Detailed quantification and interpretation of glacier elevation and mass changes in the Southern Andes and South Georgia

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2022-06-20
Issue Year
2022
Authors
Farías, David
Editor
Abstract

Glaciers on Earth along other components of the cryosphere are important for the climate system. However, it is widely known that the vast majority of glaciers are retreating and thinning since the early part of the 20th century. Additionally, future projections have highlighted that at the end of the 21st century, glaciers are going to lose a considerable part of their remaining mass. These glacier changes have several implications for physical, biological and human systems, affecting the water availability for downstream communities and contribute to sea level rise.

Unlike other regions, where glaciers are less relevant for the overall hydrology, glaciers in South America constitute a critical resource since minimum flow levels in headwaters of the Andean mountains are usually sustained by ice melt, especially during late summer and droughts, when the contribution from the seasonal snow cover is depleted. In the last decades, the number of studies has increased considerable, however, in the Southern Andes and the surrounding sub-Antarctic islands glaciers still are less studied in comparison with their counterparts in the Northern Hemisphere. The few studies on glacier mass balance in this region suggest a risk of water scarcity for many Andean cities which freshwater supply depends on glacial meltwater. Additionally, glaciers on sub-Antarctic islands have not been completely assessed and their contribution to the sea level rise has been roughly estimated. Hence, the monitoring of glaciers is critical to provide baseline information for regional climate change adaptation policies and facilitate potential hazard assessments.

Close and long-range remote sensing techniques offer the potential for repeated measurements of glacier variables (e.g. glacier mass balance, area changes). In the last decades, the number of sensors and methods has increased considerably, allowing time series analysis as well as new and more precise measurements of glacier changes. The main goal of this thesis is to investigate and provide a detailed quantification of glacier elevation and mass changes of the Southern Andes with strong focus on the Central Andes of Chile and South Georgia. Six comprehensive studies were performed to provide a better understanding of the development and current status of glaciers in this region. Overall, the glacier changes were estimated by means of various remote sensing techniques. For the Andes as a whole, the first continent-wide glacier elevation and mass balance was conducted for 85% of the total glacierized area of South America. A detailed estimation of mass changes using the bi-static synthetic aperture radar interferometry (Shuttle Radar Topography Mission -SRTM- and TerraSAR-X add-on for Digital Elevation Measurements -TanDEM-X- DEMs) over the years 2000 to 2011/2015 was computed. A total mass loss rate of 19.43 ± 0.60 Gt a-1 (0.054 ± 0.002 mm a-1 sea level rise contribution) from elevation changes above ground, sea or lake level was calculated, with an extra 3.06 ± 1.24 Gt a-1 derived from subaqueous ice mass loss. The results indicated that about 83% of the total mass loss observed in this study was contributed by the Patagonian icefields (Northern and Southern), which can largely be explained by the dynamic adjustments of large glaciers.

For the Central Andes of Chile, four studies were conducted where detailed times series of glacier area, mass and runoff changes were performed on individual glaciers and at a region level (Maipo River basin). Glaciers in the central Andes of Chile are a fundamental natural resources since they provide freshwater for ecosystems and for the densely populated Metropolitan Region of Chile. The first study was conducted in the Maipo River basin to obtain time series of basin-wide glacier mass balance estimates. The estimations were obtained using historical topographic maps, SRTM, TanDEM-X, and airborne Light Detection and Ranging (LiDAR) digital elevation models. The results showed spatially heterogeneous glacier elevation and mass changes between 1955 and 2000, with more negative values between 2000 and 2013. A mean basin-wide glacier mass balance of −0.12 ± 0.06 m w.e. a-1 , with a total mass loss of 2.43 ± 0.26 Gt between 1955–2013 was calculated. For this region, a 20% reduction in glacier ice volume since 1955 was observed with associated consequences for the meltwater contribution to the local river system. Individual glacier studies were performed for the Echaurren Norte and El Morado glaciers. Echaurren Norte Glacier is a reference glacier for the World Glacier Monitoring Service. An ensemble of different data sets was used to derive a complete time series of elevation, mass and area changes. For El Morado Glacier, a continuous thinning and retreat since the 20th century was found. Overall, highly negative elevation and mass changes rates were observed from 2010 onwards. This coincides with the severe drought in Chile in this period. Moreover, the evolution of a proglacial lake was traced. If drained, the water volume poses an important risk to down-valley infrastructure. The glacier mass balance for the Central Andes of Chile has been observed to be highly correlated with precipitation (ENSO). All these changes have provoked a glacier volume reduction of one-fifth between 1955 and 2016 and decrease in the glacier runoff contribution in the Maipo basin.

