Maankuoren nykyliikkeet ja painovoiman muutokset Kuningatar Maudin maalla Etelämantereella Abstract H. Koivula, J. Mäkinen ja J. Ahola Geodeettinen laitos, hannu.koivula@fgi.fi Finnish Geodetic Institute has participated in the Finnish Antarctic Research Program (FINNARP) since 1989. Currently we are collecting continuous GPS time series and repeated absolute gravity measurements in Dronning Maud Land. We have performed absolute gravity measurements at the Finnish base (73 03 S, 13 24 W) in 1994, 2001, and 2004. In 2004 we also measured at the South African base Sanae IV and at the Russian base Novolazarevskaya. In the beginning of 2003 we installed a permanent GPS station at Aboa. Using long GPS time series, contemporary crustal motion (both horizontal and vertical) can be detected. They can be caused by present-day variation in ice mass or past glaciations. Absolute gravity is sensitive to both elevation change and to variation in density. The relation between gravity change and elevation change at bedrock is different for past and present day variation in ice mass. Thus combining gravity change and vertical motion one could in principle separate their contributions. We show first results from both repeated absolute gravity and GPS at Aboa. We intend to continue our measurement program in Dronning Maud Land, and include data from satellite altimetry and gravity missions. 1. JOHDANTO Geodeettinen laitos (GL) on osallistunut Suomen Etelämannertutkimusohjelmaan (FINNARP) vuodesta 1989. Tutkimuksia on tehty pääasiassa Aboalla, joka on Suomen tutkimusasema Etelämantereella. Aboa (73 03 S, 13 24 W), sijaitsee läntisellä Kuningatar Maudin maalla Vestfjellan vuoristossa n. 130 km sisämaahan Weddellin mereltä, laattajään reunalta (Kuva 1). Asema on rakennettu 3 x 6 km 2 kokoiselle Basen-nunatakille, joka nousee n. 300 m ympäröivää, kilometrin paksuista jäätikköä korkeammalle. Etelämantereen jäätiköitymishistoriaa ei tunneta hyvin ja ehdotetut mallit poikkeavat osin suuresti toisistaan (ks. esim. James ja Ivins, 1998; Nakada et al., 2000). Kuten Fennoskandiassa ja Laurentiassa voidaan myös Etelämantereella saada jäätiköitymishistoriasta tietoa tutkimalla sen aiheuttamia maankuoren nykyliikkeitä ja painovoiman ajallista vaihtelua. Etelämanner on edelleen jäämassojen peittämä, joten siellä myös nykyisten jäämassojen vaihtelu deformoi maankuorta. 83
Maankuoren nykyliikkeitä voidaan havaita pysyvien GPS-asemien avulla. Jatkuvasti rekisteröivien GPS-vastaanottimien pitkistä aikasarjoista voidaan ratkaista suhteellisia liikevektoreita millimetritarkkuudella. Toinen menetelmä tutkia maankuoren liikkeitä ovat toistetut absoluuttiset painovoimanmittaukset. Niihin vaikuttavat korkeuden ja tiheyden muutokset. Nykyisten ja muinaisten jäämäärien muutoksien aiheuttama kiinteän maan tiheyden muutos on erilainen, ja siksi painovoiman muutoksen suhde korkeuden muutokseen riippuu aiheuttavasta mekanismista. Vanhoihin jäämassoihin maa reagoi viskoelastisesti. Maannousuun liittyy vaipan massavirtaus ja suhde on noin -0,15-0,20 µgal/mm (Wahr et al., 1995; Ekman ja Mäkinen, 1996). Nykyisen jääkuorman muutoksiin maa reagoi elastisesti ilman aikaviivettä. Suhde on noin -0,22 µgal/mm jos jääkuorman vetovoimaa ei oteta lainkaan huomioon, ja -0,27 µgal/mm jos jääkuorman oletetaan olevan kaikkialla havaintopisteen korkeudella, jolloin sen vetovoimalla on vertikaalikomponentti vain maan kaarevuuden vuoksi (Farrell, 1972). Käytännössä havaintopisteet ovat nunatakeilla jäätikön yläpuolella, jolloin