ALBERT

Description: Interpretation of ice-core records requires accurate knowledge of the past and present surface topography and stress–strain fields. The European Project for Ice Coring in Antarctica (EPICA) drilling site (75.00258°S, 0.06848°E; 2891.7 m) in Dronning Maud Land, Antarctica, is located in the immediate vicinity of a transient and forking ice divide. A digital elevation model is determined from the combination of kinematic GPS measurements with the GLAS12 datasets from the ICESat. Based on a network of stakes, surveyed with static GPS, the velocity field around the drilling site is calculated. The annual mean velocity magnitude of 12 survey points amounts to 0.74ma–1. Flow directions mainly vary according to their distance from the ice divide. Surface strain rates are determined from a pentagonshaped stake network with one center point close to the drilling site. The strain field is characterized by along-flow compression, lateral dilatation and vertical layer thinning.

Description: Für Massenbilanzstudien und dem Verständnis des Paläoklimas sind Kenntnisse über die Verteilung des Eises in den Polarregionen sowie der Aufbau der großen Eisschilde der Antarktis und Grönlands unerlässlich. Da Eis zu dem in seinen eingeschlossenen Gasblasen als einziges Klimaarchiv Proben der Paläoatmosphäre beinhaltet, ist es für verlässliche Aussagen über das Paläoklima wichtig, Eiskerne aus einer ungestörten Umgebung beproben zu können. Seit Mitte der 70-ziger Jahre des zwanzigsten Jahrhunderts werden Radarsysteme erfolgreich und intensiv zur Kartierung der Eismächtigkeiten der polaren Eisschilde und deren inneren Aufbaus von Schlitten und Flugzeugen aus eingesetzt [3]. So zum Beispiel bei der Vorerkundung für eine Eiskerntiefbohrung in Dronning Maud Land, Antarktis [10], der Kompilierung kontinentaler Datensätze für Karten und die Modellierung der Eisschilde [7],[5] und ihres Verhaltens auf klimatische Änderungen. Zur Untersuchung der Eisschilde wie auch von Schelfeisen und Gletschern werden verschiedenste Radarsysteme eingesetzt. Sowohl Pulsradarsysteme [8] für die Kartierung der bis zu 4000 m mächtigen Eisschilde der Antarktis und Grönlands kommen zum Einsatz, als auch Stepped Frequency und Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) Radarsysteme um die Schichtungen im bis zu einigen 100 m mächtigen Firn im oberen Bereich dieser Eisschilde zu detektieren. Leitfähigkeitsänderungen des Eises und Sprünge in der Dielektrizitätskonstanten, die zu Reflexionen von elektromagnetischen Wellen führen, können an Eiskernen mittels „dielectric profiling“ (DEP) sehr genau gemessen werden [12]. Auch die Akkumulationshistorie ist aus Untersuchungen von Eiskernen bekannt [2]. Somit besteht die Möglichkeit die vom Radar detektierten Horizonte an den Eiskernen exakt einzuhängen [4] und somit die punktuell bestimmten Zutragsraten entlang von Radarprofilen zu extrapolieren [11]. Zur Bestimmung des mittleren Schneezutrags der letzten mehreren hundert Jahre reichen flache Eiskernbohrungen bis zu einer Tiefe von 150 m aus. Diese Bohrungen können mit recht geringem technischen Aufwand innerhalb weniger Tage abgeteuft werden. Während der Verdichtung des Firns zu Eis, ist die Advektion von Eis von der Seite zu vernachlässigen [6]. Zur Kartierung des Schneezutrags wurden in der Vergangenheit weit verteilt Eiskerne gebohrt [9] und dann zwischen den Bohrstellen interpoliert. Um räumliche Variationen der Akkumulation abzubilden, muss bei diesem Vorgehen der Abstand zwischen den Eisbohrungen verringert werden oder auf solche Radarmessungen zurückgegriffen werden, die die Isochronen zwischen den Bohrstellen abbilden können. Dazu ist zum einen eine hohe vertikale Auflösung des Radarsystems erforderlich und zum anderen ein hoher Messfortschritt wie ihn flugzeuggestützte Messungen bieten. Mittels hochauflösender Radarmessungen zwischen den abgeteuften Bohrungen kann die mathematische Interpolation durch Messungen physikalischer Parameter ersetzt und so die räumliche Variation abgebildet werden. Zu diesem Zweck wurde das bereits erfolgreich am Boden eingesetzte FMCW-Radargerät der TU Hamburg- Harburg [1] für den Einsatz auf den Polarflugzeugen des Alfred-Wegener-Instituts adaptiert. Im Folgenden wird das für den luftgestützten Einsatz modifizierte Gerät im Einzelnen vorgestellt und seine Messmöglichkeiten werden anhand von typischen Messergebnissen dargestellt . Dazu werden in Kapitel 2 die technischen Details wie Signalgenerierung und Datenerfassung des Radargeräts erläutert. In Kapitel 3 werden mit diesem Gerät erstellte Messprofile vorgestellt und diskutiert.

