Der grönländische Eisschild ist der größte Einzelverursacher des durch globale Massenveränderungen bedingten Anstiegs des Meeresspiegels. Die Prozesse der Ansammlung, Speicherung und letztendlichen Freisetzung von Schmelzwasser innerhalb des Eisschildes sind jedoch nach wie vor nur unzureichend erforscht. Ran et al. (2018) zeigten, dass die zeitliche Entwicklung der Schmelzwasseransammlung und -freisetzung in Grönland anhand von GRACE-Satellitengravimetriedaten erfasst werden kann. Leider lässt die geringe räumliche Auflösung dieser Daten keine Details dieses Prozesses erkennen. Zu diesem Zweck schlugen Ran et al. (2024) vor, die von GPS-Stationen an der grönländischen Küste gemessene elastische Verformung des Grundgesteins zu analysieren. Sie zeigten, dass ein beträchtlicher Teil des sommerlichen Schmelzwassers entlang des gesamten Randes des Eisschilds zeitlich gepuffert wird, und quantifizierten erstmals die damit verbundenen Wasserspeicherzeiten. Sie zeigten außerdem, dass der anhand regionaler Klimamodelle modellierte Schmelzwasserabfluss systematische Fehler enthalten kann, die in den wärmsten Jahren bis zu 20 % betragen. Diese Ergebnisse verdeutlichen das große Potenzial von GPS-Daten, wenig bekannte hydrologische Prozesse in Grönland einzugrenzen, und bilden die Grundlage für verbesserte Prognosen zum künftigen Schmelzverhalten des Grönländischen Eisschildes und dem damit verbundenen Anstieg des Meeresspiegels.
Jiangjun Ran (Fachbereich für Erd- und Weltraumwissenschaften, Southern University of Science and Technology, Shenzhen, China), Pavel Ditmar (Fachbereich Geowissenschaften und Fernerkundung, Technische Universität Delft, Delft, Niederlande), Michiel R. van den Broeke (Institut für Meeres- und Atmosphärenforschung, Universität Utrecht, Utrecht, Niederlande) und Shfaqat Abbas Khan (Fachbereich Geodäsie und Erdbeobachtung, DTU Space – Nationales Weltrauminstitut, Technische Universität Dänemark, Kongens Lyngby, Dänemark)
Gepufferte Wasserspeicherung in Grönland
Der erhöhte Schmelzwasserabfluss ist der größte Faktor (etwa 55 %) für den Massenverlust des grönländischen EisschildKontinentale Eismassen mit großer horizontaler Ausdehnung (mehrere tausend Kilometer) und Mächtigkeit (mehrere tausend Meter). Aktuell gibt es auf der Erde Eisschilde in Grönland und der Antarktis. Zum Zeitpunkt des letzten glazialen Maximums vor ...es seit dem Jahr 2000. Auf seinem Weg zum Ozean kann Schmelzwasser vorübergehend in verschiedenen hydrologischen Kompartimenten gespeichert werden, darunter Oberflächenseen, Firn (die Schicht aus verdichtetem Schnee, die etwa 90 % des EisschildKontinentale Eismassen mit großer horizontaler Ausdehnung (mehrere tausend Kilometer) und Mächtigkeit (mehrere tausend Meter). Aktuell gibt es auf der Erde Eisschilde in Grönland und der Antarktis. Zum Zeitpunkt des letzten glazialen Maximums vor ...es bedeckt) sowie Eishöhlen im Inneren und am Boden des EisschildKontinentale Eismassen mit großer horizontaler Ausdehnung (mehrere tausend Kilometer) und Mächtigkeit (mehrere tausend Meter). Aktuell gibt es auf der Erde Eisschilde in Grönland und der Antarktis. Zum Zeitpunkt des letzten glazialen Maximums vor ...es. Der größte Teil dieses gepufferten Wasserspeichers (BWS) wird vor Beginn der nächsten Schmelzsaison allmählich in den Ozean abgegeben. Der BWS beeinflusst die Entwicklung der Eiskappe auf verschiedene Weise. In der inneren Akkumulationszone sickert das Wasser typischerweise in die Firnschicht ein, wo es wieder gefriert oder die Firn-Grundwasserleiter auffüllt. Wenn die Schmelze zunimmt, unterliegt der Firn einer „Zersetzung“, wodurch seine Kapazität zur Wasserspeicherung verringert wird und der Beitrag der Eiskappe zum Anstieg des Meeresspiegels zunimmt. In der marginalen Ablationszone fließt Schmelzwasser durch Moulins und Gletscherspalten zur Schnittstelle zwischen Eiskappe und Grundgestein ab und verursacht einen hohen Wasserdruck am Eisboden. Dies führt zu einem vorübergehenden Schmierwirkungseffekt und einer Beschleunigung des Eisflusses, insbesondere zu Beginn der Schmelzsaison. Leider sind die Details des Schmelzwassotransports in Richtung Ozean nach wie vor kaum bekannt. Ran et al. (2018) haben gezeigt, dass der BWS in Grönland anhand von SatellitengravimetrieVerfahren zur Vermessung des Erdschwerefeldes mittels Satelliten. In den vergangenen 20 Jahren wurden verschiedene moderne Varianten realisiert: (1) Laufzeitmessungen zwischen hochfliegenden GPS-Satelliten und einem tieffliegenden Satelliten (high-lo...daten der GRACE-Mission erfasst werden kann. Die unzureichende räumliche Auflösung und Genauigkeit dieser Daten lassen jedoch kaum eine weitere Quantifizierung des Wassertransportprozesses zu.
