A GRÖNLANDI JÉGTAKARÓ KUTATÁSA TÁVÉRZÉKELÉSSEL Csathó Csathó Beáta, Beáta, University University at at Buffalo, Buffalo, SUNY, SUNY, Buffalo, Buffalo, NY, NY, USA USA (Kiss (Kiss János, János, ELGI, ELGI, Budapest) Budapest) 1 University at Buffalo Climate Research Group, Remote Sensing and Paleoclimate Labs http://www.geology.buffalo.edu/ ; http://rsl.geology.buffalo.edu J. Briner, B. Csathó, T. Schenk, MS és PhD hallgatók Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 2
Az elmúlt évezred hőmérsékletváltozásának rekonstrukciója és IPCC becslések a következő évszázadra Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 3 Tengerszint emelkedés, jelenlegi és várható változások (Nicholls and Cazenave, Science 2010) Empirikus becslések The red curve is based on tide gauge measurements. The black curve is the altimetry record (zoomed over the 1993 2009 time span). IPCC AR4, A1F1 üvegházhatás modell Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 4
Regionális tengerszint emelkedés műholdas magasság mérési adatokból (Topex-Poseidon, Jason 1 és 2, GFO, ERS-1 és 2, Envisat), 1992 október-2009 július. (Nicholls and Cazenave, Science 2010) Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 5 A múlt segíthet megjósolni a jövőt! Grönland (A, EPICA jégminta) és Antarktisz (B, Vosztokjégminta) hőmérsékletének változása és a jégmennyiség össztérfogata az elmúlt 450 ezer évben Marine Isotope Stage 5 (MIS 5), ezen belül az Eemian interglaciális időszakban az átlaghőmérséklet a 21. században várható hőmérséklethez hasonló volt. Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 6
Last interglaciális 8ooo évvel ezelőtt Grönlandi jégtakaró 2ooo-ben A grönlandi jégtakaró az utolsó interglaciális (Eemian) és egy az átlagosnál melegebb Holocén időszakban, modellezési eredmények és jelenleg Otto-Bliesner et al., 2006 Tarasov and Peltier, 2003 7 Fő kutatási feladatok Az antarktiszi és grönlandi belföldi jégárak változásainak mérése: jégár kiterjedés, jég vastagság és gleccser sebesség változása; Jelenleg észlelt változások összehasonlítása az elmúlt évezredek trendjével; Jövőbeli változások becslése; Nagy területek pontos felmérésére van szükség és ez csak légi vagy műholdas mérésekkel lehetséges; Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 8
Jégárak tömegmérlege, Legfontosabb műholdak és légi távérzékelési rendszerek és programok ERS-1,2: műholdas radar magasságmérés, ESA, 1991- ATM; Airborne topographic Mapper, légi lézeres térképezés, NASA, 1993- GRACE, Gravity Recovery and Climate Experiment, 2002- ICESat, Ice Cloud and land Elevation Satellite, az első műholdas lézer a Föld térképezésére, NASA, 2003-2009 CryoSat-2, interferometrikus radar magasságmérés, ESA, 2010- ENVISat, Environmental Satellite, különböző műszerek, köztük radar magasságmérő, ESA, 2002- Operation IceBridge, NASA légi felmérési programja az ICESat és ICESat-2 műholdak működése közötti időszakban ICESat-2, tervezett NASA lézer magasságmérő műholdas program, 2015- ERS CryoSat Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 9 A grönlandi belföldi jégár tömegmérlege 1992-2009 Légi lézeres magasság mérés (ATM) 1,2 Műholdas radar magasságmérés (ERS) 4 Légi és műholdas magasságmérés (ICESatandATM) 3 Gravitációs tér időbeli változása (GRACE) 8,9,10,11,12 Gravitációs tér időbeli változása, uj tanulmanyok (GRACE) 13,14 Hagyományos tömegmérleg számitás, jégfluxus a jégár határán (veszteség) a teljes csapadék mennyiséggel (nyereség) összehasonlitva 5,6,7 14 13 GRACE becslések: (10) April 2002-February 2009 230 ±33 Gt/yr ~ 250 km 3 /yr (11) 2000-2008: 237 ±20 Gt/yr ~ 255 km 3 /yr 2008 (1,2) Krabillet al., 2000, 2004; ;(3) Thomas et al., 2006; (4) Zwallyet al., 2005; (5-7) Rignotand Kanagaratnam (2006); (8-9) Velicognaand Wahr, 2005, 2006; (10) Ramillienet al., 2006; (11) Chen et al., 2006; (12) Lutchkeet al., 2006; (13) Velicogna, 2009; (14) van Boerkeet al., 2009; Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 10
A tömegmérleg pontosítása műholdas lézeres mérések újrafeldolgozásával Lézeres magasságmérés pontos jégfelszín magasságot szolgáltat: Légi lézeres magasságmérés (ATM, LVIS), 1993- Műholdas lézeres magasságmérés (ICESat), 2003-2009; Változások meghatározása lézeres magasságmérési adatokból még mindig igazi kihivást jelent, mert a mérések mind térben és időben elszórtan történnek; A legtöbb feldolgozási eljárás vagy a térbeli vagy az időbeli felbontást áldozza fel. Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 11 Távérzékelési fejlesztéseink céljai Új eljárás kifejlesztése amely különböző mérőrendszerekkel gyűjtött adatokból képes meghatározni a felszín változásait. A grönlandi belföldi jégár felszín változásának és teljes térfogat változásának meghatározása 2003 és 2009 között. Felszíni változások térbeli eloszlásának térképezése és a dinamikusan változó jégterületek meghatározása. A dinamikus jégvékonyodás mérése jelentős gleccsereken a dinamikus tömegvesztés terjedési mechanizmusának elemzésére. Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 12
Adatok: Ice, Cloud and Land Elevation Satellite (ICESat) ~30 napos adatgyűjtés 2-3 alkalommal évente 2003 és 2009 között összesen 18 adatgyűjtési fázis, az utolsó 2009 októberében fejeződött be. L1A L2F fázisok 2003 Feb 2009 Oct Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 13 Műholdas (ICESat) és légi (ATM) lézeres mérések együttes feldolgozása Légi lézeres mérések részletes és pontos képet adnak a fontosabb grönlandi gleccserek változásáról; Jó lefedettség Grönland déli részén, ahol a műhold pályák távol esnek egymástól; Légi és műholdas lézeres mérések együttes feldolgozása részlesebb és pontosabb felmérést és pontosabb hibabecslést tesz lehetővé. 1993-2007 Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 14
Műholdas (ICESat, kék) és légi (ATM, vörös) adatok kombinációja a tér és időbeli lefedés javítására Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 15 Surface Elevation Reconstruction And Change detection (SERAC) Program Csomag (T. Schenk and B. Csatho, UB) Modell: Egy analitikus függvénnyel jól közelíthető felület amely folyamatosan változik; Mérések: felszín magasságának mérése különböző időpontokban és különböző ponteloszlással; A változó felszínt egyszerre rekonstruáljuk térben és időben. t1 t2 dh Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 16
Jégárak felszíne hatványfüggvényekkel közelíthető Felszíndomborzat ATM mérésekből Közelítési hiba harmadrendű hatványfüggvények esetén, függvény elemek 200 méteresek. Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 17 Surface Elevation Reconstruction And Change detection (SERAC) A következő feltételek érvényesek: Felszínelemek analitikus függvényekkel közelíthetőek; A felszínelemek időbeli alakváltozása matematikai transzformációkkal leírhatók; A felszínelemek alakváltozása: A legáltalánosabb megoldás egy merev test transzformáció (forgatás, eltolás) deformációval kombinálva; Jelenlegi megoldás: csak z irányú eltolást feltételezünk, azaz a jégfelszín emelkedik vagy süllyed, de nem deformálódik! Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 18
