As regions of Antarctica undergo rapid melting, the inflow of freshwater leads to global sea level rise, but what exactly is Antarctica’s contribution?

Current satellites cannot measure ice discharge directly, but they can be used to observe processes on the surface, including, how the ice bends up and down with the tides as it flows from the continent into the ocean. Measuring this surface bending along the Antarctic coastline can then indirectly determine the ice flow underneath, but this connection requires knowledge of the physical properties of ice as well as accurate prediction of the tidal oscillation in coastal areas. However, the behaviour of ice when subjected to a tidal forcing is uncertain, and complicated even further by inherently inaccurate predictions of tide models around Antarctica. Laboratory measurements of glacial ice properties deviate largely from field observations both in space and time, and modern tide models are still most inaccurate in coastal areas. These limitations currently constrain our knowledge about ice-ocean interaction from a regional to a continental scale and directly affect the reliability of predictions of future sea-level rise.

The present thesis targets these issues by combining a range of satellite remote-sensing techniques with state-of-the-art finite-element modelling and traditional field measurements in Antarctica. This synergistic approach allows to uncover the physical properties of ice when responding to a tidal forcing. Previously reported, unphysical, temporal changes of the Young’s modulus for Antarctic ice can be explained with a systematical artefact of the representation of viscous damping in an elastic model for tidal flexure. Further numerical simulations reveal that a viscoelastic model fits tiltmeter measurements closely using a constant Young’s modulus of 1.6 GPa and an ice viscosity of ͌ 50.1 TPa s. With this level of insight in ice rheology, other factors influencing tidal ice-shelf flexure can be explored to further investigate previously only hypothesized controls on Antarctic grounding-zone flexure. Besides the values for the Young’s modulus and ice viscosity, the grounding-line geometry as well as the propagation of ocean tides in the sub ice-shelf cavity influence the satellite-observed surface flexure. Within landward embayments of the grounding line, which is the case for many fjord-like outlet glaciers along the Transantarctic Mountains, lateral stresses from the surrounding grounded ice or from lateral shear margins damp the flexural response of the ice to tidal forcing. In these areas, a 2-D viscoelastic model captures the satellite-observed damping behaviour that is missed with simple 1-D elastic models. Similarly, horizontal strain on the ice-shelf surface caused by compressional or extensional beam stresses has previously been misinterpreted by satellite remote-sensing techniques as tidal grounding-line migration. This systematic mislocation of the grounding line by up to the order of one ice thickness, however, can be corrected by either extending model simulations of neutral-layer displacement to ice-shelf surface flexure or by removing geometric effects of the ice-shelf’s thickness from the satellite observations.

With this in mind, space-borne measurements of vertical ice-shelf displacement can be used to significantly improve the accuracy of tide models along the feature-rich Antarctic coastline, where contemporary tide models are the least accurate. By combining the sub-centimetre accuracy and spatial benefits of radar satellite data with the temporal benefits of tide models, traditional tide modelling is improved by up to 74% from 21.4 cm to 5.6 cm root-mean-square-error against GPS measurements in feature-rich coastal areas. Numerical simulations of viscoelastic tidal flexure then reveal a fivefold reduction of ice viscosity to ͌ 10 TPa s; supporting the lab-derived hypothesis that strain dependent anisotropy significantly decreases effective viscosity due to the development of a preferred orientation crystallographic fabric. A small-scale process affecting the ice discharge of the continent with large-scale consequences.