Elastische Verformungen des Grundgesteins auf der Grundlage von GPS-Daten und ein Vergleich mit GRACE-Daten
Ran et al. (2024) schlugen eine neue Methode zur Quantifizierung der räumlich-zeitlichen Entwicklung des grönländischen BWS vor: durch eine gezielte Analyse der kontinuierlich überwachten elastischen Verformung des Grundgesteins an 22 Stationen des Grönland-GPS-Netzwerks (GNET), die entlang der Küste verteilt sind. Elastische Verformungen des Grundgesteins treten sofort auf, wenn sich die Masse neu verteilt. Die Ansammlung von Masse an der Oberfläche führt zu einer Absenkung der Erdkruste, während der Abbau von Masse eine Anhebung der Erdkruste bewirkt. Wenn die Roh-GPS-Daten um bekannte (modellierte) Störsignale korrigiert werden, erhält man Zeitreihen der verbleibenden vertikalen Verschiebungen des Grundgesteins. Die Korrekturen betreffen unter anderem die Oberflächenmassenbilanz (SMB) des Gletschers, die die saisonale Akkumulation und Ablation von Schnee und Eis widerspiegelt. Wichtig ist, dass heutige SMB-Modelle nur lokale, oberflächliche Schmelzwasserspeicher berücksichtigen; der laterale Schmelzwassertransport liegt noch außerhalb ihres Anwendungsbereichs (d. h., es wird angenommen, dass der Abfluss sofort den Ozean erreicht). Die auf elastischen Belastungsdaten von GNET basierenden Ergebnisse wurden durch einen Vergleich mit Wassermassenänderungen validiert, die aus den GRACE-Satellitengravimetriedaten extrahiert und im Einklang mit den GPS-Daten um Störsignale korrigiert wurden. Im Durchschnitt über ganz Grönland (Abb. 1) zeigt der Vergleich, dass die beobachteten Signale recht ähnlich sind, was darauf hindeutet, dass sie real sind und keine durch Datenfehler verursachten Artefakte darstellen.
Wasserspeicherzeit
Die Analyse der verbleibenden vertikalen Verschiebungen des grönländischen Grundgesteins im Zeitraum 2009–2015 ermöglichte es Ran et al. (2024), unter anderem die durchschnittliche Wasserspeicherzeit (d. h. die Zeit, die das Wasser benötigt, um den Ozean zu erreichen) in verschiedenen Teilen Grönlands zu quantifizieren, siehe Abb. 2. Es zeigte sich, dass diese Zeit typischerweise in der Größenordnung von 9 Wochen liegt. Eine Ausnahme bildet die Südostküste, wo sich diese Zeit halbiert, was sich teilweise durch die steile Topografie und die relativ kurze Entfernung von den Oberflächen-Schmelzstellen zum Ozean erklären lässt.
Skalierung des modellierten Abflusses
Eine weitere Erkenntnis, die sich aus den vertikalen Restverschiebungen ergibt, ist, dass der Schmelzwasserabfluss von regionalen KlimamodelleKlimamodelle sind Werkzeuge, die das Klimasystem rechnergestützt simulieren, indem die das Klimasystem beschreibenden physikalischen Grundgleichungen auf Supercomputern gelöst werden. Die Computer-Modelle, die so entstehen, werden zumeist angewende...n systematisch über- oder unterschätzt werden kann. In warmen Sommern, wie beispielsweise 2010 und 2012, muss der modellierte Abfluss im Durchschnitt um 20 % hochskaliert werden, um ihn mit den Beobachtungen in Einklang zu bringen. Dies ist ein Hinweis darauf, dass das verwendete Modell in „warmen“ Jahren entweder die Schmelze unterschätzt oder die Wasserrückhaltung überschätzt (oder beides). Letzteres könnte durch einen zu schwach modellierten Firnabbau in „wärmeren“ Jahren erklärt werden. Daher ist eine Anpassung der aktuellen Modelle an das, was derzeit als warme Sommer gilt, erforderlich. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die prognostizierte Erwärmung der Arktis relevant. Was heute als extrem hohe Sommertemperaturen gilt, könnte in absehbarer Zukunft zur Normalität werden. Daher ist eine gute Modellleistung für wärmere Jahre entscheidend, um das Schmelzverhalten der EisschildKontinentale Eismassen mit großer horizontaler Ausdehnung (mehrere tausend Kilometer) und Mächtigkeit (mehrere tausend Meter). Aktuell gibt es auf der Erde Eisschilde in Grönland und der Antarktis. Zum Zeitpunkt des letzten glazialen Maximums vor ...e und den damit verbundenen Anstieg des Meeresspiegels in den kommenden Jahrzehnten zu prognostizieren.
Literaturhinweise
- Jiangjun Ran, M. Vizcaino, P. Ditmar, M.R. van den Broeke, T. Moon, Ch.R. Steger, E.M. Enderlin, B. Wouters, B. Noël, C.H. Reijmer, R. Klees, M. Zhong, L. Liu, and X. Fettweis, 2018. Seasonal mass variations show timing and magnitude of meltwater storage in the Greenland Ice Sheet. The Cryosphere, 12, pp. 2981–2999.
- Jiangjun Ran, Pavel Ditmar, Michiel R. van den Broeke, Lin Liu, Roland Klees, Shfaqat Abbas Khan, Twila Moon, Jiancheng Li, Michael Bevis, Min Zhong, Xavier Fettweis, Junguo Liu, Brice Noël, C. K. Shum, Jianli Chen, Liming Jiang, and Tonie van Dam, 2024. Vertical bedrock shifts reveal summer water storage in Greenland ice sheet. Nature, 635, pp. 108–113. doi.org/10.1038/s41586-024-08096-3.