New relative sea-level (RSL) observations dating from the late Pleistocene and early Holocene, during and after the collapse of the Cordilleran ice-sheet (CIS), are provided for two regions in southern coastal British Columbia. They record the glacial isostatic adjustment (GIA) response of the Earth to the changing surface load of the waning CIS. The data provide a new RSL curve for Sechelt, on the mainland coast north of Vancouver, and extend and revise a previously constructed curve for Barkley Sound on the west coast of Vancouver Island. The observations create a new profile of RSL curves oriented southwest-northeast across Vancouver Island and the Strait of Georgia. A previously-defined profile of RSL curves is oriented northwest-southeast profile along the east coast of Vancouver Island. The two profiles intersect in the central Strait of Georgia. The new RSL curves sample different parts of the Cascadia Subduction Zone (CSZ) and provide constraints on the history of the CIS. The Juan de Fuca plate subducts beneath the North American plate in roughly the same southwest to northeast direction as the RSL profile. GIA modelling of the RSL observations along this profile may indicate spatial variations related to the structure of the Cascadia Subduction Zone (CSZ). The CIS flowed roughly from northeast to southwest over the regions of interest. RSL observations along this path indicate how sea-level change differed with distance from the edge of the ice-sheet towards its centre. The CIS model of James et al. (2009b) is refined to fit observed sea levels while applying glacial geological constraints to regional ice sheet advance and retreat. Sea level in Barkley Sound dropped from greater than 27 m elevation before 15 cal kyr BP to -46 m below present around 12 cal kyr BP. At Sechelt, sea level closely follows the same trend as in the central Strait of Georgia, dropping from over 150 m before 14 cal kyr BP and falling past present levels after 12.4 cal kyr BP to a poorly constrained lowstand between 12 and 9 cal kyr BP. The initial crustal uplift rate near Sechelt was at least 85 mm/yr, comparable to that of the central Strait of Georgia. The sea-level observations are best fit with predictions employing an Earth model with a 60-km effective lithosphere thickness and asthenospheric viscosity and thickness of 4 × 1019 Pa s and 380 km, respectively. The transition zone and lower mantle viscosities are based on the VM2 Earth model (Peltier 2002). Sea level in Barkley Sound fell quickly (15-30 mm/yr), and observed sea level is best fit with the same asthenospheric viscosity, but with a thinner 30-km thick lithosphere, consistent with the regional tectonic structure. Revisions to the ice model are consistent with radiocarbon constraints on ice sheet history and provide good agreement with the observed sea-level history for the study regions as well as RSL histories previously described for the Strait of Georgia and southern Vancouver Island. / Graduate / 0372

Contemporary and future relative sea-level (RSL) rise that can be attributed to anthropogenic climate change sees significant spatial variability as a result of the processes that underlie it. Some of the processes that contribute to RSL rise unrelated to anthropogenic climate change can and have had significant contributions. In this work, we examined the contributions of one of these processes, glacial isostatic adjustment (GIA), in the coastal regions of Atlantic Europe. These regions have seen significant RSL rise associated with a collapsing peripheral bulge throughout the Holocene and are expected to see more throughout the Anthropocene. Using the recently published paleo sea level database (García-Artola et al., 2018) which follows the HOLSEA RSL data assessment and reporting protocol (Khan et al., 2019) we determined optimal Earth model parameters for much of Atlantic Europe. These optimal parameters fit the data well and largely agree with values determined for previous works on peripheral bulges along the coasts of North America. We further used these results to perform a rudimentary sea-level budget analysis at 10 tide gauge stations, yielding results with high uncertainties and significant discrepancies between observed and projected rates of RSL change for half (5) of the tide gauge stations. Our results lead to the conclusion that GIA remains an important factor when predicting present and future RSL change.

