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Vorhersage des Eisverlustes von Grönlands Gletschern mit viskoelastischer Modellierung

Das Gletschersystem des Eisstroms in Nordostgrönland enthält genug Wasser, um den globalen Meeresspiegel um mehr als einen Meter anzuheben – und seine Eisabgabe in den Ozean hat sich beschleunigt. Um diese Entladung besser zu verstehen und vorherzusagen, haben Forscher des Alfred-Wegener-Instituts ein verbessertes viskoelastisches Modell entwickelt, um zu erfassen, wie Gezeiten und subglaziale Topographie zum Gletscherfluss beitragen..

Von Alan Petrillo
März 2022

Wer einmal vor einem Gletscher stand, wird bestätigen, dass diese Gebilde einen überaus beständigen Eindruck machen. Die großen Eisschilde der Erde befinden sich jedoch ständig in Bewegung und verändern sich. In den letzten Jahrzehnten hat sich diese unaufhörliche Bewegung beschleunigt. Tatsächlich erweist sich das Eis in Polarregionen nicht nur als mobil, sondern auch als erschreckend sterblich.

Steigende Luft- und Meerestemperaturen beschleunigen den Abfluss von Gletschereis die Ozeane, was zum globalen Anstieg des Meeresspiegels beiträgt. Diese unheimliche Entwicklung vollzieht sich noch schneller als erwartet. Bestehende Modelle der Gletscherdynamik und des Eisabflusses unterschätzen die tatsächliche Rate des Eisverlusts in den letzten Jahrzehnten. Dies macht die Arbeit der Physikerin Angelika Humbert, die Grönlands Auslassgletscher Nioghalfjerdsbræ untersucht, besonders wichtig – und dringend.

Als Leiterin der Modellierungsgruppe in der Sektion Glaziologie am Alfred-Wegener-Institut (AWI) Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven, arbeitet Humbert daran, umfassendere Lehren aus dem anhaltenden Niedergang von Nioghalvfjerdsbræ zu ziehen. Ihre Forschung kombiniert Daten aus Feldbeobachtungen mit viskoelastischer Modellierung des Verhaltens von Eisschilden. Durch eine verbesserte Modellierung der elastischen Auswirkungen auf den Gletscherfluss versuchen Humbert und ihr Team, den Eisverlust und die daraus resultierenden Auswirkungen auf den globalen Meeresspiegel besser vorherzusagen.

Sie ist sich bewusst, dass die Zeit knapp ist. „Nioghalvfjerdsbræ ist einer der letzten drei „schwimmenden Zungen“-Gletscher in Grönland“, erklärt Humbert. „Fast alle anderen schwimmenden Zungenformationen sind bereits zerfallen.“

Ein Gletscher mit dem Potential, den globalen Meeresspiegel um 1,1 Meter zu heben

Die nordatlantische Insel Grönland ist nach der Antarktis mit dem weltweit zweitgrößten Eispanzer bedeckt. (Abb. 1) Die dünn besiedelte Landschaft Grönlands mag unberührt erscheinen, doch tatsächlich nagt der Klimawandel an ihrer eisigen Hülle.

Laut eines Artikels von Humbert und ihren Kollegen aus dem Jahr 2021 in Communications Earth & Environment ist der anhaltende Austritt von Eis in den Ozean ein „grundlegender Prozess in der Massenbilanz der Eisdecke“. (Ref. 1) Der Artikel stellt fest, dass der gesamte Nordostgrönland-Eisstrom genug Eis enthält, um den globalen Meeresspiegel um 1,1 Meter anzuheben. Obwohl nicht erwartet wird, dass die gesamte Formation verschwindet, ist Grönlands gesamte Eisbedeckung seit 1990 dramatisch zurückgegangen. Dieser Zerfallsprozess verlief nicht linear und gleichmäßig auf der ganzen Insel. Nioghalfjerdsbræ zum Beispiel ist heute Grönlands größter Auslassgletscher. Der nahe gelegene Petermanngletscher war früher größer, schrumpft aber noch schneller. (Ref. 2)

Bestehende Modelle unterschätzen die Geschwindigkeit des Eisverlusts

Der Gesamtverlust an Eismasse in Grönland unterscheidet sich vom „Kalben“, also dem Abbrechen von Eisbergen von den schwimmenden Zungen der Gletscher. Das Kalben führt zwar nicht direkt zu einem Anstieg des Meeresspiegels, kann jedoch die Bewegung des Landeises in Richtung Küste beschleunigen. Satellitenbilder der Europäischen Weltraumorganisation (Abb. 2) haben ein rasantes und dramatisches Kalbungsereignis eingefangen. Zwischen dem 29. Juni und dem 24. Juli 2020 kalbte ein 125 km² großer schwimmender Teil des Nioghalvfjerdsbræ in viele einzelne Eisberge, die dann abdrifteten und im Nordatlantik schmolzen.