Description: This study aims to demonstrate that deep ice cores can be synchronized using internal horizons in the ice between the drill sites revealed by airborne radio-echo sounding (RES) over a distance of 〉1000 km, despite significant variations in glaciological parameters, such as accumulation rate between the sites. In 2002/03 a profile between the Kohnen station and Dome Fuji deep ice-core drill sites, Antarctica, was completed using airborne RES. The survey reveals several continuous internal horizons in the RES section over a length of 1217 km. The layers allow direct comparison of the deep ice cores drilled at the two stations. In particular, the counterpart of a visible layer observed in the Kohnen station (EDML) ice core at 1054 m depth has been identified in the Dome Fuji ice core at 575 m depth using internal RES horizons. Thus the two ice cores can be synchronized, i.e. the ice at 1560 m depth (at the bottom of the 2003 EDML drilling) is $49 ka old according to the Dome Fuji age/depth scale, using the traced internal layers presented in this study.

Description: Die vom Permafrost dominierten Gebiete der Arktis sind von der globalen Erwärmung besonders betroffen. Als Folge der höheren Temperaturen nehmen die Dicke der Auftauschicht und die Anzahl der frostfreien Tage im Jahr immer weiter zu, wodurch der Ausstoß von Treibhausgasen durch erhöhte Bakterienaktivität steigt. Wenn Infrastruktur in diesen Gebieten vorhanden ist oder angelegt werden soll, muss sie im Permafrost gegründet sein, um dauerhaft stabil zu sein. Somit ist es sowohl für die Klimamodellierung als auch für die Infrastruktur wichtig, die Auftautiefe der oberen Bodenschicht flächendeckend zu kennen. Zu diesem Zweck wurde im August 2018 eine große Feldkampagne rund um Inuvik, NW-Kanada, durchgeführt. Das Gebiet ist durch Permafrost geprägt, die Mächtigkeit der Auftauschicht liegt zwischen 30cm und 2m. Die Vegetation wechselt zwischen offener Tundra, strauchdominierter Tundra und Taiga (Nadelwald). Während der Feldarbeiten hat ein Team im Gelände die Vegetation, die Bodeneigenschaften und die Dicke der Auftauschicht punktuell erfasst, sowie GPR-Messungen mit 200 MHz Antennen zur Kartierung der Auftauschicht und geoelektrische Messungen zur Charakterisierung des Permafrostkörpers durchgeführt. Ein zweites Team hat mittels flugzeuggestützter Messungen mit der Polar 5 des Alfred-Wegener-Instituts das Gebiet großflächig kartiert. Bei niedrigen Flügen in ca. 300m Höhe über Grund wurden GPR Messungen zur Erfassung der Dicke der Auftauschicht durchgeführt. Das verwendete Radarsystem ist ein FMCW Radar mit einem Frequenzbereich von 400 – 800 MHz, wodurch eine hohe vertikale und horizontale Auflösung gegeben ist. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Untersuchungsgebiet ist variabel mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 0,044m/ns in der Auftauschicht. Auf höheren Flügen (ca. 1000m über Grund) wurden unter anderem eine VIS+NIR und eine SWIR-Hyperspektralkamera (AISA EAGLE und HAWK) sowie ein RIEGL Laserscanner betrieben, womit Vegetation und Geomorphologie charakterisiert werden können. Um die Ergebnisse auf das gesamte Untersuchungsgebiet zu übertragen, werden zusätzlich Satellitendaten des Gebiets ausgewertet. Somit ist eine umfassende Charakterisierung des aktuellen Zustands aller Faktoren des Ökosystems, die den Permafrostkörper und die Auftauschicht betreffen, möglich. Hier präsentieren wir erste Ergebnisse der GPR Messungen aus den Befliegungen sowie vom Boden und ordnen diese in die räumliche Struktur des Untersuchungsgebiets ein.

Description: Lakes beneath the Antarctic Ice Sheet are known to decrease traction at the ice base and therefore can have a great impact on ice dynamics. However, the total extent of Antarctic subglacial lakes is still unknown. We address this issue by combining modeling and remote-sensing strategies to predict potential lake locations using the general hydraulic potential equation. We are able to reproduce the majority of known lakes, as well as predict the existence of many new and so far undetected potential lakes. To validate our predictions, we analyzed ice-penetrating radar profiles from radio-echo sounding flights acquired over 1994–2013 in Dronning Maud Land, East Antarctica, and this led to the identification of 31 new subglacial lakes. Based on these findings, we estimate the total number of Antarctic subglacial lakes to be ~1300, a factor of three higher than the total number of lakes discovered to date. We estimate that only ~30% of all Antarctic subglacial lakes and ~65% of the total estimated lake-covered area have been discovered, and that lakes account for 0.6% of the Antarctic ice/bed interface.