Die Antarktis ist eine Schlüsselregion für die Entwicklung des Klimageschehens auf der Erde. Globale Satellitennavigationssysteme (GNSS) helfen dabei, die damit verbundenen geodynamischen Prozesse besser zu verstehen, indem mit wiederholten oder kontinuierlichen Messungen präzise Deformationsraten der festen Erde abgeleitet werden. Neben der Bestimmung von plattentektonischen Bewegungen zählt in den Polargebieten insbesondere die Erfassung des glazial-isostatischen Ausgleichs (GIA) zu den wichtigsten Anwendungsbereichen von GNSS. GIA beschreibt die Reaktion der festen Erde auf sich verändernde Eisauflasten und äußert sich in einer an der Erdoberfläche messbaren Deformation, welche größtenteils durch Umverteilungen des zähflüssigen Mantelmaterials innerhalb der Erde verursacht wird. Die mittels Satellitengravimetrie bestimmten Eismassenbilanzen, welche etwa bei Klimamodellierungen verwendet werden können, weisen große Fehlereinflüsse durch die Unsicherheiten der GIA-bedingten Massenumverlagerungen auf. Deshalb sind die GNSS-Ergebnisse für die Validierung der GIA-Modelle und darauf basierende Untersuchungen von großer Bedeutung. In der hier vorliegenden Arbeit wurde eine konsistente Prozessierung von allen verfügbaren, in der Antarktis auf Fels gemessenen GNSS-Daten durchgeführt. Die Daten wurden im Rahmen der internationalen Kooperation GIANT-REGAIN (Geodynamics In ANTarctica based on REprocessing GNSS dAta INitiative) zur Verfügung gestellt und die Ergebnisse dieser Arbeit stellen zugleich einen Beitrag dazu dar. Ein großes Problem der bisherigen GNSS-Untersuchungen der Antarktis war der beschränkte Umfang, sei es in Folge einer regionalen Analyse oder durch eine eingeschränkte Auswahl an GNSS-Stationen bei Auswertungen im kontinentalen oder globalen Maßstab. Einige wichtige Regionen wurden zudem nur sehr selten berücksichtigt, etwa die durch extreme Eismassenverluste gekennzeichnete Amundsensee-Region. Die verschiedenen GNSS-Untersuchungen verwendeten unterschiedliche Auswertestrategien, Eingangsmodelle und Referenzrahmen, weshalb sich die Raten nicht direkt miteinander vergleichen lassen. Eine Validierung der GIA-Modelle ist daher in den meisten Fällen nur eingeschränkt möglich. Mit der hier durchgeführten gemeinsamen Prozessierung von mehr als 250 GNSS-Stationen für den Zeitraum von 1995 bis 2017 konnten die bisherigen Limitierungen umgangen werden. Für fast alle Stationen ließen sich Deformationsraten bestimmen, welche einer einheitlichen Auswertung entstammen und sich daher direkt vergleichen und interpretieren lassen. Neben der Prozessierung der GNSS-Daten lag ein Fokus auch auf den dazugehörigen Metadaten. Deren korrekte oder unzureichende Erfassung kann einen signifikanten Einfluss auf die abgeleiteten Deformationsraten haben. Durch den Aufbau eines Datenmanagementsystems mit mehreren graphischen Schnittstellen wurde die Datenverwaltung deutlich effizienter gestaltet. Außerdem ließen sich damit viele Fehler detektieren und größtenteils beheben. Weitere Untersuchungsschwerpunkte waren die Optimierung der Realisierung des geodätischen Datums durch Anpassung der Datumsstationsauswahl, die Detektion von Ausreißern und Sprüngen in den Zeitreihen für eine zuverlässige Trendschätzung sowie die Behandlung offensichtlicher Probleme einiger Stationen. Zu den auffälligsten Problemen zählen die Auswirkungen von fehlerhaften Metadaten und von Eisablagerungen innerhalb der Antenne. In diesem Zusammenhang zeigte sich auch, dass automatisierte Verfahren zur Detektion von Ausreißern und Sprüngen sowie robuste Verfahren gegenüber diesen Anomalien für viele Stationen sehr gute Resultate liefern. Es gibt aber auch mehrere Stationen mit einer besonderen Charakteristik, für die eine manuelle Nachbearbeitung dringend anzuraten ist. Insbesondere die Eisablagerungen in den Antennen, welche bisher noch nicht genauer untersucht wurden, können von diesen Verfahren nicht adäquat berücksichtigt werden. Weiterhin wurden im Rahmen einer sorgfältigen Genauigkeitsabschätzung realistische Maße für die Unsicherheiten der GNSS-Deformationsraten