Direkte Beobachtungen des Verhaltens der Eisschicht sind wertvoll, reichen jedoch nicht aus, um die Entwicklung des Eisverlusts in Grönland vorherzusagen. Glaziologen entwickeln und verfeinern seit Jahrzehnten Modelle der Eisschicht, doch wie Humbert sagt: „Dieser Ansatz ist nach wie vor mit großer Unsicherheit behaftet.“ Seit 2014 arbeitet das Team des AWI mit 14 anderen Forschungsgruppen zusammen, um ihre Prognosen zum potenziellen Eisverlust bis zum Jahr 2100 zu vergleichen und zu verfeinern. Im Rahmen des Projekts wurden auch die Prognosen für vergangene Jahre mit den tatsächlich eingetretenen Eisverlusten verglichen. Beunruhigenderweise lagen die Vorhersagen der Experten seit 2015 „weit unter den tatsächlich beobachteten Verlusten“, wie Martin Rückamp vom AWI feststellte. (Ref. 3) Er sagt: „Die Modelle für Grönland unterschätzen die aktuellen Veränderungen der Eisschicht aufgrund des Klimawandels.“

Viskoelastische Modellierung zur Erfassung schnell wirkender Kräfte

Angelika Humbert hat selbst zahlreiche Reisen nach Grönland und in die Antarktis unternommen, um Daten zu sammeln und Proben zu untersuchen, aber sie erkennt die Grenzen des direkten Ansatzes in der Glaziologie. „Feldoperationen sind sehr kostspielig und zeitaufwändig, und wir erhalten nur einen begrenzten Einblick“, sagt sie. „Was wir lernen wollen, liegt im Inneren eines Systems verborgen, und ein Großteil dieses Systems ist unter vielen Tonnen Eis begraben! Wir brauchen Modelle, die uns sagen, welche Faktoren für den Eisverlust verantwortlich sind, und die uns auch zeigen, wo wir nach diesen Faktoren suchen müssen.“

Seit den 1980er Jahren stützen sich die Forscher auf numerische Modelle, um die Entwicklung der Eisschilde zu beschreiben und vorherzusagen. "Sie fanden heraus, dass man die Auswirkungen von Temperaturveränderungen mit Modellen erfassen kann, die auf einer viskosen Potenzgesetzfunktion basieren", erklärt Humbert. "Wenn Sie ein stabiles, langfristiges Verhalten modellieren und die viskose Verformung und das Gleiten richtig einschätzen, kann Ihr Modell gute Ergebnisse liefern. Aber wenn Sie versuchen, Lasten zu erfassen, die sich auf einer kurzen Zeitskala ändern, dann brauchen Sie einen anderen Ansatz."

Was treibt die kurzfristigen Veränderungen der Lasten an, die das Verhalten des Eisschildes beeinflussen? Humbert und das AWI-Team konzentrieren sich auf zwei Quellen dieser bedeutenden, aber kaum verstandenen Kräfte: die ozeanische Gezeitenbewegung unter schwimmenden Eiszungen (wie der in Abbildung 2 gezeigten) und die zerklüftete, unebene Landschaft Grönlands selbst. Sowohl die Gezeitenbewegung als auch die Topographie Grönlands beeinflussen, wie schnell sich die Eisdecke der Insel in Richtung Ozean bewegt.

Um die durch diese Faktoren verursachte elastische Verformung zu untersuchen, haben Humbert und ihr Team ein viskoelastisches Modell von Nioghalvfjerdsbræ in der COMSOL Multiphysics® Software erstellt. Die Geometrie des Gletschermodells basiert auf Daten aus Radarmessungen. Das Modell löste die zugrundeliegenden Gleichungen für ein viskoelastisches Maxwell-Material über ein 2D-Modellgebiet, das aus einem vertikalen Querschnitt entlang der in Abbildung 3 dargestellten blauen Linie besteht. Die simulierten Ergebnisse wurden dann mit tatsächlichen Feldmessungen des Gletscherflusses verglichen, die von vier GPS-Stationen gewonnen wurden, von denen eine in Abbildung 3 zu sehen ist.

