Present-day ice-mass change and glacial-isostatic adjustment in the polar regions from satellite gravimetry and geophysical modelling

Abstract

This work is concerned with the determination of present-day ice-mass changes and glacial-isostatic adjustment (GIA) in the polar regions from gravity-field data of the satellite mission Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE). Aim is the separation of cryospheric mass changes from the mass redistribution in the Earth’s mantle due to GIA using geophysical modelling and the determination of the contribution of glaciated areas to global sea-level change. This is done by analyzing the time series of monthly GRACE gravity- field solutions with respect to their long-term temporal changes. Filters are developed to optimize the trade-off between noise and spatial resolution in the GRACE gravity fields. Also, a method for the evaluation and combination of GRACE gravity fields from different processing is developed. Forward models of the potential disturbance due to present-day ice-mass changes and GIA are adjusted with respect to the GRACE observations and then used to perform a joint gravity-field inversion for the causative mass changes on and within the Earth. For small spatial scales (e.g. individual drainage basins of glaciers), ambiguities in the solution of this gravimetric inverse problem are reduced by introducing a priori constraints. The relative weight of this information with respect to the GRACE data allows determining the regional spatial resolution of the long-term changes in the GRACE gravity fields. The main region of interest of this work is Antarctica. In addition, investigations concerned with present-day ice-mass changes in Alaska and Greenland are presented, along with results on the gravity-field inversion in terms of the viscosity distribution in the Earth’s mantle under North America.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Bestimmung rezenter Eismassenänderungen und der glazialisostatischen Anpassung (GIA) in den Polarregionen aus den Schwerefelddaten der Satellitenmission Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE). Ziel ist es, die heutigen Massenänderungen in den Eisgebieten von der durch GIA verursachten Massenumverteilung im Erdmantel mittels geophysikalischer Modelle zu separieren und den Beitrag der vereister Gebiete zur globalen Meeresspiegeländerung zu bestimmen. Dazu werden die Zeitreihen monatlicher GRACE-Schwerefelder in Hinblick auf langzeitliche Änderungen analysiert. Zum einen werden Filter entwickelt, welche die als komplementär anzusehende räumliche Auflösung und Genauigkeit der GRACE-Schwerefelder optimieren. Desweiteren wird eine Methode entwickelt, die es erlaubt, GRACE- Daten verschiedener Prozessierungszentren zu kombinieren und deren Qualität zu bewerten. Modelle des durch rezente Eismassenänderungen und GIA verursachten Störpotentials werden an die GRACE-Beobachtungen angepasst und dann in einer gemeinsamen Schwerefeldinversion hinsichtlich der ursächlichen Massenänderungen auf und in der Erde ausgewertet. Bei der Betrachtung kleinräumiger Skalen (z.B. einzelner Einzugsgebiete von Gletschern) werden Mehrdeutigkeiten, die bei der Schwerefeldinversion auftreten, durch a priori Informationen reduziert. Die relative Gewichtung dieser zusätzlichen Information bezüglich der GRACE-Daten erlaubt es, die regionale Auflösung langzeitiger Trends in den GRACE-Schwerefeldern zu bestimmen. Im Wesentlichen wird in dieser Arbeit das Gebiet der Antarktis untersucht. Darüberhinaus werden Ergebnisse zur Schwerefeldinversion hinsichtlich Eismassenänderung in Alaska und Grönland sowie hinsichtlich der Viskositätsverteitung im Erdmantel Nordamerikas präsentiert.