abgeleitet. Die mit GNSS ermittelten Deformationsraten der Antarktis wurden im geodynamischen Kontext betrachtet. In der Ostantarktis fallen die vertikalen Deformationsraten sehr gering aus und umfassen nur wenige Millimeter pro Jahr, wobei das Vorzeichen häufig wechselt. Dagegen sind die vertikalen Deformationsraten in der Westantarktis deutlich größer und können mehrere Millimeter pro Jahr betragen. Eine Sonderstellung nehmen dabei die extremen Hebungsraten der Amundsensee-Region ein, welche in dieser Arbeit ausführlicher untersucht wurde. Die dort ermittelten GNSS-Raten von bis zu 62mm/a und die um den Effekt rezenter Eismassenänderungen reduzierten Raten von bis zu 45mm/a stellen weltweit die größten bisher gemessenen Hebungsraten aufgrund glazial induzierter Deformationen dar. Mit zunehmendem Abstand zu den großen Gletschern dieser Region werden die Raten schnell kleiner, woraus große Gradienten resultieren. Fast alle GIA-Modelle unterschätzen die aus GNSS abgeleiteten Hebungsraten um fast eine Größenordnung im Bereich der Gletscher der Amundsensee-Region. Die Ursache liegt mit hoher Wahrscheinlichkeit in der Kombination aus einer besonderen Rheologie (geringe Mächtigkeit der Lithosphäre und geringe Viskosität der Asthenosphäre) und großen Eismassenverlusten in den letzten Jahrzehnten begründet. Dadurch dominieren jüngere Ereignisse der Vereisungsgeschichte die rezenten Raten, weshalb die klassische Trennung von sofortigen (elastischen) und über Jahrtausende anhaltenden Deformationen in diesem Fall nicht zu funktionieren scheint. Ein geringer Einfluss von tektonischen Prozessen und besonders Vulkanismus kann nicht ausgeschlossen werden, signifikante Anteile sind aber sehr unwahrscheinlich. Die horizontalen Deformationsraten der Antarktis spiegeln hauptsächlich die plattentektonische Bewegung wider. Nach Abzug der anteiligen Bewegung der Antarktischen Platte (starres Modell) fallen die horizontalen Raten sehr gering aus, was auch auf die Relativgeschwindigkeiten zutrifft. Deshalb kann die Antarktische Lithosphärenplatte insgesamt als sehr stabil betrachtet werden. Nur zwischen der Antarktischen Halbinsel und den Südlichen Shetlandinseln sowie in der Amundsensee-Region sind größere horizontale Raten vorzufinden, welche durch die Existenz einer separaten Lithosphärenplatte (Shetland-Platte) bzw. im Bereich der Amundsensee durch GIA verursacht werden. / Antarctica is a key region for the development of the climate on Earth. Global Navigation Satellite Systems (GNSS) help to better understand the associated geodynamic processes by deriving precise deformation rates of the solid Earth using repeated or continuous measurements. Besides the determination of plate tectonic movements, the determination of glacial isostatic adjustment (GIA) is one of the most important applications of GNSS in polar regions. GIA describes the response of the solid Earth to changing ice-loads. It manifests itself in a deformation measurable at the Earth's surface, which is mainly caused by redistributions of the viscous mantle material within the Earth. The ice-mass balances determined by satellite gravimetry, which serves as an input variable for climate modelling, are largely affected by errors due to the uncertainties of the GIA-induced mass redistributions. Therefore, GNSS results are very important for the validation of GIA models and studies based on them. In this thesis a consistent processing of all GNSS data was performed which were measured on bedrock in Antarctica. The data were made available within the international cooperation GIANT-REGAIN (Geodynamics In ANTarctica based on REprocessing GNSS dAta INitiative). In turn, the results of this work are a contribution to this project as well. A major problem of previous GNSS studies in Antarctica has been the limited coverage, resulting from either a regional analysis or a limited selection of GNSS sites for investigations on a continental or global scale. Moreover, some important regions were only very rarely considered, such as the Amundsen Sea embayment which is characterized by an extreme