The primary objective of the NASA sponsored ICESat mission is to study the short and long term changes in the ice mass in the Greenland and Antarctica regions. The satellite was therefore placed into a frozen near-polar near-circular repeat groundtrack to ensure an adequate coverage of the polar regions while keeping the groundtrack periodic and reducing the variations in the orbital elements, and more specifically the semi-major axis of the ICESat orbit. After launch, a contingency plan had to be devised to compensate for a laser that dangerously compromised the lifetime of the ICESat mission. This new plan makes an intensive use of the ICESat subcycles, a characteristic of the repeat groundtrack orbits often over-looked. The subcycle of a repeat groundtrack orbit provide global coverage within a time shorter than the groundtrack repetition period. For a satellite with an off-nadir pointing capacity, the subcycles provide near-repeat tracks which represents added opportunity for altimetry measurement over a specific track. The ICESat subcycles were also used in a very innovative fashion to reposition the satellite within its repeat cycle via orbital maneuvers called phasing maneuver. The necessary theoretical framework is provided for the subcycle analysis and the implementation of phasing maneuvers for any future repeat orbit mission. In the perspective of performing cross-validation of missions like CryoSat using the ICESat off-nadir capacity, a study was conducted to determine the geolocations of crossovers between two different repeat groundtrack Keplerian orbits. The general analytical solution was applied to ICESat vs. several other repeat groundtrack orbit mission, including the future ICESat-II mission. ICESat’s repeat groundtrack orbit was designed using a disturbing force model that includes only the Earth geopotential. Though the third body effect from the Sun and the Moon was neglected in the orbit design, it does in fact disrupt the repeatability condition of the groundtrack and consequently implies orbit correction maneuvers. The perturbations on ICESat orbit due to the third body effect are studied as a preliminary work towards including these forces in the design of the future ICESat-II repeat groundtrack orbit. / text

As the global climate changes, understanding short-term variations in water storage is increasingly important. Continuously operating Global Positioning System (cGPS) stations in Iceland record annual periodic motionthe elastic response to winter accumulation and spring melt seasonswith peak-to-peak vertical amplitudes over 20 mm for those sites in the Central Highlands. Here for the first time for Iceland, we demonstrate the utility of these cGPS-measured displacements for estimating seasonal and shorter-term ice cap mass changes. We calculate unit responses to each of the five largest ice caps in central Iceland at each of the 62 cGPS locations using an elastic half-space model and estimate ice mass variations from the cGPS time series using a simple least squares inversion scheme. We utilize all three components of motion, taking advantage of the seasonal motion recorded in the horizontal. We remove secular velocities and accelerations and explore the impact that seasonal motions due to atmospheric, hydrologic, and nontidal ocean loading have on our inversion results. Our results match available summer and winter mass balance measurements well, and we reproduce the seasonal stake-based observations of loading and melting within the 1 sigma confidence bounds of the inversion. We identify nonperiodic ice mass changes associated with interannual variability in precipitation and other processes such as increased melting due to reduced ice surface albedo or decreased melting due to ice cap insulation in response to tephra deposition following volcanic eruptions, processes that are not resolved with once or twice-yearly stake measurements.

Die Kryosphäre interagiert mit verschiedenen anderen Subsystemen der Erde. Variationen der klimatischen Bedingungen führen zu kryosphärischen Massenänderungen und somit zu Änderungen des globalen Meeresspiegels. Gleichzeitig induzieren Massenvariationen des Eises und des Ozeans Deformationen der festen Erde, welche sich aus einer instantanen elastischen und einer möglichen verzögerten viskosen Reaktion (glazial-isostatischer Ausgleich – GIA) zusammensetzen. Der räumlich variable Effekt der Meeresspiegeländerung relativ zur sich deformierenden Erdkruste wird gravitativ konsistent durch die Meeresspiegelgleichung beschrieben. Er ist die entscheidende Größe zur Abschätzung des Einflusses der Meeresspiegeländerungen auf die Küsten. