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«Zusammenfassung Summary 1. Einleitung. 2 Allgemeines Ãœbe Gezeitenmessungen 11 2.1. Gezeiten des Erdkorpers, der Ozeane und der Atmosphär. 11 ...»

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Zusammenfassung

Summary

1. Einleitung

.

2 Allgemeines Ãœbe Gezeitenmessungen 11

2.1. Gezeiten des Erdkorpers, der Ozeane und der Atmosphär.......... 11

2.2. Meßgerat

2.3. Einheiten und GrÃßenordnung der Gezeitenwirkungen............. 14

2.4. Die Partialtiden

3. Gezeitenmessungen in der Antarktis

3.1. Erdgezeitenmessungen in der Antarktis

3.2. Meeresgezeitenmessungen in der Antarktis

3.3. Gezeitenmessungen im Schelfeisbereich

4. Das Ekstrom-Schelfeis und die Georg-von-Neumayer-Station............26

4.1. Das Ekstrom-Schelfeis

4.2. Die Georg-von-Neumayer-Station und das geophysikalische Observatoriuin

.

5 Die Meßgerä

5.1. Die Gravimeter

5.1.1. Das Askania GS-15 Erdgezeitengravimeter

5.1.2. Das LaCoste-Romberg-Gravimeter

5.2. Die Neigungsmeßgerat

5.2.1. Die Einkomponentengerate

5.2.2. Die Zweikomponentengerät

5.3. Das Straimeter

..

6. Meßpunkt und -Zeitraume der Gravimeter, Tiltmeter und Strainmeter 42

6.1. Messungen im Observatorium

6.2. Datenerfassung im Observatorium

6.3. Messungen in der nähere Umgebung von GvN

6.4. Messungen wahrend der Sommerkampagne 1986/87

6.5. Datenerfassung im GelZnde

6.6. Konsequenzen aus den Erfahrungen

7. Mathematische Grundlagen der Datenauswertung

7.1. Beseitigung von Sprünge und Lücke

7.2. Fensterfunktionen

7.3. Langperiodische Einflusse (Drift)

7.4. Die Fourieranalyse.................

–  –  –

Die Vertikalbewegung des Schelfeises wird mit Gravimetern gemessen. Zur Messung der Kippbewegung benutzt man Neigungsmeßgerä (Tiltmeter).

Ferner wird das Eis durch die Gezeitenkräft periodisch deformiertr was man mit einem Verformungsmeßgerà (Strainmeter) registrieren kam. Da es sich bei den Tiltmetern und dem Strainmeter um Eigenkonstruktionen handeltr wird in dieser Arbeit der gesamte Vorgang vom Bau der Gerät Übe die Konzipierung der Meßanordnung der Erfassung und Aufbereitung der Meßdate bis zur Interpretation der Ergebnisse beschrieben.

Die Meßdate stammen aus den Jahren 1984 bis 1987. Lange Zeitserien aus dem Observatorium der Georg-von-Neumayer-Station gibt es von einem Gravimeter sowie von einem Tiltmeter und dem Strainmeter. Aus diesen Daten läà sich die Information gewinnenr daà das Schelfeis m Observatorium nahezu frei schwimmtr denn die Vertikalbewegung der Eisplatte ist hier fast identisch mit den Meeresgezeiten jenseits der Schelfeiskante. Zudem ergeben die Neigungsmessungen sehr kleine Verkippungen der Schelfeisplatte. Diese langen Zeitserien bieten die MÃglichkeit saisonale Effekte zu untersuchen. Außerde wurden nahe der Meßgerä auch ständi Luftdruck und Temperatur aufgezeichnet. Ein Einfla dieser meteorologischen Parameter auf die Meßgerä ist feststellbar, aber nicht sehr signifikant.

Neigungsmessungen an mehreren Funkten nahe den "ice rumplesl'ergaben tatsächlic teilweise sehr groß Verkippungen des Schelfeisesr die im halbtägige Periodenbereich fast 300 mal grÃß sein kÃnne als im Observatorium. Es gelang, die Meßerqebniss mit Modellcechnungen in Einklang zu bringen. Hierzu wurde die Theorie des "tidal bending" benutzt, die fordertt daà sich das Schelfeis wie ein einseitig eingespamter Balken verhalt. Durch die Variation einiger viskoplastischer Parameter imerhalb vernünftige Grenzen wurden die Meßergebniss sehr gut verifiziertt obwohl einige vereinfachende Annahmen in dieser Theorie enthalten sind.

