Inhaltszusammenfassung:
Gebirgsgletscher und polare Eisschilde verlieren als Reaktion auf die globale Erwärmung in zunehmender Geschwindigkeit an Masse. Der Massenzuwachs durch Schneeakkumulation und der Masseverlust durch Kalbung und Schmelzen werden in erster Linie durch klimatische Faktoren gesteuert. Die Fließdynamik des Eises bestimmt jedoch, wie schnell die Masse von den Akkumulations- zu den Ablationszonen transportiert wird. Aus diesem Grund ist die Eisdynamik ein wichtiger Einflussfaktor für die Stabilität und Entwicklung von Eisschilden und Gletschern. Daher sind genaue Parametrisierungen der eisdynamischen Prozesse für zuverlässige Vorhersagen über den künftigen Massenverlust und den Anstieg des Meeresspiegels unerlässlich. Die Eisdynamik prägt darüber hinaus die Eiskristallstruktur, welche die Orientierungsverteilung der Eiskristalle beschreibt, und englazialen Strukturen, wie die stratigraphische Schichtung des Eises. Diese Strukturen können durch Radare erfasst werden, da Eis eine hohe Transparenz für Radiowellen aufweist. Folglich kann aus Radardaten auf vergangene Eisverformungen geschlossen werden, um dynamische Prozesse im Eis zu untersuchen. Diese Arbeit präsentiert zwei Studien, in denen neue Erfassungsmethoden für ein phasensensitives Radar (pRES) entwickelt werden, um die tiefe englaziale Stratigraphie von Gebirgsgletschern und die vertikale Anisotropie der Eiskristallstruktur zu bestimmen.
In der ersten Studie wird das pRES mobilisiert, um ein phasensensitives Radarsystem zu erhalten, das für den Einsatz auf Gebirgsgletschern geeignet ist. Eine Proof-of-Concept-Studie, die am Colle Gnifetti, Schweiz und Italien, durchgeführt wurde, zeigt, dass das System die tiefe englaziale Stratigraphie abbilden kann, die von zuvor eingesetzten Impulsradaren nicht erfasst werden konnte. Ein schichtoptimiertes Verarbeitungsschema für das Radar mit synthetischer Apertur wird an die mobilen pRES-Daten angepasst, um Störsignale zu unterdrücken und die Klarheit der Reflexionshorizonte zu erhöhen. In Kombination ermöglichen diese Techniken die Erkennung der englazialen Stratigraphie über nahezu die gesamte Eisdicke. Diese Verbesserung wird durch den ältesten Reflexionshorizont veranschaulicht, der in den gewonnenen Daten durchgängig nachweisbar ist und ein Alter von 288 ± 35 a aufweist, verglichen mit 78 ± 12 a, das in früheren Untersuchungen erreicht wurde. Allerdings konnten die zuvor vorgeschlagenen eisdynamisch geformten komplexen englazialen Strukturen, wie Schichtstörungen und englaziale Falten, nicht nachgewiesen werden. Stattdessen wird die Veränderung der Reflektivität auf eine erhöhte Ablagerungsrate säurehaltiger Verunreinigungen im oberen Eis zurückgeführt, die mit dem Beginn der Industrialisierung korreliert.
Die zweite Studie behandelt die Erkennung vertikaler Kristallanisotropie durch phasenbasierte polarimetrische Weitwinkelradarmessungen. Bisherige Polarimetriestudien verwendeten typischerweise Nadir-ausgerichtete Antennenkonfigurationen, die in erster Linie für horizontale Kristallanisotropie sensitiv sind. Diese Studien setzen die Annahme voraus, dass die Eiskristallstruktur vertikal ausgerichtet ist, eine Annahme, die in komplexen Eisflussregimen möglicherweise nicht gilt. Frühere theoretische Studien haben vorgeschlagen, dass die vertikale Anisotropie der Eiskristallstruktur und deren Neigung mittels polarimetrischer Weitwinkelmessungen mit schrägen Einfallswinkeln der Radarwellen bestimmt werden können. Um diesen Ansatz zu testen, wurde auf dem Ekström-Schelfeis, Ostantarktis, eine polarimetrische Common-Midpoint-Radarmessung durchgeführt. Die vorgestellte Untersuchungsmethode ist sowohl für die vertikale als auch die horizontale Kristallanisotropie sensitiv. Diese wird über Phasenverschiebungen zwischen unterschiedlich polarisierten Radarwellen erreicht, die durch die Anisotropie der dielektrischen Permittivität verursacht werden. Es wird ein Inversionsverfahren eingesetzt, um alle relevanten Komponenten der Eiskristallstruktur abzuleiten. Dabei zeigt sich, dass die Kristallanisotropie die beobachteten Phasenunterschiede nicht alleine erklären kann. Die strukturelle Firnanisotropie wird als zusätzliche Quelle dielektrischer Anisotropie identifiziert, welche die Signaturen der Eiskristallstruktur überlagert. Da die Firnstruktur in erster Linie die vertikale dielektrische Anisotropie beeinflusst, wurde sie in früheren Polarimetriestudien mit Nadir-ausgerichteten Antennen vernachlässigt. Durch den Nachweis, dass Radar die Firnanisotropie detektieren kann, legt diese Studie nahe, dass gezielte Radarpolarimetriemessungen zu einem besseren Verständnis der strukturellen Firnanisotropie beitragen und Kalibrierungsdaten für die Satellitenfernerkundung von Firn liefern können.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorgestellten Studien den Anwendungsbereich von phasensensitiven und polarimetrischen Radaren erweitern und neue Perspektiven für die Interpretation phasensensitiver Radardaten bieten. Beide Studien stellen jedoch nur erste Proof-of-Concepts für diese neuen Erfassungstechniken dar und ebnen den Weg für ihre Anwendung bei der Untersuchung komplexer dynamischer Prozesse im Eis in der zukünftigen Forschung. Um diese Bemühungen zu fördern, regt diese Arbeit die Entwicklung neuer Radarsysteme an, die speziell für die Erkennung der neu identifizierten Radarziele ausgelegt sind.
