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Abstract auf Deutsch:

In dieser Habilitationsschrift sind zehn Veröffentlichungen des Autors zusammengestellt, die sich mit der großskaligen Dynamik und Thermodynamik von Eisschilden und Schelfeisen befassen. Eisschilde sind Eismassen mit einer minimalen Fläche von 50.000 km², die auf festem Land aufliegen, während Schelfeise aus schwimmendem Eis bestehen, das von dem Massenfluss eines angrenzenden Eisschildes gespeist und typischerweise von großen Buchten stabilisiert wird. Zusammen repräsentieren sie den größten Teil der irdischen Kryosphäre. Weiterhin existiert Eis auf der Erde in Form von Gletschern und kleinen Eiskappen, Meereis, Seeeis, Flusseis, Schnee und Grundeis (Permafrost). Für den Mars ist seit langem bekannt, dass beide Pole von Eiskappen bedeckt sind, die im Verlauf der Jahreszeiten wachsen und schrumpfen und im jeweiligen Sommer kleine, remanente Eiskappen zurücklassen. Raumsonden-Missionen der letzten Jahre haben gezeigt, dass die remanenten Eiskappen im obigen Sinne Eisschilde sind.

Die Artikel 1 und 2 legen das theoretische Gerüst. Dynamisch/thermodynamische Modellgleichungen für Eisschilde und Schelfeise werden entwickelt, einer Skalierungsanalyse unterworfen und unter der Annahme von kleinen Aspektverhältnissen (Verhältnis der Dicke zur Breite) vereinfacht. Die resultierenden Gleichungssysteme werden als Flacheisannahme (shallow ice approximation, SIA) bzw. Flachschelfannahme (shallow shelf approximation, SSA) bezeichnet. Für Eisschilde wird das Computermodell SICOPOLIS (SImulation COde for POLythermal Ice Sheets) vorgestellt, welches die SIA-Gleichungen prognostisch und dreidimensional mit Finite-Differenzen-Methoden löst. Die Artikel 3, 4, 5 befassen sich mit paläoklimatischen Simulationen des grönländischen Eisschildes über zwei Klimazyklen mit dem Eisschildmodell SICOPOLIS, angetrieben durch die Paläotemperatur-Rekonstruktion des GRIP-Eisbohrkerns. Das Augenmerk liegt dabei auf der Region um Summit, den höchsten Punkt des grönländischen Eisschildes. Simulationen mit dem Zweck, die Reaktion des grönländischen Eisschildes auf den zukünftigen Treibhauseffekt vorherzusagen, sind das Ziel von Artikel 6. Für Artikel 7 wird das Eisschildmodell SICOPOLIS so modifiziert, dass es für Modellstudien der Paläo-Vereisung der gesamten Nordhemisphäre angewendet werden kann. Ähnlich zu den Artikeln 3, 4, 5 werden Simulationen über 250.000 Jahre Klimageschichte durchgeführt, angetrieben durch Temperaturrekonstruktionen des zentralgrönländischen GRIP- bzw. des ostantarktischen Vostok-Eisbohrkerns. Die zweiteilige Studie der Artikel 8 und 9 befasst sich mit Simulationen des antarktischen Eisschildes, um Modellunterstützung für den geplanten Eisbohrkern im westlichen Königin-Maud-Land im Rahmen des Europäischen Eisbohrprojektes in der Antarktis (European Project for Ice Coring in Antarctica, EPICA) bereitzustellen. Schließlich geht es in Artikel 10 als extraterrestrische Anwendung der Eisschildmodellierung um Simulationen der permanenten nordpolaren H₂O-Eiskappe des Mars über die letzten Millionen Jahre in Reaktion auf orbitale Zyklen.

Abstract auf Englisch:

This habilitation thesis combines ten publications of the author which are concerned with the large-scale dynamics and thermodynamics of ice sheets and ice shelves. Ice sheets are ice masses with a minimum area of 50,000 km² which rest on solid land, whereas ice shelves consist of floating ice nourished by the mass flow from an adjacent ice sheet, typically stabilized by large bays. Together, they represent the major part of the cryosphere of the Earth. Furthermore, ice on Earth occurs in the form of glaciers and small ice caps, sea ice, lake ice, river ice, snow and ground ice (permafrost). For Mars, it has long been known that both poles are covered by ice caps which grow and shrink in the course of the seasons, and which leave small residual caps during the respective summer. Recent space-probe missions have revealed that the residual caps are ice sheets in the above sense.

Articles 1 and 2 lay the theoretical foundation. Dynamic/thermodynamic model equations for ice sheets and ice shelves are developed, subjected to a scaling analysis, and simplified by assuming small aspect (thickness to width) ratios. The resulting systems of equations are refered to as shallow ice approximation (SIA) and shallow shelf approximation (SSA), respectively. For ice sheets, the computer model SICOPOLIS (SImulation COde for POLythermal Ice Sheets) is introduced, which solves the SIA equations prognostically and three-dimensionally with finite difference methods. Articles 3, 4, 5 deal with paleoclimatic simulations of the Greenland ice sheet over two climatic cycles with the ice-sheet model SICOPOLIS driven by the paleo-temperature record of the GRIP ice core, the attention being focused on the region around Summit, the highest point of the Greenland ice sheet. Simulations which aim at predicting the response of the Greenland ice sheet to future greenhouse warming are the objective of Article 6. For Article 7, the ice-sheet model SICOPOLIS is modified such that it can be applied to model studies of the paleo-glaciation of the entire northern hemisphere. Similar to the Articles 3, 4, 5, simulations over 250,000 years of climate history are carried out, driven by temperature reconstructions of the central Greenland GRIP and the east Antarctic Vostok ice core, respectively. The two-part study of Articles 8, 9 deals with simulations of the Antarctic ice sheet which aim at providing model support for the planned ice core in western Dronning Maud Land within the frame of the European Project for Ice Coring in Antarctica (EPICA). Finally, as an extra-terrestrial application of ice-sheet modelling, Article 10 is concerned with simulations of the permanent north polar H₂O ice cap of Mars over the most recent millions of years in response to orbital cycles.