Wie zyklische Gezeiten die Gletscherbewegung beeinflussen

Die Gezeiten um Grönland heben und senken die Wasserlinie an der Küste typischerweise zwischen 1 und 4 Metern pro Zyklus. Dieser Vorgang übt eine enorme Kraft auf die schwimmenden Zungen der Auslassgletscher aus, und diese Kräfte werden auch auf die landgestützten Teile des Gletschers übertragen. Das viskoelastische Modell des AWI untersucht, wie sich diese zyklischen Veränderungen in der Spannungsverteilung auf den Strom des Gletschers in Richtung Meer auswirken können.

Die Diagramme in Abbildung 4 zeigen die gemessenen gezeitenbedingten Spannungen, die an drei Stellen auf Nioghalvfjerdsbræ einwirken, überlagert mit den durch viskose und viskoelastische Simulationen vorhergesagten Spannungen. Grafik a zeigt, wie die Verschiebungen weiter abnehmen, wenn sie sich 14 Kilometer landeinwärts von der Grundlinie (GL) befinden. Grafik b zeigt, dass die zyklischen Gezeitenspannungen am GPS-hinge-Messpunkt in einer Biegezone nahe der Grundlinie zwischen Land und Meer abnehmen. Grafik c zeigt die Aktivität an der GPS-shelf genannten Stelle, die auf dem im Ozean schwimmenden Eis montiert ist. Dementsprechend zeigt sie die ausgeprägteste Wellenform der zyklischen Gezeitenspannungen, die auf das Eis wirken.

„Die schwimmende Zunge bewegt sich auf und ab, was zu elastischen Reaktionen im landgestützten Teil des Gletschers führt“, sagt Julia Christmann, eine Mathematikerin im AWI-Team, die eine Schlüsselrolle bei der Erstellung der Simulationsmodelle spielt. „Außerdem gibt es ein subglaziales hydrologisches System aus flüssigem Wasser zwischen dem Inlandeis und dem Boden. Dieses Basalwassersystem ist kaum verstanden, aber wir können Hinweise auf seine Auswirkungen sehen.“ Grafik a zeigt zum Beispiel einen Spannungsanstieg unterhalb eines Sees, der auf dem Gletscher liegt. „Das Wasser des Sees fließt durch das Eis nach unten, wo es die subglaziale Wasserschicht ergänzt und deren Schmierwirkung verstärkt“, sagt Christmann.

Die aufgezeichneten Trendlinien verdeutlichen die größere Genauigkeit der neuen viskoelastischen Simulationen des Teams im Vergleich zu rein viskosen Modellen. Christmann erklärt: „Das viskose Modell erfasst nicht das volle Ausmaß der Spannungsänderungen und zeigt auch nicht die richtige Amplitude. (Siehe Diagramm c in Abb. 4.) In der Biegezone können wir eine Phasenverschiebung dieser Kräfte aufgrund der elastischen Reaktion erkennen.“ Christmann fährt fort: „Sie können nur dann ein genaues Modell erhalten, wenn Sie die viskoelastische Federwirkung berücksichtigen.“

Modellierung elastischer Dehnungen unebener Landschaften

Die Spalten in den grönländischen Gletschern offenbaren die Unebenheiten der darunter liegenden Landschaft. Gletscherspalten sind auch ein weiterer Beweis dafür, dass Gletschereis kein rein zähflüssiges Material ist. „Sie können einen Gletscher im Laufe der Zeit beobachten und sehen, dass er kriecht, wie ein zähflüssiges Material es tun würde“, sagt Humbert. Ein rein zähflüssiges Material würde jedoch keine anhaltenden Risse bilden, wie es bei Eisschilden der Fall ist. „Seit den Anfängen der Glaziologie mussten wir die Realität dieser Gletscherspalten akzeptieren“, sagt sie. Das viskoelastische Modell des Teams bietet einen neuartigen Weg, um zu erforschen, wie das Land unter der Nioghalvfjerdsbræ die Entstehung von Gletscherspalten begünstigt und das Gletschergleiten beeinflusst.