Description: Radar data (center frequency 150 MHz) collected on the Antarctic plateau near the EPICA deep-drilling site in Dronning Maud Land vary systematically in backscattered power, depending on the azimuth antenna orientation. Backscatter extrema are aligned with the principal directions of surface strain rates and change with depth. In the upper 900 m, backscatter is strongest when the antenna polarization is aligned in the direction of maximal compression, while below 900m the maxima shift by 90◦ pointing towards the lateral flow dilatation. We investigate the backscatter from elongated air bubbles and a vertically varying crystal-orientation fabric (COF) using different scattering models in combination with ice-core data. We hypothesize that short-scale variations in COF are the primary mechanism for the observed anisotropy, and the 900m boundary between the two regimes is caused by ice with varying impurity content. Observations of this kind allow the deduction of COF variations with depth and are potentially also suited to map the transition between Holocene and glacial ice.

Description: To understand the dynamics of ice shelves, a knowledge of their internal and basal structure is very important. As the capacity to perform local surveys is limited, remote sensing provides an opportunity to obtain the relevant information. We must prove, however, that the relevant information can be obtained from remote sensing of the surface. That is the aim of this study. The Jelbart Ice Shelf, Antarctica, exhibits a variety of surface structures appearing as stripe-like features in radar imagery. We performed an airborne geophysical survey across these features and compared the results to TerraSAR-X imagery. We find that the stripe-like structures indicate surface troughs coinciding with the location of basal channels and crevasse-like features, revealed by radio-echo sounding. HH and VV polarizations do not show different magnitude. In surface troughs, the local accumulation rate is larger than at the flat surface. Viscoelastic modelling is used to gain an understanding of the surface undulations and their origin. The surface displacement, computed with a Maxwell model, matches the observed surface reasonably well. Our simulations show that the surface troughs develop over decadal to centennial timescales.

Description: We characterize the basal mass balance of the Ekstr ¨om Ice Shelf, Dronning Maud Land, Antarctica, using interferometrically derived surface velocities and ice thickness measurements from radio-echo sounding (RES). The surface velocities are based on data from European Remote-sensing Satellites-1 and -2 (ERS-1/2) during 1994–97. The ice thickness grid consists of 136 RES profiles acquired between 1996 and 2006. Mass fluxes are calculated along selected RES profiles where possible, to reduce uncertainties from ice thickness interpolation. Elsewhere large-scale mass fluxes are calculated using interpolated ice thickness data. Themass flux into the Ekstr ¨om Ice Shelf from themain grounded drainage basins is estimated to be 3.19±0.4Gt a−1. The mass flux near the ice shelf front is 2.67±0.3Gt a−1. Assuming steady state, and based on the equation of continuity, we interpret the residual mass flux as a combined effect of snow accumulation and subglacial melting/refreezing. Using net snow accumulation rates from previous studies, we link the mass flux divergence in irregular-shaped polygons to processes beneath the ice shelf. The highest subglacial melt rates of ∼1.1ma−1 are found near the grounding zone of two main inflow glaciers, and around the German station Neumayer III. The detection of unlikely refreezing in a small area ∼15 km west of Neumayer III is attributed to both dataset inaccuracies and a (possibly past) violation of the steady-state assumption. In general, the method and input data allow mapping of the spatial distribution of basal melting and the results are in good agreement with several previous studies.

Description: We present a comprehensive approach (including field data, remote sensing and ananisotropic ice-flow model) to characterize Halvfarryggen ice dome in coastal Dronning Maud Land,Antarctica. This is a potential drill site for the International Partnerships in Ice Core Sciences, which hasidentified the need for ice cores covering atmospheric conditions during the last few millennia. Wederive the surface topography, the ice stratigraphy from radar data, and accumulation rates which varyfrom 400 to 1670kgm–2a–1due to preferred wind directions and changing surface slope. Thestratigraphy shows anticlines and synclines beneath the divides. We transfer Dansgaard–Johnsen age–depth scales from the flanks along isochrones to the divide in the upper 20–50% of the ice thickness andshow that they compare well with the results of a full-Stokes, anisotropic ice-flow model which predicts(1) 11kaBPice at 90% of the ice thickness, (2) a temporally stable divide for at least 2700–4500 years,(3) basal temperatures below the melting point (–128C to –58C) and (4) a highly developed crystalorientation fabric (COF). We suggest drilling into the apices of the deep anticlines, providing a goodcompromise between record length and temporal resolution and also facilitating studies of the interplayof anisotropic COF and ice flow