This sheds light on widely-used assumptions in grounding-zone glaciology: (i) Ice homogeneity can only be assumed in stagnant areas where the lack of shear weakening keeps the ice isotropic. More dynamic areas like the outlet glaciers draining through the Transantarctic Mountains show heterogenic patterns which can be linked to a large-scale reduction of effective viscosity due to ice anisotropy. (ii) The common inversion of ice-shelf freeboard (i.e. the distance between sea level and ice-shelf surface) to ice-shelf thickness in the grounding zone can at the most serve as an initial ’best-guess’ for further ice-thickness refinement using numerical models of tidal ice-shelf flexure. (iii) On the tidal frequencies prevailing in the Ross Sea, grounding-zone flexure consists of a well-defined elastic and a very systematic viscoelastic contribution, which can be separated by consulting traditional tide models. These conclusions motivate future research in this crucial transition zone between the ice sheets and the ocean; which will ultimately improve current estimates of Antarctica’s future contribution to global sea-level rise in an ongoing climate change.

Zusammenfassung

Die Schmelzwasserzufuhr einzelner, rasch abschmelzender Gebiete der Antarktis führt zu einem weltweitem Anstieg des Meeresspiegels. Doch wie hoch ist der Beitrag der Antarktis genau?

Derzeitige Satelliten können den Eisfluss vom Kontinent in den Ozean nicht direkt messen, aber sie können dazu verwendet werden um Vorgänge an der Eisoberfläche zu beobachten, einschließlich der Art und Weise, wie sich das Eis mit den Gezeiten auf und ab bewegt. Die Messung dieser Gezeitenbeugung an der Eisoberfläche entlang der Küstenlinie kann darauf indirekt dazu verwendet werden um den darunterliegenden Eisfluss zu bestimmen. Diese Verbindung erfordert jedoch die Kenntnis der physikalischen Eigenschaften des Eises sowie eine genaue Vorhersage der Gezeitenschwingungen in Küstengebieten. Allerdings ist das Verhalten von Eis, wenn es den Gezeiten ausgesetzt ist, ungewiss und wird durch inhärent ungenaue Vorhersagen von Gezeitenmodellen in der Antarktis noch zusätzlich kompliziert. Labormessungen der physikalischen Eigenschaften von Eis unterscheiden sich weitgehend von Feldmessungen, sowohl in räumlicher, als auch in zeitlicher Hinsicht. Gegenwärtige Gezeitenmodelle sind in Küstengebieten nach wie vor ungenau und verhindern somit eine erfolgreiche Umkehrung von Oberflächenbeugung zu Eisfluss. Diese Einschränkungen begrenzen derzeit unser Wissen über die Wechselwirkung zwischen Eis und Ozean von einer regionalen bis zu einer kontinentalen Skala und wirken sich daher direkt auf die Zuverlässigkeit der Vorhersagen des zukünftigen Meeresspiegelanstiegs aus.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit diesen Themen, indem sie eine Reihe von Fernerkundungstechniken für Satelliten mit modernster Finite-Elemente-Modellierung und traditionellen Feldmessungen in der Antarktis kombiniert. Dieser synergistische Ansatz ermöglicht es, die physikalischen Eigenschaften von Eis zu bestimmen, wenn es auf Gezeiten reagiert. Bislang berichtete, unphysikalische, zeitliche Änderungen des Elastizitätsmodul für antarktisches Eis können mit einem Systemfehler der Darstellung viskoser Dämpfung in einem elastischen Modell für Gezeitenbeugung erklärt werden. Weitere numerische Simulationen zeigen, dass mit Hilfe eines viskoelastisches Modells Tiltmeter-Messungen mit einem konstanten Elastizitätsmodul von 1.6 GPa und einer Eisviskosität von etwa 50.1 TPa s wiedergegeben werden können. Mit diesem Erkenntnisstand in der Eisrheologie können andere Faktoren untersucht werden, die die Gezeitenbeugung an der Eisoberfläche beeinflussen. Somit können bislang lediglich hypothetische Einflussfaktoren in Schelfeis Gründungszonen näher untersucht werden. Neben denWerten für den Elastizitätsmodul und die Eisviskosität beeinflussen sowohl die Schelfeisgeometrie als auch die Ausbreitung der Meeresströmungen die vom Satelliten beobachtete Oberflächenbeugung. In landeinwärts verlaufenden Gebieten der Gründungslinie, wie dies bei vielen fjordartigen Auslassgletschern entlang des Transantarktischen Gebirges der Fall ist, dämpfen seitliche Spannungen aus dem umgebenden geerdeten Eis oder aus seitlichen Scherrändern die Beugungsreaktion des Eises. In diesen Bereichen erfasst ein viskoelastisches 2-D Modell das vom Satelliten beobachtete Dämpfungsverhalten, das in einfachen elastischen 1-D Modellen bislang fälschlicherweise vernachlässigt wurde. Auf ähnliche Weise werden horizontale Bewegungen an der Eisoberfläche, die durch Druckoder Streckbeanspruchungen hervorgerufen werden, mit gegenwärtigen Satellitenfernerkundungstechniken als Wanderung der Gründungslinie fehlinterpretiert. Diese systematische Verschiebung der Gründungslinie um bis zu einer Eisdicke kann jedoch korrigiert werden, indem entweder Modellsimulationen der internen Neutralschicht auf die Beugung der Schelfeisoberfläche erweitert werden oder indem geometrische Effekte der Schelfeisdicke von den Satellitenmessungen entfernt werden.

