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«Changing Polar Regions 25th International Congress on Polar Research March 17-22, 2013, Hamburg, Germany German Society for Polar Research Edited by ...»

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"Changing Polar Regions" - 25th International Congress on Polar Research 2013 STRUKTURELLE ENTWICKLUNG DER NORDGRENZE DES

KANADISCHEN ARKTISCHEN ARCHIPELS: EIN PASSIVER

KONTINENTALRAND DOMINIERT VON TERTIÄRER LATERALTEKTONIK (EUREKAN)

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Der Nordrand des kanadischen arktischen Archipels zum Kanadabecken und dem Alpharücken hin wurde seit der oberen Unterkreide von mehreren tektonischen und magmatischen Ereignissen betroffen, die mit dem Zerfall des Superkontinents Laurasia in Zusammenhang stehen. Die Orientierung des entstehenden passiven Kontinentalrandes Nordamerikas wurde durch ältere Störungszonen und Gräben auf Ellesmere Island, in Nordgrönland und in Svalbard bestimmt, die bereits im Anschluss an die Svalbardisch-Ellesmerische Orogenese im untersten Karbon entstanden. Diese bereits existierenden Strukturen bereiteten den Weg für den vollständigen Zerfall von Laurasia während der plattentektonischen Umstrukturierung der Arktis in der Kreide und im Tertiär und sind möglicherweise die Ursache für den über 2500 Kilometer langen, erstaunlich geradlinigen Verlauf des passiven Kontinentalrandes Nordamerikas zwischen dem McKenzie-Delta im SW und Nordgrönland im NE.

Die strukturelle Entwicklung des heutigen Kontinentalrandes wird durch die

folgenden magmatischen und tektonischen Ereignisse charakterisiert:

i) Intrusionen tholeiitischer Basaltgänge vor 123 bis 97 Millionen Jahren, die auf ein extensives oder transtensives Regime deuten;

ii) Intrusion des “Wootton Intrusive Complex” (WIC) vor 93 bis 92 Millionen Jahren;

iii) vertikale Bewegungen im Kilometerbereich zwischen 93 und 80 Millionen Jahren, die die Gesteine des WIC in ihr heutiges Niveau hoben;

iv) Extrusion des “Hansen Point Volcanic Complex” vor 80 Millionen Jahren;

v) sowohl sinistrale als auch dextrale tektonische Bewegungen entlang bereits existierender, kontinentrand-paralleler Störungszonen nach dem Altpaläozän.

Verglichen mit der tektonischen Entwicklung des Atlantischen und Arktischen Ozeans fanden die Platznahme der tholeiitischen Basaltgänge (i) und des Wootton Intrusive Complex (ii) sowie die anschließenden vertikalen Bewegungen (iii) zeitgleich mit der einsetzenden Extension in der Labradorsee statt. Die Extrusion der Hansen Point-Vulkanite (iv) stimmt mit der Ozeanbodenspreizung in der südlichen Labradorsee und Extention in der Baffin Bay überein. Die sinistralen und dextralen Lateralbewegungen (v) haben sowohl die Hansen Point-Vulkanite als auch die altpaläozänen Sedimente der Eureka Sound Group betroffen und können daher mit "Changing Polar Regions" - 25th International Congress on Polar Research 2013 dem Beginn der Eureka-Deformation und/oder dem Beginn der Trennung des Lomonosowrückens von Eurasien korreliert werden.

Bis heute können zwei Beobachtungen nicht erklärt werden: i) die Abwesenheit tektonischer und/oder magmatischer Aktivitäten (bis auf die tholeiitischen Basaltgänge) während des Öffnung des Amerasischen Beckens vor 150 bis 115 Millionen Jahren, und ii) die Ursache für das dextrale tektonische Regiome entlang der SW-NE-streichenden großen Störungszonen parallel des heutigen passiven Kontinentalrandes von Ellesmere Island.

"Changing Polar Regions" - 25th International Congress on Polar Research 2013 WEG-ZEIT-DIAGRAMM DER SCHRÖDER-STRANZ EXPEDITION

(DEA) UND DER NORWEGISCHEN UND DEUTSCHEN

RETTUNGSEXPEDITIONEN VOR 100 JAHREN (1912/1913)

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Vor 100 Jahren spielte sich in Spitzbergen und Nordaustlandet eines der größten Dramen in der Erforschung des Spitzbergen-Archipels statt: Im Spätsommer 1912 startete die von Herbert Schröder-Stranz initiierte und organisierte Deutsche ArktisExpedition (DAE) an die Nordküste Svalbards, um Erfahrungen für eine geplante Befahrung der Nordostpassage im Sommer 1913 zu sammeln. Nachdem SchröderStranz mit drei Begleitern nahe der Nordküste Nordaustlandets abgesetzt worden war, musste das Expeditionsschiff „Herzog Ernst“ im Sorgfjorden Schutz suchen und überwintern.