ICESat lézerpontok leszálló és felszálló műholdpályák kereszteződése körül ICESat adatgyűjtési időszakok L2B L2C L3A L3B L3C L3D L3E L3F L3G L3H L3I 500 m Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 19 Matematika modell, Megoldás a legkisebb négyzetek elvével a 1 a 5 : shape parameters a 0 : absolute elevation 20
Adatfeldolgozás Lézer pontok kiválasztása mérési szelvények kereszteződése, crossover körül Feldolgozási lépések valamennyi crossover esetén Harmadfokú közelítőfelület alakjának és időbeli változásának (z-shift) meghatározása Átlagos jég vastagság változás meghatározása, 2003-2009 Felszíni magasság változás (h(t)) trendjének közelítése negyedfokú hatványfüggvénnyel Felszíni magasság változás dh/dt becslése az ICESatmérési periódusok idején a közelítő analitikus függvény deriválásával Átlagos vastagság változás interpolálása Felszíni magasság változás dh/dt interpolálása a 19 ICESatadatgyűjtési periódusra Átlagos felszíni magasság változás térképe Össztérfogat változás Felszíni magasság változás térképek a 19 ICESat adatgyűjtési periódus idején Össztömeg változás Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 21 Output Felszínváltozás egy ICESat-ATM kereszteződésben ICESat mérések: kék pontok, ATM mérések: vörös pontok Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 22
Grönland tömegvesztesége műholdas mérésekből (bal) és műholdas és légi lézeres mérésekből (jobb) ICESatcrossover only ICESat/ICESatand ICESat/ATM crossovers ICESat megoldás: 2003 Feb 2009 March Térfogat változás: -216 ±25 km 3 /yr Tömeg változás: -192 ±20 Gt/yr SERAC megoldás ICESat és ATM mérések kombinálásával: 2003 Feb 2009 Oct Térfogat változás: -243 ±12 km 3 /yr Tömeg változás: -221 ±10 Gt/yr Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 23 A grönlandi belföldi jégár tömegmérlege Légi léyeres magasság mérés (ATM) 1,2 Műholdas radar magasságmérés (ERS) 3 Légi és műholdas magasságmérés (ICESatandATM) 4 Gravitációs tér időbeli változása (GRACE) 5,6,7,8,9,10,11 Hagyományos tömegmérleg számítás, jégfluxus a jégár határán (veszteség) a teljes csapadék mennyiséggel (nyereség) összehasonlítva 12,13,14 GRACE becslések: (10) April 2002-February 2009 230 ±33 Gt/yr ~ 250 km 3 /yr (11) 2000-2008: 237 ±20 Gt/yr ~ 255 km 3 /yr ICESat becslés: 2003 March 2009 November 220 ±10 Gtyr -1 2008 (1,2) Krabillet al., 2000, 2004; (3) Zwallyet al., 2005; (4) Thomas et al., 2006; (5,6) Velicognaand Wahr, 2005, 2006; (7)Ramilien et al., 2006; (8) Chen et al., 2006; (9) Lutchkeet al., 2006; (10) Velicogna, 2009; (11) van Boerkeet al., 2009; (13) Rignotand Thomas (2002);(14) Rignotand Kanagaratnam(2006) Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 24
A jelenlegi trend folytatódása esetén Grönland jégtömege 15ooo év után teljesen elolvadhat A grönlandi jég térfogatának változása az elmúlt 8oooo év alatt a modell számítások alapján (Simpson et al., 2oo9, QSR) Csökkenés mértéke ICESat és GRACE mérésekből ~24o km 3 /év 0-80 0 +15 idő (ezer év) Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 25 Grönland tömegveszteségének változása 2003-2009 Tömegveszteség, GRACE gravitációs mérések Felszínmagasság változás ICESat mérésekből - Tömegveszteség February 2003- February 2007 Khan et al., 2010, GRL February 2003- June 2009 (m/év) Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 26
