führte zu einem neuen Verständnis der aktuellen Veränderungsprozesse in der Wordie Bucht. Ähnlich wie der Fleming Gletscher, ist der Pine Island Gletscher (einer der Hauptauslassgletscher des Westantarktischen Eisschilds) von einer starken Beschleunigung und einem beachtlichen Massenverlust aufgrund eines durch steigende Ozeantemperaturen verursachten Rückzugs der Aufsetzlinie betroffen. In den Jahren 2013 und 2015 kam es zu bedeutenden Kalbungsereignissen, welche zu einer Neuausrichtung des Kalbungsfrontverlaufs führten. Allerdings waren die genauen Mechanismen hinter diesen Ereignissen nicht hinlänglich bekannt. Die Analyse einer einzigartigen Kombination aus neuen Mulitbeam-Bathymetriedaten eines vormals vom Eisschelf bedeckten Gebiets und einer dichten Zeitreihe aus Multimissions-Satellitenbildern zeigte, dass ein neu entdeckter subglazialer Bergzug unterhalb der schwimmenden Gletscherzunge des Pine Island Gletschers und der Verlust eines Aufsetzpunktes diese und vorherige Kalbungsereignisse zu einem großen Teil kontrollierten. Während Gletscher der Antarktis vor allem aufgrund ihres Beitrags zum globalen Meeresspiegelanstieg von Interesse sind, so sind die Gletscher des Karakorums wichtige Frischwasserspeicher, welche starken Veränderungen entgegenblicken, falls der Klimawandel weiter fortschreitet. Obwohl der Baltoro Gletscher einer der größten Gletscher des Karakorums ist, war bis jetzt wenig über die zeitliche Komponente und die Größe seiner (intra-)saisonalen Geschwindigkeitsvariationen, sowie deren Ursachen bekannt. Die Kombination einer aus unterschiedlichen Satellitendaten abgeleiteten dichten, langen Geschwindigkeitszeitreihe mit fernerkundlich ermittelten Zeitreihen zu Temperatur, Niederschlag und der Bildung supraglazialer Seen offenbarte komplexe Wechselbeziehungen zwischen Winterniederschlag, Sommerschmelze, supraglazialen Seen, Gletscherspaltenbildung und Gletscherbeschleunigung. Stärkere sommerliche Beschleunigungsereignisse, die vor allem in denen letzten Jahren mit außerordentlich warmen Tauperioden auftraten, deuten auf einen indirekten Einfluss des globalen Klimawandels hin. Darüber hinaus zeigt Studie erfolgreich die Eignung von Sentinel-1 Daten zur Ableitung von Gletscherfließdynamiken in Hochgebirgen. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Studien verdeutlichten, dass die Kombination von Zeitserien unterschiedlicher Fernerkundungsdaten detaillierte Einblicke in Gletscherdynamiken und Mechanismen von Gletscherveränderungen sowohl im Bereich der polaren Eisschilden als auch in Hochgebirgsregionen ermöglicht. Die aktuelle Sentinel-1 Mission eröffnet komplett neue Perspektiven im Bereich der glaziologischen Fernerkundung, da sie eine vollautomatische Beobachtung glaziologischer Parameter in globalem Maßstab und in hoher zeitlicher Auflösung erlaubt. Allerdings zeigten die Studien auch, dass eine akkurate und wiederholte Kartierung der Aufsetzlinie in manchen Regionen wie z.B. der Antarktischen Halbinsel und dem Westantarktischen Eisschild immer noch problematisch ist. Daher werden neue SAR-Missionen mit längeren Wellenlängen und sehr kurzen Wiederkehrzyklen benötigt, um eine präzise und lückenlose Beobachtung von Aufsetzlinien in kontinentalem Maßstab zu ermöglichen