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Bestimmung rezenter Massenänderungen der Eisschilde Antarktikas (AIS) und Grönlands (GIS) mittels geodätischer Daten. Zur Ableitung der Massenbilanzen beider Eisschilde wurde auf Daten der Satellitenmission GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) zurückgegriffen. Für den Zeitraum 2003/10–2009/10 konnten die Beiträge von AIS und GIS zur globalen Meeresspiegeländerung zu 0,26 ± 0,08 bzw. 0,59 ± 0,06mm/a bestimmt werden. Auf Basis wiederholter Höhenmessungen durch das Satellitenaltimeter ICESat (Ice, Cloud, and land Elevation Satellite) stand eine zweite unabhängige Schätzung der Massenbilanzen zur Verfügung. Während für den GIS beide Massenbilanzen im Rahmen der zugehörigen Fehlermaße übereinstimmen, treten für den AIS regional größere Differenzen auf. Diese konnten auf mögliche Restfehler in einer instrumentellen Korrektion der ICESat-Mission, Limitierungen der angewendeten Volumen-Massen-Umrechnung sowie auf Fehler in den genutzten GIA-Modellen zurückgeführt werden. Für die Ableitung von Eismassenänderungen aus GRACE-Daten stellen GIA-Prädiktionen eine wichtige Reduktionsgröße dar. In Antarktika weisen verfügbare Modelle noch große Unsicherheiten auf. Für den Bereich des Amundsen-See-Sektors (Westantarktika), welcher den größten Teil zur negativen Massenbilanz des AIS beiträgt, konnte eine empirische GIA-Schätzung aus der Kombination von Massenänderungen aus GRACE und Volumenänderungen aus ICESat abgeleitet werden. Diese empirische Schätzung unterscheidet sich signifikant von den Prädiktionen verfügbarer GIA-Modelle. Eine Validierung der Ergebnisse mittels aus GPS-Beobachtungen abgeleiteten vertikalen Deformationen der Erdkruste bestätigte die empirische Schätzung. Die GPS-beobachteten Deformationen enthalten sowohl rezente eisinduzierte als auch GIA-bedingte Signalanteile. Zu deren Trennung wurden gravitativ konsistent modellierte elastische Krustendeformationen verwendet, welche auf hoch aufgelösten ICESat-Daten basieren. Insbesondere bei der Analyse von GRACE-Daten hat eine Änderung der GIA-Reduktion einen signifikanten Einfluss auf die bestimmte Massenbilanz. Im Vergleich zur Verwendung einer modellierten GIA-Reduktion ergab sich durch die Anwendung der empirischen Reduktion ein um ~40% größerer Eismassenverlust im Untersuchungsgebiet. Sowohl in den Zeitreihen der Massenänderungen als auch in den Variationen der Eisoberflächenhöhen konnten nichtlineare Signale detektiert werden. Die Analyse von GRACE-Monatslösungen im Zeitraum 2003–2012 belegt einen erhöhten Meeresspiegelbeitrag des AIS und des GIS in den letzten Jahren. Signale dieses erhöhten Massenverlusts sind auch durch andere Sensoren detektierbar. Am Beispiel des Jakobshavn Isbræ (GIS) wurde ein beschleunigtes Fließverhalten mittels optischer Satellitendaten (Landsat) nachgewiesen und mit der beschleunigten Krustenhebung an einer benachbarten GPS-Station korreliert. Darüber hinaus wurden beobachtete Krustendeformationen auch zur Validierung der aus ICESat-Daten modellierten elastischen Deformationen genutzt. Für den Thwaites-Gletscher (AIS) konnte der Nachweis über eine Zunahme der Fließgeschwindigkeit und eine verstärkte Eishöhenabnahme durch die Hinzunahme radarbasierter Satellitendaten (TerraSAR-X, TanDEM-X) erbracht werden. Auf diese Weise war es möglich, die durch Landsat und ICESat bereitgestellten Zeitreihen zu verlängern.

Satellite geodesy plays an important role in earth observation. This dissertation presents three applications of satellite geodesy in environmental and climate change. Three satellite geodesy techniques are used: high-precision Global Positioning System (GPS), the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) and Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR). In the first study, I use coastal uplift observed by GPS to study the annual changes in mass loss of the Greenland ice sheet. The data show both spatial and temporal variations of coastal ice mass loss and suggest that a combination of warm atmospheric and oceanic condition drove these variations. In the second study, I use GRACE monthly gravity change estimates to constrain recent freshwater flux from Greenland. The data show that Arctic freshwater flux started to increase rapidly in the mid-late 1990s, coincident with a decrease in the formation of dense Labrador Sea Water, a key component of the deep southward return flow od the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC). Recent freshening of the polar oceans may be reducing formation of Labrador Sea Water and hence may be weakening the AMOC. In the third study, I use InSAR to monitor ground deformation caused by CO2 injection at an enhanced oil recovery site in west Texas. Carbon capture and storage can reduce CO2 emitted from power plants, and is a promising way to mitigate anthropogenic warming. From 2007 to 2011, ~24 million tons of CO2 were sequestered in this field, causing up to 10 MPa pressure buildup in a reservoir at depth, and surface uplift up to 10 cm. This study suggests that surface displacement observed by InSAR is a cost-effective way to estimate reservoir pressure change and monitor the fate of injected fluids at waste disposal and CO2 injection sites.