ice-mass loss. Various GNSS studies accomplished so far used different processing strategies, input models and reference frames, so that inferred rates cannot be compared directly. Therefore, in most cases a validation of the GIA models is only possible to a limited extent. Now, with the joint processing of more than 250 GNSS sites for the period from 1995 to 2017 the previous limitations could be circumvented. Deformation rates could be determined for almost all sites, which are derived from a homogeneous analysis and are, therefore, directly comparable and interpretable. Besides the processing of GNSS data another focus lies on the treatment of associated metadata. Their correct or insufficient acquisition can have a significant influence on the derived deformation rates. By setting up a data management system including various graphical interfaces the data handling has been made significantly more efficient. In addition, many errors were detected and could be corrected to a great extent. Further aspects of the investigations include the optimization of the geodetic datum definition by adjusting the fiducial site selection, the detection of outliers and jumps in the time series for a reliable trend estimation, and the handling of obvious problems of some sites. Erroneous metadata and ice deposits within the antenna are among the most problematic effects. In this context, it was also shown that automated methods for the detection of outliers and jumps as well as robust methods to mitigate or eliminate these anomalies provide very good results for many sites. However, there still exist several sites with special characteristics where manual revisions are strongly recommended for. Especially the ice deposits within the antennas, which have not been investigated in detail yet, cannot be adequately considered by these methods. Furthermore, realistic measures for the uncertainties of the GNSS deformation rates were derived by a careful accuracy estimation. The deformation rates determined with GNSS in Antarctica were analysed in a geodynamic context. In East Antarctica, the vertical deformation rates are very small with only a few millimeters per year and a frequently changing sign. In contrast, the vertical deformation rates in West Antarctica are much higher and can reach several millimeters per year. The extreme uplift rates in the area of the Amundsen Sea embayment play a special role and were investigated in more detail within this thesis. There, the GNSS rates reach values of up to 62mm/a and, reduced by the effect of recent ice-mass changes, of up to 45mm/a. They represent the largest measured uplift rates due to glacially induced deformations worldwide. With increasing distance to the large glaciers of this region, the rates decrease rapidly, resulting in large gradients. Nearly all GIA models underestimate the GNSS-derived uplift rates by almost an order of magnitude in that area. This is most likely due to the combination of a special rheology (small thickness of the lithosphere and low viscosity of the asthenosphere) and an extreme ice-mass loss during the last decades. As a result, more recent events in the ice-load history dominate the present-day rates, which is why the classical separation of immediate (elastic) deformations and those that persist over millennia does not seem to work in this case. A minor effect of tectonic processes and especially volcanism cannot be excluded but has most likely no significant influence. The horizontal deformation rates in Antarctica mainly reflect plate tectonic motion. After deducting the proportional motion of the Antarctic Plate, the horizontal rates are very small, which also applies to the relative velocities. Therefore, the Antarctic Plate can be considered as very stable overall. Only between the Antarctic Peninsula and the South Shetland Islands as well as in the Amundsen Sea embayment larger horizontal rates can be found, which are caused by a separate lithospheric microplate (Shetland Plate) or by the considerable GIA effect in the Amundsen Sea embayment, respectively.

