<p>  </p> <p>Reconstructing past glacier and ice-sheet extents is important to better understand how glacial systems have responded to past climate changes in hope of constraining predictions of their responses to ongoing anthropogenic climate warming. As such, the most recent period of climatic variations, from the Last Glacial Maximum (LGM, ca. 21 ka) through today, is of great interest as a prominent example of how ice has reacted to past climatic warming events. Surface exposure dating utilizing cosmogenic nuclides can directly constrain when past ice deglaciated in current and former glacial landscapes. Numerous studies have utilized long-lived cosmogenic radionuclides (i.e., 10Be, 26Al) in polar regions to reconstruct glacial systems. However, due to prevalent non-erosive cold-based ice, prior nuclides from pre-LGM can be preserved. </p> <p>The research described in this dissertation applies <em>in situ </em>cosmogenic 14C (<em>in situ</em> 14C), an emerging geochronometer, to polar glacial landscapes in Sweden and Antarctica to constrain the timing and rate of glacial ice retreat. <em>In situ </em>14C more closely reflects the post-LGM deglacial signal in polar regions because it is less likely to preserve prior nuclides (inheritance) under minimally erosive ice. Our cosmogenic 10Be–26Al–14C concentrations near the Riukojietna ice cap, the last remaining ice cap in Sweden, combined with a sedimentary record from a proximal proglacial lake, indicate the ice cap likely survived during a warm period in the Holocene, but was less extensive than today. The <em>in situ</em> 14C exposure data from nunataks in western Dronning Maud Land (DML), East Antarctica indicate significant coastal thickening (up to 850 m) not predicted by models to date. In addition, this work dates the timing of post-LGM ice surface lowering in two drainage basins in western DML. These results demonstrate the significant contribution of <em>in situ</em> 14C in polar regions.</p> <p>In addition to applications of <em>in situ</em> 14C in polar regions, this work also describes the development of a compositionally dependent <em>in situ</em> 14C production rate calculator. The ability to extract <em>in situ</em> 14C from samples which quartz cannot be separated (either quartz-poor or fine-grained) would allow new avenues of research. The computational framework will be a useful tool in efforts to broaden the utility of <em>in situ</em> 14C to quartz-poor and fine-grained rock types. </p>

Au cours des dernières décennies, les observations de glace de glacier enfouie exposée dans les falaises côtières et les glissements de terrain causés par le dégel du pergélisol arctique démontrent que des quantités importantes de glace de glacier ont survécu à la déglaciation et sont toujours préservées dans le pergélisol. Le premier volet de cette étude visait à caractériser des expositions de la glace massive observée à l’île Bylot, au Nunavut, afin de connaitre l’origine de la glace. Puisque la glace de glacier enfouie peut jouer un rôle important dans l’évolution des paysages périglaciaires, cette thèse s’intéresse également au rôle joué par la glace de glacier enfouie dans l'initiation et l’évolution de lacs de thermokarst. Nos résultats démontrent que le pergélisol de l'île Bylot contient des restes de glace de glacier du Pléistocène qui ont survécu aux dernières déglaciations. Dans la vallée Qarlikturvik, des masses de glace intraglaciaire (dérivée du névé) sont associées à un courant de glace de l’inlandsis laurentidien qui recouvrait une partie de la plaine sud de l’île vers la fin du Pléistocène. Cette masse de glace formait une zone de convergence avec les glaciers alpins locaux s'écoulant de la calotte glaciaire centrée sur les monts Byam Martin. Sur l’un des plateaux bordant la vallée Qarlikturvik, une masse de glace de glacier enfouie est associée à la partie basale d'un glacier dont l’âge minimal est estimé à environ 0.77 Ma, mais pourrait