The thesis closes with the first island-wide glacier elevation and mass change study for South Georgia glaciers, one of the largest sub-Antarctic islands. There, glaciers changes were inferred by bi-static synthetic aperture radar interferometry between 2000 and 2013. Frontal area changes were mapped between 2003 and 2016 to roughly estimate the subaqueous mass loss. Special focus was given to Szielasko Glacier where repeated GNSS measurements were available from 2012 and 2017. The results showed an average glacier mass balance of −1.04 ± 0.09 m w.e. a-1 and a mass loss rate of 2.28 ± 0.19 Gt a-1 (equivalent to 0.006 ± 0.001 mm a-1 sea level rise) in the period 2000-2013. An extra 0.77 ± 0.04 Gt a-1 was estimated for subaqueous mass loss. The concurrent area change rate of the marine and lake-terminating glaciers amounts to −6.58 ± 0.33 km2 a-1 (2003–2016). Overall, the highest thinning and retreat rates were observed for the large outlet glaciers located at the north-east coast. Neumayer Glacier showed the highest thinning rates with the disintegration of some tributaries. Our comparison between InSAR data and GNSS measurements showed good agreement, demonstrating consistency in the glacier elevation change rates from two different methods. Our glacier elevation and mass changes assessment provides a baseline for further comparison and calibration of model projection in a sparsely investigated region. Future field measurements, long-term climate reanalysis, and glacier system modelling including ice-dynamic changes are required to understand and identify the key forcing factors of the glacier retreat and thinning.

Abstract

Die Gletscher auf unserer Erde sind – neben anderen Komponenten der Kryosphäre – ein zentrales Element in unserem Klimasystem. Es ist weithin bekannt, dass sich die Gletscher seit Beginn des 20. Jahrhunderts in vielen Gebieten der Welt zurückziehen und ihre Eismächtigkeit abnimmt. Darüber hinaus haben Zukunftsprognosen gezeigt, dass Gletscher am Ende des 21. Jahrhunderts einen erheblichen Teil ihres heutigen Volumens verlieren werden. Diese Gletscherveränderungen haben verschiedene Auswirkungen auf physikalische, biologische und menschliche Systeme. Sie wirken sich auf die Wasserverfügbarkeit für stromabwärts gelegene Siedlungsbereiche aus und tragen schlussendlich zum Anstieg des Meeresspiegels bei.

Im Gegensatz zu anderen Regionen, in denen Gletscher hydrologisch weniger relevant sind, stellen Gletscher in Südamerika eine kritische Ressource dar. Der Grund ist die oftmals sehr geringe Abflussmenge im Oberlauf des Andengebirges welche durch Eisschmelze aufrecht erhalten wird – insbesondere im Spätsommer und bei Dürren, wenn der Beitrag der saisonalen Schneedecke erschöpft ist. In den letzten Jahrzehnten hat die Anzahl der Studien erheblich zugenommen, jedoch sind die Gletscher in den südlichen Anden und den umliegenden antarktischen Inseln im Vergleich zu denen auf der Nordhalbkugel noch weniger untersucht. Die wenigen Studien zur Gletschermassenbilanz haben ein Wasserknappheitrisiko für viele Städte aufgezeitgt, deren Wassserversorgung vom Gletscherschmelzwassereintrag abhängt. Darüber hinaus wurden Gletscheränderungen auf subantarktischen Inseln nur unvollständig betrachtet/analysiert und daher konnte ihr Beitrag zum Meeresspiegelanstieg nur grob abgeschätzt werden. Insegsamt ist die Überwachung von Gletschern von entscheidender Bedeutung um Grundinformationen für regionale Maßnahmen zur Anpassung an den Klimawandel bereitzustellen und potenzielle Gefährdungsbeurteilungen zu ermöglichen.