The satellite gravimetry mission Gravity Record And Climate Experiment (GRACE), which was operational from 2002 to 2017, and its follow-on mission GRACE-Follow-On (GRACE-FO), which has been active since 2018, revolutionized the observation of temporal changes of the Earth's gravitational field. The measurement data from these missions enable the nuanced quantification of mass redistributions on Earth. Water redistributions between continents and oceans caused by climate change are of particular research interest because of their relevance for mankind. These are, for example, the ice mass changes (IMC) of the ice sheets in Antarctica and Greenland, which this work focuses on. IMC estimates derived from satellite gravimetry data, like from other quantification methods, confirm that both the Greenland Ice Sheet (GIS) and the Antarctic Ice Sheet (AIS) have been losing mass over the last two decades. However, these estimates are subject to large uncertainties, which is particularly the case for the AIS. If the mass balance is obtained from gravimetric observations, a major source of uncertainty is the consideration of effects due to glacial isostatic adjustment (GIA). The uncertainty of the present-day gravitational field changes caused by the isostatic adjustment of the solid Earth to IMC during the last centuries and millennia propagates into estimates of the recent IMC. According to results of the Ice sheet Mass Balance Inter-comparison Exercise (IMBIE), the spread of different modelling results predicting the GIA-induced mass effect in Antarctica is almost as large as the estimated rate of the IMC itself. In Greenland, the spread of the mass effect from different GIA modelling results is approximately 20 % of the rate of IMC. Alternatively, the IMC can be determined using surface elevation changes derived from satellite altimetry observations. In this case, any GIA error hardly affects the results, but there is a significant source of uncertainty in the conversion of volume changes into mass changes. It is possible to combine data from satellite gravimetry and satellite altimetry to jointly estimate IMC and GIA mass effects, e.g. by solving an inverse problem (joint data inversion). This is an alternative to the use of GIA modelling results in processing satellite gravimetry data. Results from data combination methods are not only a means to an end to improve the estimation of IMC. They also can contribute to answer geodynamic questions. However, previous estimation strategies for combining satellite gravimetry and satellite altimetry data are subject to some limitations. Many approaches only allow to estimate GIA in a regional framework and not in global framework. Other approaches strongly depend on a priori information from geophysical modelling which are subject to large uncertainties. Furthermore, limitations are due to processing choices, e.g. the use of deterministic parameters over defined time intervals or, e.g. due to the consideration of errors in the applied data sets. This work investigates advancements of data combination methods that allow to quantify IMC and present-day GIA effects. Specifically, the approaches investigated here combine measured gravitational field changes from satellite gravimetry, measured surface elevation changes from satellite altimetry, modelled surface mass balances from regional climate modelling, and modelled firn thickness changes from firn modelling. This cumulative dissertation comprises three publications that investigated three aspects of data combination approaches. The first publication analysed a regional combination approach in Antarctica and results therein demonstrated a significant dependence of the estimated GIA effect on the input data sets and applied processing choices. A bias correction can significantly reduce an initial bias in the determined GIA effect associated to the spherical harmonic coefficients of degree-1 and c₂₀. However, this bias correction regionally constrains the GIA estimate and prevents to implement such an approach in a global framework. The second publication infers long-term mass trends with their temporal changes jointly observed from satellite gravimetry and satellite altimetry data. To do so, a state-space filtering framework was applied to the data sets allowing to estimate temporal changes of the parameters over time while accounting for temporal correlation of short-term fluctuations. Thereby, an accelerating ice-dynamically induced ice mass loss is found for drainage basins in West Antarctica. In contrast, the temporal variability of long-term trends in East Antarctica is low. Noteworthy, the trends in Dronning Maud Land and Enderby Land are positive. The third publication presents