Bereits vier Wochen später löste sich die DAE in Einzelgruppen auf. Bis Ende Dezember 1912 waren bis zu drei Gruppen mit wechselnden personellen Zusammensetzungen auf dem „Herzog Ernst“ und auf dem Weg Richtung Longyearbyen unterwegs oder warteten an verschiedenen Orten auf bessere Bedingungen. Zwischen Januar und August 1913 fanden insgesamt fünf Hilfsexpeditionen nach Nordspitzbergen und Nordaustlandet statt, um nach Schröder-Stranz und seinen Begleitern zu suchen. Erst diesen Hilfsexpeditionen gelang es, die Überlebenden zu versorgen und nach Longyearbyen zurückzubringen.

Von 15 Expeditionsteilnehmern kehrten acht nicht mehr zurück.

Der Ablauf der DAE und der Hilfsexpeditionen ist also durch die vielen Gruppen, die teilweise zeitgleich an mehreren Orten im Norden Svalbards unterwegs waren, äußerst kompliziert, wodurch es schwer fällt, einen zeitlichen und räumlichen Überblick über die verschiedenen Gruppen, Expeditionsrouten und Ereignisse zu bekommen.

In der topographischen Karte von Nordspitzbergen und Nordaustlandet sind die Routen der DAE und der Hilfsexpeditionen eingetragen. Diese Expeditionsrouten ergeben sich aus den vorhandenen Karten und den Beschreibungen in den Expeditionsberichten und aus den eigenen Kenntnissen der topographischen Verhältnisse besonders in Ny Friesland und im Wijdefjorden.





Das Weg-Zeit-Diagramm stellt das „Hauptwerkzeug“ da, weil man hier direkt ablesen kann, welche Gruppen sich zur gleichen Zeit an welchen Orten aufgehalten haben. In diesem Diagramm sind die wichtigsten geographischen Orte und Stationen der Expeditionen und der Zeitablauf verzeichnet. Auf der x-Achse sind von unten (im Süden) nach oben (im Norden) die wichtigsten geographischen Stationen der Expeditionen relativ zu ihrer geographischen Breite angeordnet (ohne Berücksichtigung der geographischen Länge). Auf der y-Achse ist die Zeit von links (beginnend mit dem 5. August 1912) nach rechts (endend mit dem 16. August 1913) "Changing Polar Regions" - 25th International Congress on Polar Research 2013 aufgetragen. Horizontale Linien bedeuten in dieser Darstellung, dass sich Gruppen oder Einzelpersonen der Expeditionen über einen längeren Zeitraum am selben Ort aufgehalten haben. Schräg nach rechts oben führende Linien zeigen den Weg nach Norden und schräg nach links unten verlaufende Linien den Weg nach Süden an. Je steiler eine Linie ist, umso schneller wurde der Weg zwischen zwei Lokalitäten zurückgelegt. In den folgenden Kapiteln wird der Ablauf der DAE und der Hilfsexpeditionen unter Zuhilfenahme der Karte und des Weg-Zeit-Diagramms zusammengefasst.

"Changing Polar Regions" - 25th International Congress on Polar Research 2013 BOUNDARY-LAYER PROCESSES CAUSE GCM BIASES IN ARCTIC

WINTER

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Temperature inversions are a common feature of the Arctic wintertime boundary layer. They have important impacts on both radiative and turbulent heat fluxes and partly determine local climate change feedbacks. Inversions and the associated surface fluxes are poorly represented in current climate models, with many models overestimating the typical strength of temperature inversions. Understanding the spread and biases in inversion strength modelled by global climate models is therefore an important step in better understanding Arctic climate and its present and future changes.

Here, we show how the cooling of relatively warm and moist are masses advected from lower latitudes leads to the emergence of a clear and a cloudy state of the Arctic winter boundary layer. During this process of formation of Arctic air, radiative cooling leads to saturation and thus triggers the formation of a high-emissivity liquidcontaining cloud which limits surface radiative cooling in the cloudy state. Further radiative cooling drives the transition to a low-emissivity ice cloud which allows the surface to cool radiatively and is therefore associated with the clear state of the boundary layer. Temperature inversions are initially created by warm air advection, then eroded by radiative cooling aloft in the cloudy state and created again by surface cooling in the clear state. This results in stronger typical inversions in the clear than in the cloudy state.

Comparing model output to observations, we find that many CMIP5 models do not realistically represent the cloudy state. This results in excessive surface radiative cooling, which leads to an overestimation of inversion strength in one group of models, whereas other models produce weak inversions despite strong surface cooling.