Fernerkundungstechnik mit Nah- und Fernbereich bieten das Potenzial für wiederholte Messungen verschiedener Gletschervariablen. In den letzten Jahrzehnten hat die Anzahl der Sensoren und Methoden erheblich zugenommen, was Zeitreihenanalysen sowie neue und präzisere Messungen von Gletscherveränderungen ermöglicht. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Untersuchung und detaillierte Quantifizierung der Höhen- und Massenveränderungen in den südlichen Anden mit starkem Fokus auf die Zentralanden von Chile und Südgeorgien. Sechs umfassende Studien wurden durchgeführt um die Entwicklung und den aktuellen Status der Gletscher in diesen Regionen besser zu verstehen. Insgesamt wurden die Gletscher mit einem Ensemble verschiedener Fernerkundungstechniken untersucht. Für die Anden als Ganzes wurde eine erste Massenbilanzierung für 85 % der gesamten Gletscherfläche Südamerikas durchgeführt. Eine detaillierte Schätzung der Massenänderungen wurde unter Verwendung der bi-statischen Radarinterferometrie mit synthetischer Apertur (Shuttle Radar Topography Mission -SRTM- und TerraSAR-X-Add-On für digitale Höhenmessungen -TanDEM-X-DEMs) über die Jahre 2000 bis 2011/2015 ermittelt. Es wurde eine Gesamtmassenverlustrate von 19.43 ± 0.60 Gt a-1 (0.054 ± 0.002 mm a-1 zum Beitrag des Meeresspiegelanstiegs) aus Höhenänderungen über dem Boden, dem Meeres- oder Seespiegel berechnet – mit einem zusätzlichen Massenverlust von 3.06 ± 1.24 Gt a-1 aus subaquatem Eismassenverlust. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass rund 83% des in dieser Studie beobachteten Gesamtmassenverlusts auf die beiden patagonischen Eisfelder entfielen, was weitgehend durch die dynamischen Anpassungen großer Gletscher erklärt werden kann.