a global approach to jointly estimate IMC, GIA effects and firn thickness changes, while accounting for spatial error covariances of the input data sets. The intention of the utilized GIA parametrization in Antarctica is to spatially resolve GIA effects that were not predicted by GIA models. Simulation experiments demonstrated the feasibility of the approach under the presence of realistic limitations of satellite observations and model products. This framework paper also reports a first application of the inversion method of Publication~3 to real data. The focus of this application is on Antarctcia over the time interval January 2011 to December 2020. Results for the AIS are: (i) an IMC of (−150 ± 5) Gt a⁻¹, (ii) a change of the firn air content of (40 ± 5) km³ a⁻¹, and (iii) an integrated GIA-induced mass effect of (72 ± 4) Gt a⁻¹. These results are promising with regard to the application of this methodology, as they are similar to previously published estimates. But they are estimated in a globally consistent framework and without applying conventional filtering strategies. Future work should further improve the methodology and eventually implement it in a global inversion framework that allows to jointly estimate all sea-level contributions.:1 Introduction 2 Processes over ice sheets inducing changes in Earth’s gravity and geometry 3 Data sets 4 Data combinations over ice sheets 5 Publications 6 Inversion of real data for glacial isostatic adjustment and ice mass changes in Antarctica 7 Outlook 8 Conclusions / Die Satellitengravimetriemission Gravity Record And Climate Experiment (GRACE), die von 2002 bis 2017 aktiv war, sowie die seit 2018 aktive Nachfolgemission GRACE-Follow-On (GRACE-FO) revolutionierten die Beobachtung zeitlicher Änderungen des Gravitationsfeldes der Erde. Die Messdaten dieser Missionen ermöglichen die differenzierte Quantifizierung von Massenumverteilungen auf der Erde. Von besonderen Forschungsinteresse, aufgrund ihrer Relevanz für die Menschheit, sind dabei durch den Klimawandel verursachte Umverteilungen von Wasser zwischen den Kontinenten und dem Ozean. Das sind beispielsweise die Eismassenänderungen der Eisschilde in Antarktika sowie Grönland, die im Fokus dieser Arbeit stehen. Aus Messdaten der Satellitengravimetrie ermittelte Eismassenänderungen bestätigen, wie auch andere Quantifizierungsmethoden, dass der Grönländische Eisschild sowie der Antarktische Eisschild während der letzten zwei Jahrzehnte an Masse verloren haben. Allerdings sind diese Schätzungen mit großen Unsicherheiten behaftet, was insbesondere auf den Antarktischen Eisschild zutrifft. Wird die Massenbilanz mit gravimetrischen Beobachtungen ermittelt, ist eine wesentliche Quelle für die Unsicherheit die Berücksichtigung der Effekte aufgrund des glazial-isostatischen Ausgleichs (GIA). Die Unsicherheit über die gegenwärtigen Änderungen des Gravitationsfeldes, aufgrund des isostatischen Ausgleichs der festen Erde an Eismassenänderungen während der letzten Jahrhunderte und Jahrtausende, pflanzt sich in die Schätzung rezenter Massenänderungen fort. Laut Ergebnissen von vergleichenden Untersuchungen zu Eisschildmassenbilanzen (Ice sheet Mass Balance Inter-comparison Exercise, IMBIE) ist in Antarktika die Bandbreite unterschiedlicher Modellierungen des GIA-induzierten Masseneffekts fast so groß wie die ermittelte Rate der Eismassenänderung selbst. In Grönland beträgt die Bandbreite des Masseneffekts unterschiedlicher GIA-Modellierungen ungefähr 20 % der Eismassenänderungsrate. Alternativ lassen sich die Eismassenänderungen mittels Oberflächenhöhenänderungen bestimmen, die aus Beobachtungen der Satellitenaltimetrie abgeleitet werden. Dabei beeinflussen GIA Fehler die Ergebnisse kaum, allerdings besteht dabei eine wesentliche Quelle der Unsicherheit bei der Konversion von Volumenänderungen in Massenänderungen. Es besteht die Möglichkeit, Daten der Satellitengravimetrie sowie der Satellitenaltimetrie zu kombinieren und somit die Eismassenänderungen sowie GIA-Masseneffekte gemeinsam zu bestimmen, z. B. als Lösung eines inversen Problems (gemeinsame Dateninversion). Dies ist eine Alternative zur Verwendung von Ergebnissen der GIA-Modellierung in der Datenprozessierung der Satellitengravimetrie. Ergebnisse von Datenkombinationsmethoden sind dabei nicht nur ein Mittel zum Zweck, um die Schätzung von Eismassenänderungen zu verbessern. Sie können auch zur Beantwortung geodynamischer Fragestellungen beitragen. Allerdings unterliegen bisherige Schätzverfahren, die Daten der Satellitengravimetrie und Satellitenaltimetrie kombinieren, Limitierungen. Viele Ansätze ermöglichen die GIA Schätzungen nur in einem regionalen Rahmen und nicht in einem globalen Rahmen. Andere Ansätze hängen stark