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Antarktis: Kieler Studie liefert Daten über Struktur des eisigen Kontinents

Europäische Weltraumorganisation veröffentlicht 3D-Modell des Antarktischen Kontinents.

Die Antarktis gehört zu den am wenigsten erforschten Gebieten der Welt. Aufgrund der massiven Eisbedeckung ist die Erhebung geophysikalischer Informationen vor Ort extrem schwierig und kostspielig. Satellitendaten der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) dienten jetzt als Basis für neue Erkenntnisse über den inneren Aufbau des Kontinents Antarktika. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) kürzlich im Journal of Geophysical Research: Solid Earth in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des British Antarctic Survey, Großbritannien, und der Technischen Universität Delft, Niederlande.

Visualisierung des 3D-Modells der Antarktis

Der Kontinent Antarktika.

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Blick in die Tiefe aus dem All

Die neu ausgewerteten Daten des GOCE-Satelliten der ESA über das Gravitationsfeld der Erde gewähren in Kombination mit seismologischen Modellen beispiellose Einblicke in die Lithosphäre, also die tiefe Kruste und den oberen Erdmantel unter dem vereisten Kontinent. Dafür haben Folker Pappa, Doktorand an der Kieler Universität und Erstautor der Studie, sowie Jörg Ebbing, Professor für Geophysik an der CAU, unter anderem die speziellen Gradientendaten des Satelliten genutzt: „Sie erlauben eine sehr viel größere Detailtiefe bei der Analyse der tiefen Erdstrukturen”, so Pappa. Aus diesen Informationen können die Wissenschaftler beispielsweise Rückschlüsse auf die Tiefe des Übergangs von Erdkruste zu Erdmantel ziehen – und diese unterscheiden sich enorm auf dem rund 14 Millionen Quadratkilometer großen Gebiet. „Unter der geologisch gesehen jungen Westantarktis ist die Erdkruste mit etwa 25 Kilometern vergleichsweise dünn, und der Erdmantel ist bereits in weniger als 100 Kilometern Tiefe zähflüssig. Ostantarktika hingegen ist ein  kratonischer Schild mit dicker Kruste, der über eine Milliarde Jahre alt ist. Hier hat das Mantelgestein noch in über 200 Kilometern Tiefe feste Eigenschaften.“

Die Darstellung der tiefen 3D-Erdstruktur unter der Antarktis erlaubt zudem neue Erkenntnisse über die sogenannte glazial-isostatische Anpassung, erklärt Co-Autor Professor Wouter van der Wal von der Technischen Universität Delft: „Diese Prozesse beschreiben, wie der Kontinent auf aktuelle und vergangene Veränderungen der Eisschilde reagiert und sie beeinflusst. In größerer Tiefe herrschen höhere Temperaturen, sodass sich Gesteine zähflüssig verhalten können. Das Gewicht des Eises drückt die festen Gesteinsmassen in den zähflüssigen Erdmantel. Schmelzen allerdings die Eisschilde ab, lässt auch der Druck auf das Festland nach, und die Erde hebt sich in diesem Gebiet.“

Außerdem fanden die Wissenschaftler große Temperaturunterschiede im Erdmantel unterhalb des Antarktis. „Diese haben dazu geführt, dass sich verschiedene Regionen des Kontinents mit sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten gehoben und gesenkt haben – und dies auch heute tun“, so Wouter. Die neuen Informationen über die Struktur der Lithosphäre, insbesondere der Krustendicke, sind auch entscheidend für die Abschätzung des Wärmeflusses aus dem Erdinneren. Dieser bestimmt maßgeblich die Schmelzraten an der Eisschildbasis und damit die Fließgeschwindigkeiten der Gletscher.

„Das sind natürliche Wechselwirkungen zwischen Eis und der festen Erde. Im Detail konnten diese Vorgänge in der Antarktis aufgrund bislang der fehlenden Erdmodelle nicht genauer untersucht werden”, ergänzt Pappa. Sein persönliches Highlight ist ein noch immer kaum erforschtes, über dreitausend Meter hohes subglaziales Gebirge in der Ostantarktis: „Hier ist die feste Erde mit rund 260 Kilometern am mächtigsten. Das ist eine spannende Struktur, von der wir nicht wissen, wie sie genau aussieht, denn das Gebirge ist vollständig von Eisschilden bedeckt.”

Antarktika als 3D-Modell

Gefördert wurde die Forschung im Rahmen der Projekte GOCE+Antarctica und 3D Earth durch die Europäische Weltraumorganisation. Das internationale Konsortium beider Projekte besteht aus neun Institutionen in sechs europäischen Ländern. „3D Earth bietet uns verlockende neue geophysikalische Erkenntnisse über die tiefe Struktur und Entwicklung des antarktischen Kontinents. Diese neuen Modelle der Dicke der Kruste und der Lithosphäre sind zum Beispiel entscheidend für das Verständnis der grundlegenden Zusammensetzung und tektonischen Architektur der Antarktis”, betont Dr. Fausto Ferraccioli, leitender Geophysiker beim British Antarctic Survey, und Co-Autor der Studie. „Damit können wir auch die früheren  Verbindungen Antarktikas zu anderen Kontinenten wie Australien, Afrika und Indien besser verstehen“, so Ferraccioli.

„Wir lernen die Antarktis erstmals richtig kennen”, so Ebbing. Neben der Temperaturverteilung haben die Forscher auch andere Eigenschaften der festen Erde ermittelt, beispielsweise die Zusammensetzung und die Dichte des Gesteins. Teil der Projektförderung ist ein beeindruckende 3D-Modell der Antarktis, erstellt durch die ESA.

Teil des Projekts ist ein beeindruckendes 3D-Modell der Antarktis, das von der ESA erstellt wurde. Roger Haagmans von der ESA ergänzt: „Dies sind wichtige Ergebnisse auch bezogen auf unser Verständnis von der Veränderung des Meeresspiegels in Folge von Eisverlust aus der Antarktis. Wenn die Eismasse verloren geht, schwingt die feste Erde zurück und dieser Effekt muss bei den Volumenänderungen des Eises berücksichtigt werden. Dies kann genauer bestimmt werden, wenn die Struktur und Zusammensetzung des Erdinneren besser bekannt ist.“

Visualisierung der tiefen Struktur des Kontinents Antarktika.
© Planetary Visions (credit: ESA/Planetary Visions)

Die Tiefe Struktur des Kontinents Antarktika.

Originalpublikation:

Pappa, F., Ebbing, J., Ferraccioli, F., & van der Wal, W. ( 2019). Modeling satellite gravity gradient data to derive density, temperature, and viscosity structure of the antarctic lithosphere. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 124. https://doi.org/10.1029/2019JB017997

Weiterführende Links:

GOCE+Antarctica: www.bas.ac.uk/project/goceantarctica
3D Earth: www.3dearth.uni-kiel.de

Folker Pappa mit Globus
© Claudia Eulitz, Uni Kiel

Doktorand Folker Pappa hat die Antarktis vermessen.

Kontakt:

Folker Pappa
Institut für Geowissenschaften
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
0431/880-4562
folker.pappa@ifg.uni-kiel.de  

Kontakt:

Prof. Dr. Jörg Ebbing
Institut für Geowissenschaften
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
0431/880-2832
joerg.ebbing@ifg.uni-kiel.de

Pressekontakt:

Claudia Eulitz
Sachgebietsleitung Presse, Digitale und Wissenschaftskommunikation