Die Kryosphäre. Ricarda Winkelmann Vorlesung Erdsystemmodellierung (SS 2011)

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Gotthilf Weiss
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1 Die Kryosphäre Vorlesung Erdsystemmodellierung (SS 2011)

2 Gliederung Die Kryosphäre Eisschilde auf Grönland und der Antarktis Warum brauchen wir Modelle? Das Modell PISM-PIK Fundamentale Prozesse in Eisschild und -schelfen Kippelemente

3 Die Kryosphäre... der mit Eis bedeckte Bereich der Erdoberfläche Dazu gehören: - Gebirgsgletscher - Meereis - Permafrostböden - Eisschilde und -schelfe

4 Schweiz: Rhone Gletscher

5 Arktisches Meereis im September 1979 (minimale Ausdehnung)

6 Arktisches Meereis im September 2007 (minimale Ausdehnung)

7 Modellierung von Eisschilden und -schelfen

8 Warum interessieren wir uns für Eisschilde? größte Frischwasserreservoire der Erde Klimaarchive: Temperaturen, Zusammensetzung der Luft etc (bis zu Jahre) Glaziale Zyklen auch auf kurzen Zeitskalen relevant: Meeresspiegelanstieg

9 Film: Eiszeitzyklus

10 Grönland Gesamtfläche ~1.7 Millionen km2 Volumen ~ 2.85 Millionen km3 potentielle 7 m Meeresspiegelanstieg Eisdicke > 2 km schnellster Gletscher: Jacobshavn ~ 12 km / a

11 Antarktis Eisschildfläche ~12 Millionen km2 + Schelffläche ~1.6 Millionen km2 Volumen ~ 26 Millionen km3 potentielle m Meeresspiegelanstieg maximale Eisdicke > 4 km schnellster Gletscher: Pine Island ~ 2.5 km / a

12 Wozu Eisschildmodellierung? Schellnhuber 1999: Bird's eye : Satellitenbilder Lilliput: Laborexperimente Digital Mimicry: numerische Modelle

13 - Eisschild: liegt auf dem Boden auf - Eisstrom: besonders schnell fließendes Eis - Eisschelf: schwimmendes Eis - Eisscheide: horizontale Geschwindigkeiten sind 0 - Aufschwimmlinie

14 Zeit- und Raumskalen - Zeitskala: wenige bis zu mehreren Jahre - Raumskala: H Aspektverhältnis L = wird in sogenannten shallow Modellen genutzt - müssen beim Koppeln an andere Subsysteme des Erdsystems beachtet werden

15 3dim Modelle mit voller Fluiddynamik Stokes... Blatter SIA SSA shallow Modelle verschiedene Gesetze für Bodenreibung etc. flowline flowline 2dim / konzeptionelle Modelle

16 Grundgleichungen 1... sind die Grundgleichungen der Fluiddynamik: 1) Massenerhaltung H =M S Q t 2) Flow Law: Relation zwischen Spannung und Verformungsgeschwindigkeit n 1 Dij =E A T ' ij

17 Grundgleichungen 2 3) Energieerhaltung: T T T T 2 T 2 T 2 T c p T = t x y z x y z Advektion Diffusion Dissipation 4) Impulserhaltung: Navier-Stokes-Gleichungen

18 Das Eisschildmodell PISM-PIK - shallow - Input und Output - Diskretisierung

19 PISM-PIK Potsdam Parallel Ice Sheet Model basiert auf SIA = Shallow Ice Approximation SSA = Shallow Shelf Approximation

20 Input und Output Bodentopografie Eisdicke Akkumulation Temperatur Geothermaler Wärmefluss Eisgeschwindigkeiten Oberflächentemperatur Eisfluss Ozeantemperatur subglaziales Schmelzen Kalbungsrate...

21 Diskretisierung horizontal: vertikal: Finite-Differenzen-Modell: regelmäßiges Gitter in x/y-richtung dazu: polarstereographische Projektion Auflösung Grönland: bis zu 1 km Antarktis: bis zu 5 km weitere Projektion in z-richtung: sodass z = 0 entlang der Eisunterkante

22 Das Antarktische Eisschild in der PISM-PIK-Welt Film: Das Antarktische Eisschild

23 Fundamentale Prozesse z.b. an der Kalbungsfront Randbedingung Nicht aufgelöste Prozesse Kalbungsrate Mathematik Numerik Physik

24 Randbedingung an der Kalbungsfront Kräftegleichgewicht an der Grenze zwischen Eisschild und Ozean

25 Nicht aufgelöste Prozesse an der Kalbungsfront Problem: Lösung:

26 Kalbungsrate Kalbungsrate proportional zu * Eisdicke * Verformungsgeschwindigkeit entlang der Fließrichtung * Verformungsgeschwindigkeit entgegen der Fließrichtung * Breite der Bucht

27 Antarktis: Kollaps des Larsen B Eisschelfs 31. Januar März 2002

28 Movie: calving

29 Simulationsergebnisse

30 Eisfluss unterschiedlich groß: - nahezu 0 an Eisscheiden - nimmt vom Inlandeis über die Eisströme bis zu den Eisschelfen stark zu

31 Eisdickenanomalie beobachtetes Eisvolumen 258 x 1014 m3 vs. simuliertes Eisvolumen: 256 x 1014 m3 simulierte minus beobachtete Eisdicke

32 Vergleich der Eisgeschwindigkeiten (a) Oberflächengeschwindigkeiten aus Satellitendaten (mehrere Datensätze, decken dennoch nur ~ 65% der Fläche ab) (b) Oberflächengeschwindigkeiten in PISM-PIK

33 Film: Eisgeschwindigkeiten

34 Kippelemente

35 Grönland: Höhe-Temperatur-Wechselwirkung

Hansen (2005) Abschmelzregion des Grönländisches

36 Grönland - Abschmelzregion Ice sheet response time is of the order of centuries, not millennia. Hansen (2005) Abschmelzregion des Grönländisches Eisschildes wächst zwischen 1979 und 2002 im Mittel um 16%.

37 West-Antarktis: Marine Ice Sheet Instability Hypothesis

38 Querschnitt durch die West-Antarktis

39 Erwärmung der West-Antarktis

41 Literatur R. Greve & H. Blatter: "Dynamics of Ice Sheets and Glaciers", Springer, C.J. van der Veen: "Fundamentals of glacier dynamics", A.A. Balkema Publishers, K.M. Cuffey & W.S.B. Paterson: "The physics of glaciers", J. Oerlemans: "Minimal Glacier Models", Igitur, Utrecht Publishing & Archiving Services, Winkelmann et al.: "The Potsdam Parallel Ice Sheet Model (PISM-PIK) Part 1: Model Description", The Cryosphere Discussions, Martin et al.: "The Potsdam Parallel Ice Sheet Model (PISM-PIK) Part 2: Dynamic equilibrium simulation of the Antarctic ice sheet", The Cryosphere Discussions, 2010.

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