être aussi vieux que 2.6 Ma. En raison de sa localisation, à environ 500 m d’altitude, la glace proviendrait vraisemblablement d’une avancée glaciaire régionale et pourrait être associée à la Glaciation de Baffin, soit la plus vieille avancée glaciaire régionale reconnue sur l'île Bylot. De plus, cette glace représente le plus vieux reste de glacier connu en Amérique du Nord et l’une des premières indications de glaciations dans l’est de l’Arctique canadien. La persistance et la fonte tardive de ces épaisses couches de glace de glacier datant du Pléistocène ont eu des effets importants sur le paysage de l'île Bylot, notamment sur les lacs. En effet, nos résultats démontrent que l'initiation des lacs profonds (> 5 m) est liée à la fonte de la glace de glacier enfouie. Ces lacs de thermokarst glaciaire continueront d’évoluer dans un contexte périglaciaire par la fonte de la glace intrasédimentaire (p. ex., glace de ségrégation) et des coins de glace formés ultérieurement dans les sédiments encaissants lors de l’aggradation du pergélisol suivant le retrait glaciaire. Alors qu’une grande partie des paysages arctiques est encore fortement déterminée par leur héritage glaciaire, la fonte de ces masses de glace aura un impact important sur la dynamique des géosystèmes et écosystèmes arctiques. / Over the past decades, observations of buried glacier ice exposed in coastal bluffs and headwalls of retrogressive thaw slumps of the Arctic have indicated that considerable amounts of late Pleistocene glacier ice survived the deglaciation and are still preserved in permafrost. The first phase of this project aimed to characterize two exposures of massive ice observed on Bylot Island (Nunavut) to infer their origins. Since buried glacier ice can play a significant role in reshaping periglacial landscapes, this study also investigates the initiation and development of thermokarst lakes in a tundra valley in response to the melting of buried glacier ice. Our results show that the permafrost of Bylot Island contains remnants of Pleistocene glacier ice that survived the past deglaciations. In the Qarlikturvik valley, bodies of englacial ice (firn-derived) originated from an ice stream flowing from the Laurentide Ice Sheet, which covered part of the southern plain of the island towards the end of the Pleistocene. These glacier ice bodies formed a convergence zone with local alpine glaciers flowing from the ice cap centred over the Byam Martin Mountains. On the edge of a flat plateau bordering the Qarlikturvik Valley, a buried glacier ice body is associated with the basal part of a glacier whose minimum age is estimated at 0.77 Ma, but could be as old as 2.6 Ma. Due to its location on a 500-m a.s.l. plateau, the ice likely originates from a regional glacial advance and could be associated with the Baffin Glaciation, which is the oldest known glaciation on Bylot Island. In addition, this buried glacier ice represents the oldest glacier ice preserved in ice-free Arctic landscapes, and the earliest evidence of a Pleistocene glaciation in the eastern Canadian Arctic Archipelago. The persistence and delayed melting of these thick beds of buried Pleistocene glacier ice had wide-ranging effects on the landscape of Bylot Island. Our results suggest that the initiation of deeper thermokarst lakes (> 5 m) was triggered by the melting of buried glacier ice in our study area, while shallow thermokarst lakes were triggered from the melting of intrasedimental ice and ice wedges. These glacial thermokarst lakes will continue to evolve in a periglacial context through the melting of intrasedimental ice (e.g. segregation ice) and ice wedges subsequently formed in the surrounding sediments during permafrost aggradation following the glacial retreat. As most of the glaciated Arctic landscapes are still strongly determined by their glacial legacy, the melting of these large ice bodies will have significant impacts on Arctic ecosystems and geosystems.