An idealised single-column model experiment of the formation of Arctic air reveals that the lack of a cloudy state is linked to inadequate mixed-phase cloud microphysics. In models lacking a cloudy state, freezing of cloud liquid water occurs at too warm temperatures. Excessive turbulent and conductive heat fluxes can weaken temperature inversions despite surface radiative cooling, which can explain why some models produce weak inversions despite lacking a cloudy state.

A redistribution from the clear to the cloudy state in a warming climate would act to amplify Arctic surface warming. Results from the MPI-ESM-LR suggest that such a feedback does indeed exist. A better understanding and model representation of Arctic mixed-phase clouds is required to verify and quantify the effect of this mechanism on Arctic climate change.

"Changing Polar Regions" - 25th International Congress on Polar Research 2013 ON CALVING

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Calving is one of the least understood glaciological processes. While small icebergs are calving of the ice shelf fronts on short time scales, the calving of giant icebergs with sizes of 100-1000km2 are singular events. For prognostic studies of the mass balande of ice sheets, calving rates are required for the evolution of the calving front.

Hence, we aim to develop calving laws leading to calving rates by using a fracture mechanical approach. To this extent two scenarios are studied: Small scale calving is simulated by applying a transient visco-elastic Kelvin-Voigt model using finite elements, while for calving of larger icebergs (500-700km2) the crack propagation path is simulated and compared to remote sensing observations of calving.

For small scale calving a simplified 2D-geometry, in which the gravity force is the only load is used for a first analysis. The stresses on the surface in the vicinity of the calving front are computed with the finite element software COMSOL. The boundary conditions are the water pressure at the front and bottom of the ice shelf and a constant displacement at the inflow. A stationary state will reappear until eventually the subsequent calving event occurs. Based on the time interval and the flow velocity of the ice shelf we estimate the calving rate. This is compared to simulations using the 2D-geometry of the Ekstroem Ice Shelf, Antarctica.

On the floating tongue of Pine Island Glacier, a marine based outlet glacier of the West Antarctic Ice Sheet, in October 2011 a new 24km long rift has formed and propagated to a length of 28km in the subsequent weeks. The rift widened from initial 50m to 540m in February. Since then the width remained unaltered until in May a 30km2 iceberg separated from a ~720km2 remaining large area to form a tabular iceberg. We present a comparison with previous calving events at this location and a fracture mechanical analysis of the crack propagation. To this extent, a linear-elastic fracture mechanical model using body forces are applied to a two-dimensional model of the floating part of Pine Island Glacier including initial cracks estimated from remote sensing imagery. The simulated propagation path for the 2007 and 2011 events agree well with observations.

"Changing Polar Regions" - 25th International Congress on Polar Research 2013 BURIAL AND EXHUMATION OF THE TERRA NOVA BAY

REGION,TRANSANTARCTIC MOUNTAINS

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The uplift and exhumation history of the Transantarctic Mountains chiefly relies on apatite fission track data that were traditionally interpreted in terms of several exhumation stages since the Early Cretaceous (e.g., Fitzgerald, 2002). However, recent evaluation of geological and geomorphological observations, such as the presence of ~180 Ma volcanic rocks above peneplained basement, require the establishment of consistent thermal history models and a thorough reinterpretation of the regional thermochronological data base (Lisker and Läufer, in revision).

New apatite fission track and U-Th-Sm/He data were obtained from vertical profiles of basement rocks from the Eisenhower and Deep Freeze Ranges in the Terra Nova Bay region, northern Victoria Land. Fission track ages between 32±2 Ma and 259±18 Ma and associated proxies correlate with altitudes between 220 and 3120 m. U-ThSm/He ages from the same samples cover a wide age spectrum of 28±3 to 274±17 Ma and are usually 10-50 Ma younger than corresponding fission track ages.

Thermal history modeling of the thermochronological data from both mountain ranges indicates Jurassic to Late Eocene heating of the studied crustal sections, and final cooling commencing at ~35 Ma. This requires burial, and therefore the existence of a Mesozoic sedimentary basin on basement and volcanic rocks in the Terra Nova Bay region as recognized by Lisker and Läufer (in revision). We suggest that the Terra Nova Bay region was part of an extensive Mesozoic intra-Gondwana basin in the hinterland of the Paleo-Pacific margin between Antarctica and Australia. Basin inversion and fast erosion of the sediments initiated at the Late Eocene. The correlation of modelled paleotemperatures refers to a high Jurassic geothermal gradient of up to ~60°C/km and subsequent decrease towards a conventional Cretaceous-Eocene gradient of ~20-30°C/km within the basin. This implies a maximum basin depth above basement and volcanic rocks of ~2.5 km for the Eisenhower Range and ~4 km for the Deep Freeze Range. The comparison of the new results with the outcome of published fission track studies from adjacent regions and the Australian shelf juxtaposed to the Ross Sea margin of East Antarctica will give more information about the extension and geometry of the sedimentary basin.



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