Für die chilenischen Zentralanden wurden vier Studien durchgeführt, in denen detaillierte Zeitreihen von Gletscherflächen-, Massen- und Abflussänderungen auf der Basis einzelner Gletscher und des gesamten Beckens (Maipo-Einzugsgebiet) ermittelt wurden. Gletscher in den Zentralanden Chiles sind grundlegende natürliche Ressourcen, da sie Süßwasser für Ökosysteme und die dicht besiedelte Metropolregion Chiles liefern. Die erste Studie wurde im Einzugsgebiet des Maipo-Flusses durchgeführt um Zeitreihen für beckenweite Schätzungen der Gletschermassenbilanz zu erhalten. Die Schätzungen wurden unter Verwendung historischer topografischer Karten, SRTM, TanDEM-X und luftgestützte LiDAR-Systeme (airborne Light Detection and Ranging) erzielt. Die Ergebnisse zeigten räumlich heterogene Gletscherhöhen- und Massenänderungen zwischen 1955 und 2000, jedoch mit deutlich negativeren Werten zwischen 2000 und 2013. Eine mittlere beckenweite Gletschermassenbilanz von –0.12 ± 0.06 m w.e. a-1 mit einem Gesamtmassenverlust von 2.43 ± 0.26 Gt zwischen 1955 und 2013 wurde berechnet. Für diese Region kann damit eine Volumenabnahme von 20% seit 1955 konstatiert werden mit entsprechenden Auswirkungen auf den Schmelzwassereintrag. Für die Gletscher Echaurren Norte und El Morado wurden individuelle Gletscheruntersuchungen durchgeführt. Der Echaurren Norte Glacier ist ein Referenzgletscher für den World Glacier Monitoring Service. Ein Ensemble verschiedener Datensätze wurde verwendet, um eine vollständige Zeitreihe von Höhen-, Massen- und Flächenänderungen abzuleiten. Für den El Morage Gletscher, deuten die Ergebnisse auf eine kontinuierliche Abnahme der Eismächtigkeiten und einen konr=tinuierlichen Rückgang seit dem 20. Jahrhundert hin. Insgesamt wurden ab 2010 stark negative Höhen- und Massenänderungsraten beobachtet. Dies fällt mit der schweren Dürre in Chile in dieser Zeit zusammen. Des weiteren, wurde die Entwicklung des proglazialen Sees am El Morado-Gletscher dokumentiert. Im Falle eines spontanen Ausfließens, stellt das dort gespeicherte Frischwasser ein hohes Risiko für die Infrastruktur im Tal darunter dar. Es wurde beobachtet, dass die Gletschermassenbilanz für die Zentralanden von Chile in hohem Maße mit dem Niederschlag (ENSO) korreliert. All diese Veränderungen haben zwischen 1955 und 2016 zu einer Reduzierung des Gletschervolumens um ein Fünftel geführt und seitdem den Beitrag des Gletscherabflusses verringert.

Die Arbeit schließt mit der ersten inselweiten Abschätzung der Gletscherhöhen- und Massenänderung in Südgeorgien, eine der größten subantarktischen Inseln. Die Gletscher auf dieser Insel wurden zwischen 2000 und 2013 mit Hilfe bi-statischer Radarinterferometrie mit synthetischer Apertur untersucht. Zwischen 2003 und 2016 wurden Änderungen der Frontalfläche kartiert, um den subaquatischen Massenverlust grob abzuschätzen. Besonderes Augenmerk wurde auf den Szielasko-Gletscher gelegt, wo ab 2012 und 2017 wiederholte GNSS-Messungen verfügbar waren. Die Ergebnisse für 2000-2013 zeigten eine durchschnittliche Gletscher¬massenbilanz von –1.04 ± 0.09 m w.e. a-1 und eine Massenverlustrate von 2.28 ± 0.19 Gt a-1 (entspricht 0.006 ± 0.001 mm a-1 zum Anstieg des Meeresspiegels). Der subaquatischen Massenverlust beträgt zusätzliche 0.77 ± 0.04 Gt a-1. Hinsichtlich Flächenänderungsraten, haben sich Gletscher die ins Meer oder in Seen münden um –6.58 ± 0.33 km2 pro Jahr (2003–2016) zurückgezogen. Insgesamt ergaben sich die höchsten Raten für Flächenrückzug und Eismächtigkeitsabnahmen für die großen Auslassgletscher an der Nordostküste. Der Neumayer-Gletscher zeigte mit dem Verschwinden einiger Nebengletscherarme die höchsten Oberflächenabnahmeraten. Unser Vergleich zwischen InSAR-Daten und GNSS-Messungen ergab eine gute Übereinstimmung, was die Konsistenz der Änderungsraten der Gletscherhöhe nach zwei verschiedenen Methoden zeigt. Unsere Bewertung der Gletscherhöhe und der Massenänderungen bietet eine Grundlage für den weiteren Vergleich und weitere Kalibrierung von Modellprojektionen in einer spärlich untersuchten Region. Zukünftige Feldmessungen, lang-zetiliche Klima-Reanalysen und Glteschersimulation unter Einbeziehung der Dynamik sin nun nötig, um die treibenden Faktoren des Gletscherrückgangs und der Oberflächenabsenkung zu verstehen und zu identifizieren.

DOI
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