Mit der Weiterentwicklung von Sensoren und Methoden hat die Satellitenfernerkundung innerhalb der letzten 20 Jahre nicht nur einen großen Stellenwert in der Polarforschung errungen, sondern vor allem die Herangehensweisen an eine Vielzahl glaziologischer Probleme grundlegend verändert. RADAR-Sensoren (Radio Detection and Ranging) sind dabei besonders bei der Erkundung vereister Regionen hilfreich und tragen stark zur Ableitung klimasensitiver Parameter im Bereich der Antarktis bei. Nach einem einführenden Überblick im ersten wird im zweiten Kapitel mit Darstellungen zur Nutzung von RADAR-Messungen für Fernerkundungszwecke begonnen. Die zur Erhöhung der räumlichen Auflösung verwendete SAR-Prozessierung (Synthetic Aperture Radar) wird daraufhin kurz umrissen, bevor zu den Grundlagen der interferometrischen Auswertung (InSAR) übergeleitet wird. Bei dieser werden Phasendifferenzen unterschiedlicher Aufnahmen für Messzwecke eingesetzt. In den Beschreibungen wird aufgezeigt, wie sich derartige Messungen für die Ermittlung von Oberflächentopographie und Fließverhalten in polaren Regionen nutzen lassen. Eine Darstellung der ebenfalls benötigten Methoden zur Bestimmung von Verschiebungen in Bildpaaren und das Messprinzip der Laseraltimetrie beenden diesen Theorieteil. Das dritte Kapitel der Arbeit ist der Vorstellung des Arbeitsgebietes und der genutzten Datensätze gewidmet. Nach der geographischen Einordnung des Untersuchungsgebietes werden die wichtigsten glaziologischen Gegebenheiten vorgestellt. In der sich anschließenden Beschreibung genutzter Datensätze werden vor allem die für diese Region verfügbaren Höhen- und Ozeangezeitenmodelle intensiver besprochen. Die Bestimmung der Oberflächentopographie durch differentielle SAR-Interferometrie (DInSAR) ist Thema des vierten Kapitels. Nachdem die nötigen technischen Aspekte des Prozessierungsablaufes knapp erläutert wurden, werden die Unterschiede bei der Doppeldifferenzbildung benachbarter und identischer Wiederholspuren herausgearbeitet. Danach wird am Beispiel gezeigt, wie mithilfe von ICESat-Daten (Ice, Cloud and Land Elevation Satellite) eine Basislinienverbesserung zur genaueren Höhenbestimmung durchgeführt werden kann. Die ursprünglich separat abgeleiteten Höhenmodelle werden dann zu einer gemeinsamen Lösung kombiniert, welche abschließend hinsichtlich ihrer Genauigkeit besprochen und anderen Modellen vergleichend gegenübergestellt wird. Die Ableitung von Fließgeschwindigkeiten mit dem Hintergrund einer späteren Berechnung von Massenflüssen ist Gegenstand des fünften Kapitels, wobei drei unterschiedliche Methoden genutzt werden. Im ersten Fall wird das für RADAR-Bilder typische, hochfrequente Rauschen zur Bestimmung von Verschiebungen in ALOS-Daten (Advanced Land Observing Satellite) genutzt. Mit dieser Methode können durchgehende Fließgeschwindigkeitsfelder vom aufliegenden Bereich über die Aufsetzzone bis auf das Schelfeis ermittelt werden. DesWeiteren werden aus ERS-Daten (European Remote Sensing Satellite), die über einen Zeitraum von reichlich 13 Jahren vorliegen, Verschiebungen durch die Verfolgung von unveränderten, aber sich bewegenden Eisstrukturen bestimmt. Bei der als Drittes angewendeten, interferometrischen Methode werden aufsteigende und absteigende Satellitenspuren kombiniert, um die Fließinformationen zu rekonstruieren. In den jeweiligen Sektionen wird neben der Vorstellung der Ergebnisse auch deren Genauigkeit diskutiert. Das letzte große, sechste Kapitel untergliedert sich in zwei Teile. Im ersten dieser beiden Abschnitte wird gezeigt, wie InSAR und DInSAR zur Lagekartierung der Aufsetzzone eingesetzt werden können. Dabei werden die auf diese Weise ermittelten Ergebnisse dargestellt und diskutiert. Im zweiten, umfangreicheren Teil werden die zuvor gewonnenen Höhen- und Geschwindigkeitsinformationen genutzt, um deren Einfluss aus den InSAR-Messungen zu eliminieren, wodurch vertikale Höhenunterschiede mittels InSAR bestimmt werden können. Dies ist besonders für den Bereich der Aufsetzzone und des Schelfeises von Interesse, da diese Areale teilweise oder vollständig von Ozeangezeiten beeinflusst werden. Nach einer Luftdruckkorrektion werden den ermittelten Höhenunterschieden (entlang selektierter Profile) die Prädiktionen zwölf verfügbarer Ozeangezeitenmodelle gegenübergestellt. Die RMS-Werte dieser Differenzen werden abschließend genutzt, um die Qualität der Ozeangezeitenmodelle für die Region des Arbeitsgebietes einzustufen. Zum Abschluss werden in einer Zusammenfassung noch einmal die wichtigsten