Abstract:
Mountain glaciers and polar ice sheets are losing mass at accelerating rates in response to global warming. The rates of mass gain by snow accumulation and mass loss by calving and melting processes are primarily controlled by climatic factors. However, the flow dynamics of ice determine how fast mass is transported from accumulation to ablation zones. For this reason, ice dynamics are an important control on the stability and evolution of ice sheets and glaciers. Therefore, accurate parametrizations of ice-dynamical processes are essential for reliable projections of future mass loss and sea level rise. Ice dynamics imprint on ice fabric, which describes the orientation distribution of ice crystals, and on englacial structures, such as the stratigraphic layering of ice. These englacial features can be detected by radar as ice is highly transparent to radio waves. Consequently, past ice deformation can be inferred from radar data to study ice dynamical processes. This thesis presents two studies in which new acquisition methods for the phase-sensitive Radio Echo Sounder (pRES) are developed to detect the deep englacial stratigraphy of mountain glaciers and vertical ice fabric anisotropy.
In the first study, the pRES is mobilized to establish a phase-sensitive radar system suitable for deployment on mountain glaciers. A proof-of-concept survey conducted at Colle Gnifetti, Switzerland and Italy, demonstrates that the system can resolve the deep englacial stratigraphy, which could not be detected by previously deployed impulse radars. A layer-optimized synthetic aperture radar processing scheme is adapted to the mobile pRES data to suppress clutter and enhance the clarity of specular reflection horizons. In combination, these techniques enable the detection of englacial stratigraphy throughout essentially the entire ice thickness. This improvement is exemplified by the oldest reflection horizon that is continuously traceable in the acquired data, which has an age of 288 ± 35 a, compared to 78 ± 12 a, achieved in previous surveys. However, previously suggested ice-dynamically induced complex englacial structures, such as layer disturbances and englacial folds, could not be detected. Instead, the change in reflectivity is attributed to an increased deposition rate of acidic impurity layers in the upper ice, correlating with the onset of industrialization.
The second study focuses on detecting vertical ice fabric anisotropy through phase-based polarimetric wide-angle radar observations. Previous polarimetry studies typically employed nadir-looking antenna configurations, which are primarily sensitive to horizontal ice fabric anisotropy. These studies rely on the assumption that ice fabric is vertically aligned, a presumption that may not hold in complex flow regimes. Previous theoretical studies suggest that vertical ice fabric anisotropy and tilted ice fabric patterns can be inferred from polarimetric wide-angle radar surveys that feature oblique radio wave propagation. To test this approach, a polarimetric common midpoint radar survey was conducted on Ekström Ice Shelf, East Antarctica. The presented survey is sensitive to both vertical and horizontal ice fabric anisotropy, utilizing phase shifts between differently polarized radar waves caused by the anisotropy of the dielectric permittivity. An inversion framework is implemented to infer all relevant ice fabric components, indicating that ice fabric alone cannot explain the observed phase differences. Structural firn anisotropy is identified as an additional source of dielectric anisotropy that superimposes the ice fabric signatures. As the firn structure primarily impacts the vertical dielectric anisotropy, it has been neglected in previous nadir-looking polarimetry studies. By demonstrating that radar can measure firn anisotropy, this study suggests that targeted radar polarimetry can contribute to an improved understanding of structural firn anisotropy and provide ground-truth data for satellite remote sensing of firn.
In synthesis, the presented studies expand the application range of phase-sensitive and polarimetric radar and provide new perspectives for interpreting phase-sensitive radar data. However, both studies only represent first proof-of-concepts for these new acquisition techniques, paving the way for their broader application in future research to investigate complex ice dynamical processes. To foster these efforts, this thesis encourages the development of new radar systems that are specifically designed for detecting the newly identified radar targets.
Glaciology