Die Eisschilde Grönlands und der Antarktis sind schneebedeckt. Über lange Zeiträume entwickelt sich diese Schneedecke aufgrund kontinuierlicher Verdichtung zu Gletschereis. Verdichteter Schnee, der noch kein Gletschereis ist, wird im Allgemeinen Firn genannt. Der Prozess wird als Firnverdichtung bezeichnet.

Die Glaziologie beschäftigt sich seit vielen Jahrzehnten mit der Modellierung der Firnverdichtung. Die Simulation dieses Prozesses ermöglicht es, die Dichteverteilung des Firn über die gesamten Eisschilde zu berechnen. Das Wissen über die Dichteverteilung ist ein entscheidender Faktor für die Bestimmung der Massenbilanz der Eisschilde. Außerdem trägt es dazu bei Klimarekonstruktionen aus Eiskernen zu verbessern. Aufgrund der sich verändernden klimatischen Bedingungen hat in der jüngeren Vergangenheit das Thema des Einsickerns von Oberflächenschmelzwasser in den Firnkörper und dessen Simulation an Bedeutung gewonnen. Ferner ermöglicht die Simulation der Firnverdichtung den Prozess als solchen besser zu verstehen.

Ziel dieser Arbeit ist es, die Modellierung der Firnverdichtung im Kontext der Kontinuumsmechanik zu betrachten. Hierzu werden einige grundlegende Konzepte der Kontinuumsmechanik präsentiert. Danach werden drei verschiedene Ansätze zur Modellierung der Firnverdichtung im Detail untersucht. Mithilfe eines umfangreichen Datensatzes von Firnkernen, wird ein neuer Ansatz für das sogenannte Zellmodell entwickelt, um dieses weiterzuentwickeln. Der Firnkörper kann als ein System verschiedener Prozesse betrachtet werden, welche gegenseitige Abhängigkeiten zeigen. In diesem System ist die Firnverdichtung nur ein Prozess, welcher beispielsweise von der Temperaturentwicklung abhängt. Daher ist die Modellierung weiterer Größen, wie der Temperatur, der Wärmeleitfähigkeit, der Wärmekapazität und der Korngröße, nötig, um den Verdichtungsprozess zu simulieren. Daher werden entsprechende Modellkonzepte für eine vollständige Simulation des Firns präsentiert. Ferner wird die Richardsgleichung zur Beschreibung des Fließens eines Fluids durch ein poröses Medium bei ungesättigten Bedingungen auf den Firn angewendet. Dies ermöglicht das Modellieren des Fließens von Schmelzwasser durch den Firnkörper.

Zur Implementierung und Kopplung der unterschiedlichen vorgestellten Modelle werden numerische Konzepte entwickelt. Hierzu gehören die Beschreibung eines eindimensionalen Modellansatzes, der einer Lagrange’schen Betrachtungsweise folgt, sowie der Diskretisierung der Modellgleichungen mithilfe der Methode der finiten Differenzen.

Das resultierende Modell wird angewendet, um zwei Fallstudien zu untersuchen. Beide Fälle betrachten Grönland. Zuerst wird die sogenannte trockene Firnverdichtung betrachtet. In der zweiten Studie wird der Fluss von Oberflächenschmelzwasser durch den Firn und das Wiedergefrieren dieses Wassers im Firn betrachtet. Die Simulationsergebnisse zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit Messdaten, welche zur Validierung genutzt werden. Dies zeigt, dass die präsentierten Konzepte zur Simulation des Firns des grönländischen Eisschilds geeignet sind.