von Vorinformationen der geophysikalischen Modellierung ab, die aber große Unsicherheiten aufweisen. Außerdem ergeben sich Limitierungen durch gewählte Prozessierungsentscheidungen, wie z. B. durch die Verwendung deterministischer Parameter über definierte Zeitintervalle oder z. B. durch die Berücksichtigungen der Fehler der verwendeten Datensätze. Diese Arbeit untersucht Weiterentwicklungen von Datenkombinationsmethoden, welche die Quantifizierung von Eismassenänderungen und des gegenwärtigen GIA-induzierten Masseneffekts ermöglichen. Konkret kombinieren die hier untersuchten Ansätze: gemessene Gravitationsfeldänderungen der Satellitengravimetrie, gemessene Oberflächenhöhenänderungen der Satellitenaltimetrie, modellierte Oberflächenmassenbilanzen sowie modellierte Firndickenänderungen der regionalen Klimamodellierung. Diese kumulative Dissertation umfasst drei Publikationen, die drei Aspekte von Datenkombinationsansätzen untersuchten. Die erste Publikation analysierte einen regionalen Kombinationsansatzes in Antarktika und die Ergebnisse zeigten eine bedeutende Abhängigkeit des ermittelten GIA-Effekts von den verwendeten Eingangsdatensätzen und Prozessierungsentscheidungen. Ein ursprünglicher Bias im ermittelten GIA-Effekt, aufgrund der sphärisch-harmonischen Koeffizienten vom Grad-1 sowie c₂₀, kann durch eine Biaskorrektur erheblich reduziert werden. Dadurch sind die GIA-Schätzungen allerdings regional beschränkt und es wird verhindert, dass ein solcher Ansatz in einem globalen Rahmen implementiert werden kann. Die zweite Publikation ermittelt Langzeitmassentrends zusammen mit deren zeitlichen Änderungen, die von der Satellitengravimetrie und Satellitenaltimetrie gemeinsam beobachtet werden. Hierfür wurde ein Zustandsraumfilterverfahren auf die Datensätze angewandt, das es ermöglicht, die zeitlichen Veränderungen der Parameter über die Zeit zu bestimmen, unter der Berücksichtigung zeitlicher Korrelation kurzfristiger Fluktuationen. Dabei zeigt sich für Abflussbecken in der Westantarktis ein sich beschleunigender eisdynamisch induzierter Eismassenverlust. Dagegen ist die zeitliche Variabilität der Langzeittrends in der Ostantarktis gering. Bemerkenswert ist, dass die Trends im Dronning Maud Land und Enderby Land positiv sind. Die dritte Publikation präsentiert einen globalen Ansatz, der die gemeinsame Schätzung von Eismassenänderung, der GIA-Effekte sowie Änderungen der Firndicke ermöglicht, unter der Berücksichtigung räumlicher Fehlerkovarianzen. Bei der Wahl der GIA-Parametrisierung in Antarktika wurde die Intention verfolgt, GIA-Effekte räumlich aufzulösen, die bisher nicht von GIA-Modellen vorhergesagt wurden. Mit Simulationsexperimenten konnte die Machbarkeit des Ansatzes unter realistischer Limitierungen der Satelliten- und Modellprodukte demonstriert werden. Diese Rahmenschrift präsentiert auch eine erste Anwendung der Inversionsmethode aus Publikation 3 unter Verwendung echter Daten. Der Fokus dieser Anwendung liegt auf Antarktika über das Zeitintervall Januar 2011 bis Dezember 2020. Ergebnisse für den Antarktischen Eisschild sind: (i) eine Eismassenänderung von (−150 ± 5) Gt a⁻¹, (ii) eine Änderung des Luftgehalts der Firnschicht von (40 ± 5) km³ a⁻¹ und (iii) ein integrierter GIA-induzierter Masseneffekt von (72 ± 4) Gt a⁻¹. Diese Ergebnisse sind vielversprechend mit Hinblick auf die Anwendbarkeit der Methode, da sie vergleichbar zu bereits publizierten Ergebnissen sind. Dabei wurden sie in einem global-konsistenten Rahmen ohne die Anwendung konventioneller Filterungen ermittelt. Im Zuge zukünftigen Arbeiten soll die Methodik weiter verbessert werden und schließlich in einem globalen Inversionsrahmen implementiert werden, der die Bestimmung aller Meeresspiegelbeiträge gemeinsam ermöglicht.:1 Introduction 2 Processes over ice sheets inducing changes in Earth’s gravity and geometry 3 Data sets 4 Data combinations over ice sheets 5 Publications 6 Inversion of real data for glacial isostatic adjustment and ice mass changes in Antarctica 7 Outlook 8 Conclusions