Vor diesem Hintergrund können Satellitenmessungen der vertikalen Oberflächenbeugung auch dazu verwendet werden, um die Genauigkeit von Gezeitenmodellen in Küstengebieten deutlich zu verbessern, wo gegenwärtige Gezeitenmodelle am ungenauesten sind. Durch die Kombination der Sub-Zentimeter-Genauigkeit und der räumlichen Vorteile von Radarsatellitendaten mit den zeitlichen Vorteilen von Gezeitenmodellen wird die Genauigkeit traditioneller Gezeitenmodellierung im Vergleich zu GPS um bis zu 74% von 21.4 cm auf 5.6 cm verbessert. Numerische Simulationen der viskoelastischen Gezeitenbeugung zeigen dann eine verfünffachte Reduzierung der Eisviskosität auf etwa 10 TPa s. Dies unterstützt die Laborhypothese, dass die dehnungsabhängige Anisotropie die effektive Viskosität aufgrund der Entwicklung eines kristallographischen Gewebes mit bevorzugter Orientierung signifikant verringert. Ein Prozess im kleinen Maßstab, der den grosskaligen Eisfluss des gesamten Kontinents beeinträchtigt.

Dies erhellt weit verbreitete Annahmen in der Glaziologie der Gründungszonen: (i) Die Homogenität des Eises kann nur in stagnierenden Gebieten angenommen werden, in denen das Fehlen einer Scherungsschwächung das Eis isotrop hält. Dynamischere Gebiete wie die Auslassgletscher, die durch das Transantarktische Gebirge fliessen, zeigen heterogene Muster, die mit einer starken Verringerung der effektiven Viskosität aufgrund der Eisanisotropie zusammenhängen. (ii) Die übliche Umkehrung des Schelfeis-Freibords (d.h. der Abstand zwischen Meeresspiegel und Schelfeisoberfläche) in die Eisdicke des Schelfeises kann allenfalls als ’erste Näherung’ für die weitere Verfeinerung unter Verwendung numerischer Modelle der Gezeitenbeugung dienen. (iii) Bei den gegenwärtigen Tidenfrequenzen im Rossmeer besteht die Beugungsreaktion der Gründungszonen aus einem gut definierten elastischen und einem sehr systematischen viskoelastischen Beitrag, die durch die Anwendung von traditionellen Gezeitenmodellen voneinander getrennt werden können. Diese Schlussfolgerungen werden die zukünftige Forschung in dieser entscheidenden Übergangszone zwischen den antarktischen Eisschilden und dem Ozean motivieren. Dies wird letztendlich die derzeitigen Abschätzungen des zukünftigen Beitrags der Antarktis zum globalen Meeresspiegelanstiegs in einem anhaltenden Klimawandel verbessern.