Grönlandi jégveszteség Klímahatások A 21 századbeli jég veszteség becsült nagysága numerikus modellezési eredményekből (bal oldal, Huybrechts et al., 2oo4) ICESat mérési eredményekkel összehasonlítva (jobb oldal) 5o-1oo 2o-5o 1o-2o 5-1o 2-5 o-2-2-o -5 - -2-1o 5-2o- - 1o -5o 2o -1oo 5o -3oo - - 1oo -1ooo - -3oo Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 (mm/yr) 27 L3B Oct 2004 L3C June 2005 L3D Nov 2005 L3E March 2006 L3F June 2006-168 -193-229 -250-254 Gt/yr Gt/yr Gt/yr Gt/yr Gt/yr L3G Nov 2006 L3H March 2007 L3I Oct 2007 L3J March 2008 L3K Oct 2008-278 Gt/yr m/yr snow -290-293 -302 Gt/yr Gt/yr Gt/yr Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 28
Tömegveszteség becslések összehasonlítása ICESat mérések, SERAC feldolgozás -245 ±16 Gt/yr Felszíni tömegmérleg adatok klímamodellezésből és gravitációs adatokból -237 ±20 Gt/yr 2005 2006 2007 2008 Van den Broeke et al., 2009, Science Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 29 Grönlandi gleccserek, Változások az elmúlt évtizedekben Jakobshavn Kangerlussuaq Helheim 30
Kangerlussuaq Glacier, Kelet-Grönland Légi és műholdas lézeres mérések nyomvonalai ICESat ground tracks Center of ATM swaths IGS Meeting Columbus OH 2010 ICESat crossovers ICESat/ATM crossovers Elevation (meter) 31 Kangerlussuaq Glacier, Kelet-Grönland Korábbi eredmények Thomas et al., J. Glac2009 A gleccser felszíne egy 2004 és 2005 között megfigyelt különösen nagy borjadzás ( calving event ) után rohamosan kezdett süllyedni. 2005 tavasz-nyár időszakban a tömegveszteség már 50 km távolságra terjedt ki a belföldi jégár magasabb zónái felé. IGS Meeting Columbus OH 2010 32
Magasság változás a Kangerlussuaq gleccseren, a tömegveszteség a grönlandi belföldi jégár központja felé terjed 33 Következtetések Légi lézeres mérések felhasználásával pontosítottuk Grönland tömegmérlegét; Új módszerünk segítségével meghatároztuk a grönlandi belföldi jégár felszínváltozását 2003 és 2009 között: Grönland tömegvesztesége növekedett az elmúlt évtizedben; A tömegveszteség növekszik az ÉNy-i és ÉK-i területeken, míg csökken a DNy-i területen; Az egyes gleccserek változását is megvizsgáltuk: A felszín hirtelen változását figyeltük meg több gleccseren: kinematic wave propagation?? Néhány gleccseren a gleccser felszínmagassága nem csökken, hanem nő. Lehetséges magyarázatok: hidrogeológiai rendszer változása vagy törmelék felhalmozódás miatt a korábban gyorsan mozgó jégár lelassult. Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 34
Paleoéghajlatvizsgálatok tavi üledékekből; Geofizikai mérések (gravitáció, légi mágneses, stb.); GPS és fotogrammetria; Kormeghatározás; Spektrális mérések, stb. Terepi kutatás 9.9±0.3 ka Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 35 Kutatásunkat az alábbi intézmények támogatása tette lehetővé National Science Foundation, Arctic Natural Sciences; Antarctic Geology and Geophysics, Antarctic Glaciology NASA Polar Program, ICESat, ICESat-2 es IceBridge programjai Csathó Bea, Science Team tagság: NASA ICESat mission NASA ICESat-2 Science Definition Team NASA IceBridge mission Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 36
Köszönjük a figyelmet! Új utak a földtudományban, ELGI, 2010 október 20 37