paikallisilla lumi- ja jäämassan vaihteluilla on suuri vetovoimavaikutus. Tämän johdosta niiden mallintaminen havaintopisteen ympärillä on tärkeää. Geodeettinen laitos on aloittanut Kuningatar Maudin maalla tutkimusohjelman, jossa toistetaan absoluuttisia painovoimanhavaintoja usealla tutkimusasemalla (Mäkinen et al., 2004). Ohjelman osana Aboalle rakennettiin vuonna 2003 pysyvä GPS-asema, jonka aikasarjat antavat tulevaisuudessa tietoa maankuoren liikkeistä (Koivula ja Mäkinen, 2003). Lisäksi käytämme julkisia IGS:n (International GNSS Service) havaintoja. Tavoitteena on yhdistää painovoima- ja GPS-havainnot ja saada uutta tietoa maankuoren liikkeistä ja massan vaihteluista. 2. GEODEETTISET HAVAINNOT 2.1 Absoluuttiset painovoimanmittaukset Absoluuttisia painovoimanmittauksia on tehty Etelämantereella vuodesta 1990, tähän mennessä vain noin 10 asemalla (Kuva 1). GL teki ensimmäiset mittaukset v. 1994 Aboalle rakennetussa painovoimalaboratoriossa. Mittaukset toistettiin vuonna 2001. Niissä käytettiin JILAg-5 gravimetria. Vuonna 2004 havainnot tehtiin Aboan lisäksi myös eteläafrikkalaisella Sanae IV asemalla ja venäläisellä Novolazarevskayalla, nyt uudella FG5-221 gravimetrilla. (Mäkinen et al., 2004). Työt tehtiin FINNARP1993, FINNARP2000 ja FINNARP2003 retkikunnissa. Vuosittain vaihtuvat lumi- ja jääolot havaintopaikan ympäristössä vaikuttavat havaittuun painovoimaan. Näiden mallintamiseksi GL aloitti vuonna 2004 käytännön, jossa Aboan painovoimalaboratorion lähiympäristöön mitattiin noin 2000 pistettä käsittävä maastomalli. Lisäksi painovoimapisteeltä rinnettä alas mitattiin liikkuvalla reaaliaikaisella GPS:llä 21 profiilia, joiden pituus vaihteli 100 m ja 2 km välillä. Profiileilla jään/lumen pinnan koordinaatit määritettiin metrin välein noin 10 cm tarkkuudella. Alueelta kairattiin parikymmentä metrin syvyistä näytettä lumen ja jään tiheyden määrittämiseksi. Mittaukset tullaan jatkossa toistamaan aina absoluuttisten painovoimamittausten yhteydessä. (Koivula ja Ahola, 2004). 84
Kuva 1. Etelämantereella tehdyt absoluuttiset painovoimamittaukset. Toistettuja mittauksia on tehty vain Aboalla, Syowalla, McMurdossa ja Terra Nova Bayssä. Geodeettinen laitos on suorittanut absoluuttisia painovoimamittauksia Aboan lisäksi myös eteläafrikkalaisella Sanae IV:llä ja venäläisellä Novolazarevskayalla (Novo). Oikeanpuoleisessa kuvassa on esitetty Aboalla tehtyjen absoluuttisten painovoimamittausten tulokset. (Mäkinen et al., 2004) Toistettuja absoluuttisia painovoimahavaintoja on Etelämantereella tehty vain neljällä asemalla (Kuva 1). Nämä ovat Aboa, Japanin asema Syowa ja toisella puolella mannerta sijaitsevat Yhdysvaltain McMurdo ja Italian Terra Nova Bay. Aboan toistettujen painovoimahavaintojen tulokset on esitetty kuvassa 1. Pienimmän neliösumman sovitus johtaen painot virhearvioista antaa painovoiman muutokseksi 0,5 ± 0,5 µgal/a. 2.2 Aboan pysyvä GPS-asema GL asensi FINNARP2002 retkikunnan yhteydessä Aboalle pysyvän GPS-aseman. Antenni on varustettu vaimennusrenkailla ja lumikuvulla. Se asennettiin peruskallioon ankkuroituun matalaan teräsristikkomastoon. Geodeettinen GPS-vastaanotin on vähän virtaa (1,8-2,4W) kuluttava malli. Se tallentaa havainnot muistikortille. Asema saatiin valmiiksi vuoden 2003 alkupuolella. Vastaanottimeen ei saada yhteyttä vuoden aikana ja vasta seuraava retkikunta noutaa muistikortin ja raportoi vastaanottimen toiminnasta talven aikana. (Koivula ja Mäkinen, 2003). Aseman ensimmäisenä toimintavuonna saatiin aukoton havaintosarja 30 s välein. Havainnot on