„Als wir unsere Simulationen durchführten, waren wir überrascht, wie viel elastische Dehnung durch die Topographie verursacht wurde“, erklärt Christmann. „Wir sahen diese Effekte weit im Landesinneren, wo die Gezeiten keine Rolle spielen.“

Abbildung 6 zeigt, wie die vertikale Deformation des Gletschers mit der darunter liegenden Landschaft korrespondiert und hilft den Forschern zu verstehen, wie die lokale elastische vertikale Bewegung die horizontale Bewegung der gesamten Platte beeinflusst. Die schattierten Bereiche zeigen die Geschwindigkeit in diesem Teil des Gletschers im Vergleich zu seiner Basisgeschwindigkeit an. Die blauen Zonen bewegen sich vertikal langsamer als die Abschnitte, die sich direkt über dem Boden befinden, was darauf hindeutet, dass das Eis komprimiert wird. Rosa und violette Zonen bewegen sich schneller als das Eis an der Basis, was darauf hindeutet, dass das Eis vertikal gestreckt wird.

Diese Simulationsergebnisse deuten darauf hin, dass das verbesserte Modell des AWI-Teams genauere Vorhersagen über Gletscherbewegungen liefern könnte. „Das war ein echter Wow-Effekt für uns“, sagt Humbert. „So wie das Auf und Ab der Gezeiten eine elastische Dehnung erzeugt, die den Gletscherfluss beeinflusst, können wir jetzt auch den elastischen Teil des Auf und Ab über dem Grundgestein erfassen.“

Hochskalieren während die Zeit abläuft

Das verbesserte viskoelastische Modell der Nioghalvfjerdsbræ ist nur das jüngste Beispiel für Humberts jahrzehntelangen Einsatz von numerischen Simulationswerkzeugen für die glaziologische Forschung. „COMSOL® ist für unsere Arbeit sehr gut geeignet“, sagt sie. „Es ist ein fantastisches Werkzeug, um neue Ideen auszuprobieren. Mit der Software ist es relativ einfach, Einstellungen anzupassen und neue Simulationsexperimente durchzuführen, ohne dass wir eigenen Code schreiben müssen.“ Humberts Universitätsstudenten beziehen Simulationen häufig in ihre Forschung ein. Beispiele dafür sind die Doktorarbeit von Julia Christmann über das Kalben von Schelfeis und ein weiteres Projekt, in dem die Entwicklung der subglazialen Kanäle modelliert wurde, die Schmelzwasser von der Oberfläche zur Eisbasis leiten.

Das AWI-Team ist stolz auf seine Forschungsarbeit, aber es ist sich auch bewusst, wie viele Informationen über die Eisdecke der Welt noch unbekannt sind - und dass die Zeit knapp ist. „Wir können uns keine Maxwell-Materialsimulationen von ganz Grönland leisten“, räumt Humbert ein. „Wir könnten Jahre an Rechenzeit verbrauchen und trotzdem nicht alles abdecken. Aber vielleicht können wir die lokalisierten elastischen Effekte unseres Modells parametrisieren und es dann in einem größeren Maßstab implementieren“, sagt sie.

Dieser Maßstab bestimmt die Herausforderungen, denen sich die Glaziologen des 21. Jahrhunderts stellen müssen. Die Größe ihrer Forschungsobjekte ist atemberaubend, ebenso wie die globale Bedeutung ihrer Arbeit. Auch wenn ihr Wissen zunimmt, müssen sie zwingend mehr Informationen gewinnen, und das schneller. Angelika Humbert würde es begrüßen, wenn Menschen aus anderen Bereichen, die sich mit viskoelastischen Materialien befassen, einen Beitrag leisten könnten. „Wenn sich andere COMSOL-Nutzer mit Rissen in Maxwell-Materialien befassen, stehen sie wahrscheinlich vor einigen der gleichen Schwierigkeiten wie wir, auch wenn ihre Modelle nichts mit Eis zu tun haben“, sagt sie. „Vielleicht können wir uns austauschen und diese Probleme gemeinsam angehen.“

Vielleicht können wir, die wir von der Arbeit der Glaziologen profitieren, in diesem Sinne dazu beitragen, einige der großen und gewichtigen Herausforderungen zu schultern, die sie tragen.