Die Kryosphäre interagiert mit verschiedenen anderen Subsystemen der Erde. Variationen der klimatischen Bedingungen führen zu kryosphärischen Massenänderungen und somit zu Änderungen des globalen Meeresspiegels. Gleichzeitig induzieren Massenvariationen des Eises und des Ozeans Deformationen der festen Erde, welche sich aus einer instantanen elastischen und einer möglichen verzögerten viskosen Reaktion (glazial-isostatischer Ausgleich – GIA) zusammensetzen. Der räumlich variable Effekt der Meeresspiegeländerung relativ zur sich deformierenden Erdkruste wird gravitativ konsistent durch die Meeresspiegelgleichung beschrieben. Er ist die entscheidende Größe zur Abschätzung des Einflusses der Meeresspiegeländerungen auf die Küsten. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Bestimmung rezenter Massenänderungen der Eisschilde Antarktikas (AIS) und Grönlands (GIS) mittels geodätischer Daten. Zur Ableitung der Massenbilanzen beider Eisschilde wurde auf Daten der Satellitenmission GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) zurückgegriffen. Für den Zeitraum 2003/10–2009/10 konnten die Beiträge von AIS und GIS zur globalen Meeresspiegeländerung zu 0,26 ± 0,08 bzw. 0,59 ± 0,06mm/a bestimmt werden. Auf Basis wiederholter Höhenmessungen durch das Satellitenaltimeter ICESat (Ice, Cloud, and land Elevation Satellite) stand eine zweite unabhängige Schätzung der Massenbilanzen zur Verfügung. Während für den GIS beide Massenbilanzen im Rahmen der zugehörigen Fehlermaße übereinstimmen, treten für den AIS regional größere Differenzen auf. Diese konnten auf mögliche Restfehler in einer instrumentellen Korrektion der ICESat-Mission, Limitierungen der angewendeten Volumen-Massen-Umrechnung sowie auf Fehler in den genutzten GIA-Modellen zurückgeführt werden. Für die Ableitung von Eismassenänderungen aus GRACE-Daten stellen GIA-Prädiktionen eine wichtige Reduktionsgröße dar. In Antarktika weisen verfügbare Modelle noch große Unsicherheiten auf. Für den Bereich des Amundsen-See-Sektors (Westantarktika), welcher den größten Teil zur negativen Massenbilanz des AIS beiträgt, konnte eine empirische GIA-Schätzung aus der Kombination von Massenänderungen aus GRACE und Volumenänderungen aus ICESat abgeleitet werden. Diese empirische Schätzung unterscheidet sich signifikant von den Prädiktionen verfügbarer GIA-Modelle. Eine Validierung der Ergebnisse mittels aus GPS-Beobachtungen abgeleiteten vertikalen Deformationen der Erdkruste bestätigte die empirische Schätzung. Die GPS-beobachteten Deformationen enthalten sowohl rezente eisinduzierte als auch GIA-bedingte Signalanteile. Zu deren Trennung wurden gravitativ konsistent modellierte elastische Krustendeformationen verwendet, welche auf hoch aufgelösten ICESat-Daten basieren. Insbesondere bei der Analyse von GRACE-Daten hat eine Änderung der GIA-Reduktion einen signifikanten Einfluss auf die bestimmte Massenbilanz. Im Vergleich zur Verwendung einer modellierten GIA-Reduktion ergab sich durch die Anwendung der empirischen Reduktion ein um ~40% größerer Eismassenverlust im Untersuchungsgebiet. Sowohl in den Zeitreihen der Massenänderungen als auch in den Variationen der Eisoberflächenhöhen konnten nichtlineare Signale detektiert werden. Die Analyse von GRACE-Monatslösungen im Zeitraum 2003–2012 belegt einen erhöhten Meeresspiegelbeitrag des AIS und des GIS in den letzten Jahren. Signale dieses erhöhten Massenverlusts sind auch durch andere Sensoren detektierbar. Am Beispiel des Jakobshavn Isbræ (GIS) wurde ein beschleunigtes Fließverhalten mittels optischer Satellitendaten (Landsat) nachgewiesen und mit der beschleunigten Krustenhebung an einer benachbarten GPS-Station korreliert. Darüber hinaus wurden beobachtete Krustendeformationen auch zur Validierung der aus ICESat-Daten modellierten elastischen Deformationen genutzt. Für den Thwaites-Gletscher (AIS) konnte der Nachweis über eine Zunahme der Fließgeschwindigkeit und eine verstärkte Eishöhenabnahme durch die Hinzunahme radarbasierter Satellitendaten (TerraSAR-X, TanDEM-X) erbracht werden. Auf diese Weise war es möglich, die durch Landsat und ICESat bereitgestellten Zeitreihen zu verlängern.