Die bei den periodischen Verbiegungen auftretenden Eisbeben wurden zeitweise aufgezeichnet und der Zusammenhang zwischen Wasserstand und Häufig keit dieser Eisbeben wird diskutiert. Hierbei wird hauptsächlic auf Interpretationen von ECKSTALLER (1988) zurückgegriffen Nichtlineare Anteilel die in den Spektren der Zeitreihen zu sehen sindl werden untersucht und auf verschiedene Mechanismen zurückgeführ So sind nichtlineare Effekte in der Vertikalbewegung vorhandent weil mit ziemlicher Sicherheit bereits die anregenden Meeresgezeiten nicht ausschließlic linear sind. Nichtlineare Anteile in den Meßdaten die in der Näh der "ice rumples" erzielt wurdenl durch eine unvollständig harmonische Bewegung des Schelfeises dort, weil die Bewegung durch Aufsetzen auf den Meeresboden gestÃr wird. Anders werden nichtlineare Anteile in den Tiltmetermessungen im Observatorium gedeutet. Hier wird vermutet, daà die Kippbewegungen des Schelfeises zwei sich gegenseitig überlagernd Drehbewegungen m zwei verschiedene Drehpunkte sein kÃrnten Die Beobachtungen im Periodenbereich der Gezeiten bilden zwar den Hauptteil dieser Arbeit, Da aber auch Effekte mit hÃhere und niedrigeren Frequenzen in den Meßergebnisse zu sehen sindl werden auch diese Einflüss behandelt. Dies sind zum einen die hochfrequenten StÃrunge der Gravimeter durch die Dünun des Ozeans mit Perioden zwischen 10 und 20 Sekunden. Ferner werden zufällig Wettererscheinunc~enbeschriebent z.B.

~u£tdruckschwankungen die innerhalb von weniger als einer Stunde zu Verbiegungen der Schelfeisplatte führten Solche Ereignisse sind signifikant in den Neigungsmessungen zu sehen. Weiterhin werden Korrelationen zwischen den Schwereänderunge und den Luftdruckänderunge im Periodenbereich zwischen 5 und 15 Tagen gefunden. Diese sind nicht ganz einfach zu interpretierenl es deutet aber einiges darauf hin, daà der umliegende Ozean wie ein Flachenpegel funktioniert. Räumlich Luftdruckunterschiede kÃnnte zu den beobachteten Korrelationen führen Zusammenfassend sollen als wichtigste Ergebnisse dieser Arbeit aufgezähl





werden :

- Es ist gelungen, relativ einfache Meßgerat zur Erfassung der zeitlichen Variationen der Kippungen und Verformungen des Schelfeises zu konstruieren. Das Meßprinzi des kapazitiven Wegaufnehmers wurde von LIPPMANN (pers. Mitteilung, 1984) als Grundkonzept fü diese Gerate verwendet.

- Langzeitmessungen der Schwere, der Neigung und der Verformung im Observatorium der Georg-von-Neumayer-Station ermÃgliche eine hohe spektrale AuflÃsung Auch Aussagen Ãœbe saisonale Einflusse sowie bei gleichzeitiger Beobachtung der meteorologischen Parameter Ãœbe einen Einfluà dieser Große auf die Messungen sind mÃglich

- Neigungsmessungen in der Näh eines Gebietes, wo das Schelfeis auf dem Meeresboden aufliegt, lassen sich mit Modellrechnungen bestätigen Auch die Beobachtung von Eisbeben füg sich in dieses Bild.

- Spektrale Anteile mit Perioden von einem Drittel- oder Vierteltag lassen sich durch eine nichtlineare Reaktion der Schelfeisplatte auf die anregenden Meeresgezeiten erklären

- Der Einfluà kurzperiodischer Luftdruckschwankungen verbiegt das Schelfeis, währen langperiodische Luftdruckanderungen die Eisplatte aufgrund räumliche Luftdruckunterschiede heben und senken.

Bei der Planung der Messungen der Gezeitenbewegungen des EkstrÃm-Schelf eises ist von relativ wenig Erfahrung mit dieser Materie ausgegangen worden. Die Folge davon ist, daà viele beobachtete Effekte erst verstanden werden ntußten Aufgrund der in dieser Arbeit diskutierten Ergebnisse sollte es in Zukunft leichter sein, Messungen gleicher Art zu konzipieren. Sowohl auf dem Geratesektor als auch bei der Datengewimung und der Auswahl von Meßorte kÃnne die mit dieser Arbeit gewonnenen Erfahrungen in spateren Meßkampagne genutzt werden. Au viele der beobachteten Erscheinungen wird in der vorliegenden Arbeit nur relativ kurz eingegangen und es lohnt sicherlich, einige Fragestellungen in spateren Arbeiten intensiver zu behandeln.

This thesis deals mainly with the reaction of the Ekstrom Ice Shelfr Antarctica, to tidal forces, i.e. the reaction of a partly fixed floating ice plate to water masses that flow periodically beneath the ice shelf.

At sites where the ice shelf floats freely, one expects only a vertical movement due to the ocean tides. Near points of supportl one expects large periodic tilts of the ice shelf. Such points of Support, so-called "ice rumple~"~ exist near the Georg von Neumayer Station, where most of the measurements discussed in this thesis were carried out.