Estimating mass changes of ice sheets or of the global ocean from satellite gravimetry strongly depends on the correction for the glacial isostatic adjustment (GIA) signal. However, geophysical GIA models are different and incompatible with observations, particularly in Antarctica. Regional inversions have resolved GIA over Antarctica without ensuring global consistency, while global inversions have been mostly constrained by a priori GIA patterns. For the first time, we set up a global inversion to simultaneously estimate ice sheet mass changes and GIA, where Antarctic GIA is spatially resolved using a set of global GIA patterns. The patterns are related to deglaciation impulses localized along a grid over Antarctica. GIA associated with four regions outside Antarctica is parametrized by global GIA patterns induced by deglaciation histories. The observations we consider here are satellite gravimetry, satellite altimetry over Antarctica and Greenland, as well as modelled firn thickness changes. Firn thickness changes are also parametrized to account for systematic errors in their modelling. Results from simulation experiments using realistic signals and error covariances support the feasibility of the approach. For example, the spatial RMS error of the estimated Antarctic GIA effect, assuming a 10-year observation period, is 31% and 51%, of the RMS of two alternative global GIA models. The integrated Antarctic GIA error is 8% and 5%, respectively, of the integrated GIA signal of the two models. For these results realistic error covariances incorporated in the parameter estimation process are essential. If error correlations are neglected, the Antarctic GIA RMS error is more than twice as large.Highlights We present a globally consistent inversion approach to co-estimate glacial isostatic adjustment effects together with changes of the ice mass and firn air content in Greenland and Antarctica. The inversion method utilizes data sets from satellite gravimetry, satellite altimetry, regional climate modelling, and firn modelling together with the full error-covariance information of all input data. The simulation experiments show that the proposed GIA parametrization in Antarctica can resolve GIA effects unpredicted by geophysical modelling, despite realistic input-data limitations.

Glacial isostatic adjustment (GIA) is the process by which the solid Earth responds to past and present-day changes in glaciers, ice caps, and ice sheets. This thesis focuses on vertical crustal motion of the Earth caused by GIA, which is influenced by several factors including lithosphere thickness, mantle viscosity profile, and changes to the thickness and extent of surface ice. The viscosity of the mantle beneath Antarctica is a poorly constrained quantity due to the rarity of relative sea-level and heat flow observations. Other methods for obtaining a better-constrained mantle viscosity model must be investigated to obtain more accurate GIA model predictions. The first section of this study uses seismic wave tomography to determine mantle viscosity. By calculating the deviation of the P- and S-wave velocities relative to a reference Earth model (PREM), the viscosity can be determined. For Antarctica mantle viscosities obtained from S20A (Ekstrom and Dziewonski, 1998) seismic tomography in the asthenosphere range from 1016 Pa∙s to 1023 Pa∙s, with smaller viscosities beneath West Antarctica and higher viscosities beneath East Antarctica. This agrees with viscosity expectations based on findings from the Basin and Range area of North America, which is an analogue to the West Antarctic Rift System. Section two compares bedrock elevations in Antarctica to crustal thicknesses, to infer mantle temperatures and draw conclusions about mantle viscosity. Data from CRUST 2.0 (Bassin et al., 2000), BEDMAP (Lythe and Vaughan, 2001) and specific studies of crustal thickness in Antarctica were examined. It was found that the regions of Antarctica that are expected to have low viscosities agree with the hot mantle trend found by Hyndman (2010) while the regions expected to have high viscosity are in better agreement with the trend for cold mantle. Bevis et al. (2009) described new GPS observations of crustal uplift in Antarctica and compared the results to GIA model predictions, including IJ05 (Ivins and James, 2005). Here, we have generated IJ05 predictions for a three layered mantle (viscosities ranging over more than four orders of magnitude) and compared them to the GPS observations using a χ2 measure of goodness-of-fit. The IJ05 predictions that agree best with the Bevis et al. observations have a χ2 of 16, less than the null hypothesis value of 42. These large values for the best-fit model indicate the need for model revisions and/or that uncertainties are too optimistic. Equally important, the mantle viscosities of the best-fit models are much higher than expected for West Antarctica. The smallest χ2 values are found for an asthenosphere viscosity of 1021 Pa•s, transition zone viscosity of 1023 Pa∙s and lower mantle viscosity of 2 x 1023 Pa∙s, whereas the expected viscosity of the asthenosphere beneath West Antarctica is probably less than 1020 Pa∙s. This suggests that revisions to the IJ05 ice sheet history are required. Simulated annealing was performed on the ice sheet history and it was found that changes to the recent ice load history have the strongest effect on GIA predictions. / Graduate