GRACE kann nur ein Summensignal der Änderungen im Schwerefeld messen. Diese Änderungen sind auf Massenumverteilungen innerhalb des gesamten Erdsystems zurückzuführen. Für die Geowissenschaften ist es interessant, die verschiedenen Ursachen für die Umverteilungen zu verstehen und die einzelnen Prozesse, die dafür verantwortlich sind, zu identifizieren. Einer dieser Prozesse ist die glazial-isostatische Anpassung (GIA), also die Massenumverteilungen im Erdinneren aufgrund sich ändernder Lasten auf der Erdoberfläche.
Dr. Meike Bagge, GFZ
Signalseparation und Unsicherheiten
Es ist wichtig, diese durch GIA verursachten Massenänderungen in den GRACE-Daten zu erkennen, zu quantifizieren und zu separieren. Je ungenauer die Korrektur des GIA-Signals ist, desto schwieriger ist es, das restliche gemessene GRACE-Signal zu interpretieren. Misst GRACE beispielsweise eine Massenabnahme in der Antarktis, kann diese sowohl mit dem Massentransport im Erdinneren als auch mit dem Eismassenverlust 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 im Zusammenhang stehen. In den meisten Fällen ist das gemessene Signal eine Kombination beider (und noch weiterer) Prozesse. Denn das Abschmelzen 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 die damit verbundene reduzierte Auflast führt zu zeitverzögerten Massenumverteilungen im Erdinneren und einer nachfolgenden Hebung der Erdoberfläche.
Computermodelle zur Abschätzung des GIA-Signals
Wir können zwar die Bewegungen der Erdoberfläche mithilfe von geodätischen Beobachtungen messen, jedoch sind die Massenumverteilungen im Erdinneren für uns nicht unmittelbar zugänglich. Um die GIA-induzierten Massenumverteilungen abschätzen zu können, brauchen wir Computermodelle. Das Standardmodell, welches derzeit für die GIA-Korrektur von GRACE-Daten verwendet wird, ist das von Peltier et al. (ICE-6G(vm5)), welches unter Berücksichtigung von Beobachtungsdaten und einer einfachen radialsymmetrischen (also eindimensionalen) Erdstruktur das GIA-Signal berechnet. Dieses, sowie auch andere GIA-Modelle, sind allerdings mit großen Unsicherheiten belastet.
GIA-Model-Ensemble zur Abschätzung der Unsicherheiten
Mithilfe des am GFZ entwickelten numerischen Modells VILMA können wir die globalen GIA-Massenumverteilungen der festen Erde simulieren und auch komplexere 3D Erdstrukturen einbeziehen (Abbildung 1).
Die Deformation der festen Erde hängt zum großen Teil von zwei Parametern ab: Der zeitlichen und räumlichen Verteilung der Eischilde, welche die Lastgeschichte beschreibt, sowie die Struktur und Materialeigenschaften der festen Erde, die die zeitlich verzögerte Reaktion der Erde auf die veränderte Lastgeschichte kontrollieren. Beide Parameter sind nicht genau bekannt, aber es gibt beispielsweise Hinweise aus der Geologie über die zeitliche und räumliche Ausdehnung 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 oder aus der Seismologie über die Struktur des Erdinneren.
In unserem GIA-Model-Ensemble betrachten wir verschiedene Lastgeschichten aus der Literatur sowie unterschiedliche 3D Erdmodelle, die wir am GFZ entwickelt haben. Als Grundlage dient ein seismisches Tomographiemodell. Bei der Umrechnung der seismischen Geschwindigkeiten über die Temperatur zur Viskosität haben wir Unsicherheiten berücksichtigt und somit ein Ensemble an Erdstrukturen aufgespannt. Die Abbildung 3 zeigt die auf GIA zurückzuführenden heutigen Änderungen des Geoids, die mit dem GIA-Modell-Ensemble berechnet wurden.
Die GIA-Modellergebnisse des Ensembles können helfen, die Unsicherheiten bei der Interpretation der restlichen Signale innerhalb der GRACE-Beobachtungen besser abzuschätzen.
Weiterführende Literatur
- Bagge, M., Klemann, V., Steinberger, B., Latinović, M., & Thomas, M. (2021): Glacial-Isostatic Adjustment Models Using Geodynamically Constrained 3D Earth Structures. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 22(11), e2021GC009853. https://doi.org/10.1029/2021GC009853
- Eicker, A., Schawohl, L., Middendorf, K., Bagge, M., Jensen, L., Dobslaw, H.: Influence of GIA Uncertainty on Climate Model Evaluation with GRACE/GRACE-FO Satellite Gravimetry Data, JGR: Solid Earth, in revision.