Measurements of the vertical movement of the ice shelf were carried out with qravity meters. Tiltmeters were used for the measurement of the tilt. Additionallyr strainmeters were necessary to record the periodic deformation of the ice due to the tidal forces. Because the tiltmeters and the strainmeter were home-made, this thesis deals with the whole sequence from the construction of the instrumentsl to the conception of the measurements, the recording and processing of the data, to the interpretation of the results.

The data are from the years 1984 to 1987. There are lonq time series of measurements made at the observatory of Georg von Neumayer Station from one gravity meterr one tiltmeter and the strainmeter. It is concluded that the ice shelf floats nearly freely at the observatory, because the vertical movement of the ice shelf is nearly identical to the ocean tides near the edge of the ice shelf. mrthermore the tilt measurements show very small tilts of the ice shelf. The lonq time series provides opportmity for the investigation of seasonal effects. Apart from these measurementsr barometric pressure and temperature were continually registered. One can See a definite, but insiqnifi~ant~ influence of the meteorological parameters On the instruments.

Tilt measurements at several sites near the "ice rumples" show sometimes very large tilts of the ice shelf in the semidiurnal tidal band with amplitudes nearly 300 times larger than at the observatory. It was possible to fit the results of the measurements with model calculations. Consequently the theory of tidal bending was used with the requirement that the ice shelf behaves like a beam with one fixed end. By altering some of the viscoplastic Parameters between reasonable limits, it was possible to verify the results of the measurements very well in spite of some simplifying assumptions. Ice quakes occuring during tidal bending were sometimes recorded. The connection between the water level and the frequency of these ice quakes will be discussed with references to the interpretations of ECKSTALLER (1988).

Non-linearities in the spectra of the time series could be put down to several mechanisms. Non-linear effects in the vertical movement exist because the drivinq forces of the ocean tides are certainly not exclusively linear. Non-linearities in the data obtained near to the "ice rumples" arise from an incomplete harmonic movement of the ice shelf due to the inference of the ocean bottom. A different interpretation is found for non-linear effects in the tilt measurements at the observatory.

~t is suspected that the tilt of the ice shelf could be a combination of two rotational movements around two different pivots.

The observations in the tidal bands are the main part of this thesis.

The effects of higher and lower frequencies in the data are also considered. In the first case, these are high frequency disturbances due the ocean swell with periods between 10 and 20 seconds. Random weather phenomena, for example barometric pressure variations leading to flexures of the ice shelf with a periodicity of less than an hour, are also described. Such events are significant in the tilt measurements. Correlations between gravity changes and air pressure changes with periods between 5 and 15 days are considered. The interpretation of this correlation is not simple - it may be that the surrounding ocean acts as an area gauqe. Spatial air pressure differences could lead to the observed correlations.

Sununarizinq the most important results of this thesis :

- Relatively simple Instruments for the recordinq of the tilts and the deformations of the ice shelf were successfully constructed. LIPPMANN (personal communication, 1984) used the principle of measurement of the capacitive displacement transducer as the concept for these instruments.

- Lonq time series from gravity, tilt and strain at the observatory of Georq von Neumayer Station provide a high spectral resolution.

Statements about seasonal influences as well as the influence of meteoroloqical parameters on the measurements can also be made.

- Tilt measurements near a reqion where the ice shelf runs aqround can be confirmed by model calculations. The observation of ice quakes fits into this model.

- spectral parts with periods of a third or quarter of a day can be explained by a non-linear reaction of the ice shelf to the drivinq forces of the ocean tides.

- The influence of short period air pressure changes bends the ice shelf.

Lonq period air pressure chanqes move the ice shelf up and down due to spatial air pressure differences.

Little previous work of this kind had been done as this research into the measurement of tidal movement of the Ekstrom Ice Shelf was beinq planned and it was necessary first to try to understand some of the observed effects. These results rnake it easier to plan measurements of the Same kind in future. The experiences gained with this thesis could be useful for later measurements related to the instruments as well as to the recording and to the selection of measurinq sites. Several of the observations are discussed only briefly in this thesis and it would undoubtedly useful to return in the future to some of the problems.

Einleitung 1.

Im Rahmen der wiedererwachten deutschen Polarforschunq leistete die Bundesrepublik Deutschland ihren Beitrag zur internationalen Polarforschung u.a. mit dem Bau einer ganzjähri besetzten Antarktisstation. Vom Bau der Station im Januar/Februar 1981 und ihrer Grundausstattung berichtet KOHNEN (1981). Ihren Namen erhielt die Station nach dem Geophysiker Georg von Neumayer (1826 - 19091, Informationen Übe diesen Forscher findet man z.B. bei KERTZ (1983).



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