laskettu Etelä-Afrikan Sanae IV asemalla olevan VESL-nimisen GPS-aseman suhteen, jossa GL on aloittanut myös absoluuttiset painovoimamittaukset (kuva 1). Vektorin pituus on 390 km. Laskennassa on käytetty Bernese 4.2 -ohjelmistoa ja IGS:n tarkkoja ratoja. Tulokset on esitetty kuvassa 2. Etenkin asemien välisessä korkeuserossa on jaksoja, joiden aikaiset havainnot ovat selkeästi muista poikkeavia. Ilmiö on tuttu Suomen pysyvän GPSverkon laskennasta ja on täällä yhdistetty antennin päälle talven aikana kertyneeseen lumeen. Kuvasta 2 nähdään että VESL-ABOA -vektorin komponenttien vuotuiset muutokset vuoden GPS-datan perusteella ovat 1,22 ± 0,33 mm/a pohjoissuunnassa, +1,77 ± 0,36 mm/a itäsuunnassa ja +4,48 ± 1,13 mm/a korkeudessa. Jet Propulsion Laboratory n verkkosivuilla (JPL, 2004) arvioidaan VESL-aseman korkeuden muutokseksi 1,59 ± 0,23 mm/a. Jos tämä otetaan lähtökohdaksi, saamme Aboan ensimmäisen vuoden GPS-aikasarjasta maankohoamiseksi n. 2,9 mm/a. Kokemuksesta tiedämme kuitenkin, että millimetritarkkuudella luotettaviin korkeudenmäärityksiin tarvitaan vähintään 3-4 vuoden aikasarja. (Koivula ja Ahola, 2004). 85
Kuva 2. Ensimmäisen vuoden GPS-aikasarja VESL ja ABOA asemien välillä. Yksi kolmio kuvaa yhden vuorokauden koordinaattiratkaisun poikkeamaa vuoden keskiarvosta. Avoimet kolmiot ovat suoran sovituksen yhteydessä hylättyjä havaintoja. Dist on asemien välinen etäisyys, dh on korkeusero, de on itä-länsisuuntainen ja dn pohjois-eteläsuuntainen komponentti. Katkot aikasarjoissa johtuvat siitä, että VESL-aseman dataa ei ollut kyseisiltä päiviltä käytettävissä. (Koivula ja Ahola, 2004) 3. POHDINTAA JA YHTEENVETO Aboalla 1994-2004 havaittu painovoiman muutos vastaa 2-3 mm/a korkeuden muutosta, joten edes merkki ei ole sama kuin GPS-tulos +3 mm/a. On kuitenkin huomattava, että painovoimahavaintoihin ei ole vielä korjattu paikallisten lumi- ja jääolojen vaikutusta, ja GPS-aikasarja kattaa painovoimamittausten aikavälistä vain viimeisen vuoden. Olemme kuitenkin alustavasti verranneet tuloksia erilaisista malleista saatuihin arvoihin. James ja Ivins (1998) ovat laskeneet korkeudenmuutoksen Aboalla neljästä eri jäähistorian mallista. Ennusteiden vaihteluväli on 0,1 +6,6 mm/a. Nakada et al. (2000) esittävät kuudesta eri mallista lasketut ennustekartat, joista Aboan arvoksi voidaan arvioida 0 +6 mm/a. James ja Ivins (1998) ovat ennustaneet korkeudenmuutoksen myös neljästä nykyisestä jäämallista, vaihteluväli 2,0..+2,6 mm/a. Malleja ei tässä yhteydessä ole mahdollista tarkemmin kuvata. Jotkut niistä ovat jo muun havaintoaineiston perusteella vanhentuneita, ja uusia on kehitteillä. Mallien sopivuutta Kuningatar Maudin maalle voidaan GPS:n osalta arvioida tarkemmin ja luotettavammin vasta kun aikasarjat ovat riittävän pitkiä. Todennäköisesti tämä tarkoittaa 2-3 vuoden pituutta lisää aikasarjaan. Tällöin myös 86
absoluuttisia painovoimahavaintoja on toistettu usealla asemalla ja niiden kattavuus on parempi. Wingham et al. (1998) ovat arvioineet Etelämantereen jäänpinnan korkeudenmuutoksia vuodesta 1992 vuoteen 1996 ERS-1 ja ERS-2 kaukokartoitussatelliittien tutka-altimetrin avulla. Aboan alueella tulokset vaihtelevat (kuva 3). Niitä tultaneen lähiaikoina päivittämään ENVISAT-satelliitin aineistolla. Vuonna 2005 laukaistava CryoSat (Drinkwater, 2003) perustuu uudentyyppiseen tutkaaltimetriin, jolla saadaan tuloksia myös rannikon läheisiltä kaltevilta jäätiköiltä. Parhaillaan tällaista aineistoa kokoaa myös vuonna 2003 laukaistu ICESAT/GLAS (Zwally et al., 2002), jossa on