Ergebnisse aller Kapitel resümiert und bewertet. / The development of new satellite sensors within the last 20 years along with changes towards more sophisticated processing strategies has not only given a new impetus to remote sensing data in view of polar research but also changed how a variety of glaciological problems are being addressed today. Particularly RADAR (radio detection and ranging) sensors are well-suited for the observation of glaciated areas and have already helped to retrieve a vast amount of climate sensitive parameters from the area of Antarctica. After an introductive overview at the beginning, the second chapter continues with the description of how RADAR measurements can be used to generate remote sensing images. The principle of synthetic aperture RADAR (SAR) which allows a better focusing of the RADAR measurements and therewith a rigorous increase of the spatial resolution of the images is outlined generally before more precise descriptions explain how interferometric SAR (InSAR) analyses can be used for the determination of surface topography heights and area-wide flow velocities. Two other techniques, namely matching methods for the determination of shifts between two images as well as the laser satellite altimetry are explained at the end of this chapter which closes the theoretical basics. The next section introduces the area of interest along with data sets which were used for validation purposes. After a careful exposure of the geographical situation, single objects such as ice streams and ice shelves are described in more detail. The following part, the data set introduction, has besides the description of other measurements its focus on topography and ocean tide models which are available for the area of investigation. Chapter four deals with the estimation of surface topography heights from differential InSAR (DInSAR) analyses. Therein the major differences for the usage of similar repeat tracks in contrast to neighboring, overlapping tracks will be shown and thoroughly discussed. The example of one track will be used to demonstrate how the required baseline estimation can be achieved if ICESat (Ice, Cloud and Land Elevation Satellite) profiles are used as tie points. Afterwards, all separately derived height models will be combined to obtain one final solution followed by an error analysis. A comparison to other available elevation models visualizes the spatial resolution of the derived model. The utilization of three different methods for the estimation of surface flow velocities (with the background of possible mass flux determinations) is the topic of the fifth chapter. The first case describes the usage of the high frequent noise contained in RADAR images for the tracking of horizontal surface displacements. Based on ALOS (Advanced Land Observing Satellite) data a flow velocity field which extends from the interior of the ice sheet across the grounding zone up to the ice shelf will be presented. Secondly, geocoded ERS (European Remote Sensing Satellite) images covering a time span of more than 13 years are used to track the motions of well-structured flat areas (ice shelf and glacier tongue). In the third approach used descending and ascending satellite passes will be combined in conjunction with a surface parallel flow assumption to interferometrically derive flow velocities in grounded areas. In each section respective errors will be discussed in order to evaluate the accuracy of the performed measurements. The last bigger chapter, number six, is divided into two sections. In the first one the adoption of SAR and InSAR with respect to the mapping of the grounding line location will be demonstrated. Results of the entire working area will be presented and compared to other data. The second section deploys the results of topography heights and flow velocities to remove both effects from the InSAR measurements which then allows to also measure height changes. This is of particular interest for the floating areas of ice shelf which are fully affected by ocean tides as well as for the grounding zone locations which partially experience deformations due to these height changes. After the correction for air pressure, changes between the image acquisitions, height changes along selected profiles are compared to twelve different ocean tide models. The RMS values of the differences are then used to evaluate the quality of these models for the working area. The most important results and conclusions are summarized in the last chapter.