laseraltimetri. Vuonna 2002 laukaistulla GRACE-painovoimasatelliitilla voidaan havaita jäämäärien muutoksen ja vaipan massavirtausten yhteisvaikutusta painovoimakenttään. Kaikki menetelmät (GRACE, ICESAT, CryoSat, GPS, toistettu absoluuttipainovoima) havaitsevat jollain tavalla nykyistä ja/tai muinaista jäämassojen muutosta. Niissä jokaisessa on kuitenkin omat puutteensa ja virhelähteensä. Käyttämällä kaikkia havaintoja yhdessä voimme luoda tehokkaita virhekontrolleja sekä estimoida ja eliminoida mallinnusvirheitä. GL tulee jatkamaan Aboan pysyvän GPS-aseman ylläpitoa ja toistamaan absoluuttisia painovoimanmittauksia. GPS-havaintoja kootaan ja lasketaan mahdollisuuksien mukaan koko Kuningatar Maudin maalta. CryoSatin havaintoja on todennäköisesti käytettävissämme vuodesta 2006 alkaen. Kuva 3. Jäätikön korkeudenmuutos (cm/a) Aboan lähistöllä vuosina 1992 1996 ERS-1 ja ERS-2 altimetrian perusteella (Wingham et al., 1998). Luvut kuvaavat 1 1-asteruutujen keskiarvoja. Kaikista ruuduista ei ole saatu käyttökelpoisia havaintoja. LÄHTEET Ahola J., H. Koivula, A. Sinisalo, D. Zwartz, and J. Mäkinen, 2004. GPS work in Western Dronning Maud Land for geodynamics, glaciology, and absolute gravity. Presented in XXVII SCAR, 25-31 July, 2004, Bremen, Germany. 87
Drinkwater M., 2003. CryoSat Science Report (ed). European Space Agency, Report ESA SP-1272. ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, 56 p. Ekman, M. and J. Mäkinen, 1996. Recent postglacial rebound, gravity change and mantle flow in Fennoscandia. Geophys. J. Int. 126, 229 234. Farrell WE, 1972. Deformation of the Earth by surface loads. Rev. Geophysics Space Physics 10: 761 797. James, T.E. and E.R. Ivins, 1998. Predictions of Antarctic crustal motion driven by presentday icesheet evolution and by isostatic memory of the Last Glacial Maximum. J. Geophys. Res., 103 (B3), pp. 4993 5017. JPL, 2004. http://sideshow.jpl.nasa.gov/mbh/series.html (26.8.2004). Koivula H. ja J. Ahola, 2004. Geodeettisen laitoksen GPS-mittauksista Etelämantereella vuosina 2003-2004. Maanmittaus 79:1-2, 2004. Koivula, H. and J. Mäkinen, 2003. Geodetic Activities at Finnish Antarctic Research Station Aboa. Paper presented at the Fifth International Antarctic Geodesy Symposium AGS'03, Lviv, Ukraina, September 15-17, 2003 2003, 4 p. Mäkinen J., J. Ahola, M. Bilker, J. Hyyppä, H. Hyyppä, M. Karjalainen, H. Koivula, M. Poutanen, 2005. Estimating glacial isostatic adjustment and present-day ice mass balance in Dronning Maud Land. Poster presented at the First CryoSat User Workshop, ESA-ESRIN, Frascati, March 8 10, 2005. Mäkinen J., Koivula H., and Ahola J.,2004. Absolute gravity measurements in Dronning Maud Land. Poster presentation in XXVII SCAR, 25-31 July, 2004, Bremen, Germany. Nakada M, Kimura R, Okuno J, Moriwaki K, Miura H, Maemoku H, 2000. Late Pleistocene and Holocene melting history of the Antarctic ice sheet derived from sea-level variations, Marine Geology 167: 85 103. Wahr J, Han D, Trupin A, 1995. Predictions of vertical uplift caused by changing polar ice volumes on a viscoelastic earth. Geophys. Res. Lett. 22, 977 980. Wingham, D.J., A.J. Ridout, R. Scharroo, R.J. Arthern and C.K. Shum, 1998. Antarctic elevation change 1992 to 1996. Science 282, pp. 456 458. Zwally HJ, Schutz B, Abdalati W, Abshire J, Bentley C, Brenner A, Bufton J, Dezio J, Hancock D, Harding D, Herring T, Minster B, Quinn K, Palmi S, Spinhirne J, Thomas R, 2002. ICESat s laser measurements of polar ice, atmosphere, ocean, and land. J Geodynamics 34: 405 445 88