Investigating the response of Greenland and Antarctic glaciers to atmospheric and oceanic forcings using a 1D flowline model

Abstract

Over the past two decades, the mass loss from the Antarctic and Greenland ice sheets has contributed approximately 11.2 _ 3.8 mm to global mean sea level, one third of the total sea level rise since the 1990s. The majority of this mass loss has come from the acceleration of tidewater outlet glaciers, through mechanisms that are poorly understood. While we know that the recent increase in mass loss is due to climate changes, questions remain about the processes that both destabilize and stabilize glaciers. Being able to characterize these processes is essential for producing realistic ice sheet mass balance predictions. In this dissertation, we use a width average (1-D) flowline model to investigate the current and past behavior of glaciers in both Antarctica and Greenland, with the broader goal of understanding how they respond to increased climate variability. In the first chapter, we show that the unique behavior of Helheim Glacier in East Greenland is driven primarily by atmospheric, not ocean variability. In the second chapter, we address the role of glacier geometry in modulating decadal-scale dynamics of Greenland glaciers. Our results show that, contrary to many assumptions, width and bed topography only play a small role in controlling mass loss during retreat. The third chapter focuses on the retreat of Byrd Glacier, East Antarctica from its grounding line during the Last Glacial Maximum (LGM), to its current configuration, under rising atmospheric and oceanic temperatures. We show that atmospheric changes are the primary driver for the retreat, and that the current geometry of the Ross Ice Shelf has been similar for the last 2,000 years. The results of this thesis increase our knowledge of Greenland and Antarctic glacier dynamics, their relationship with atmospheric and oceanic forcings, and their future contribution to sea-level.

Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, η απώλεια μάζας από τα στρώματα πάγου της Ανταρκτικής και της Γροιλανδίας έχει συνεισφέρει περίπου 11,2 +/- 3,8 mm στην παγκόσμια μέση στάθμη της θάλασσας, που αντιστοιχεί στο ένα τρίτο της συνολική ανόδου της στάθμης της θάλασσας από τη δεκαετία του 1990. Το μεγαλύτερο ποσοστό αυτής της μαζικής απώλειας προήλθε από την επιτάχυνση των παγετώνων που εκρέουν μέσα στην θάλασσα, μέσω μηχανισμών που είναι ελάχιστα κατανοητοί. Ενώ γνωρίζουμε ότι η πρόσφατη αύξηση της απώλειας μάζας των παγετώνων οφείλεται στις κλιματικές αλλαγές, παραμένουν ερωτηματικά σχετικά με τις διεργασίες που αποσταθεροποιούν και σταθεροποιούν τους παγετώνες. Ο χαρακτηρισμός αυτών των διαδικασιών είναι απαραίτητος για την δημιουργία ρεαλιστικών προβλέψεων του ισοζυγίου μάζας των παγετώνων. Σε αυτή τη διατριβή, χρησιμοποιούμε μονοδιάστατο χωρικά κατανεμημένο μοντέλο παγετωνικής ροής μέσου πλάτους (1-D) για την διερεύνηση της τρέχουσας και της προγενέστερης συμπεριφοράς των παγετώνων τόσο στην Ανταρκτική όσο και στη Γροιλανδία, με τον ευρύτερο στόχο να κατανοήσουμε πώς ανταποκρίνονται στο αυξημένο κλίμα μεταβλητότητας. Στο πρώτο κεφάλαιο δείχνουμε ότι η ξεχωριστή συμπεριφορά του παγετώνα Helheim στην Ανατολική Γροιλανδία καθοδηγείται κυρίως από την ατμοσφαιρική και όχι τη ωκεανογραφική μεταβλητότητα. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναδεικνύουμε το ρόλο της γεωμετρίας των παγετώνων στη διαμόρφωση αλλαγής της δυναμικής των παγετώνων της Γροιλανδίας σε δεκαετή βάση. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι σε αντίθεση με πολλές υποθέσεις το πλάτος και η τοπογραφία βάσης παγετώνων παίζουν μόνο μικρό ρόλο στον έλεγχο της απώλειας μάζας κατά την υποχώρηση. Το τρίτο κεφάλαιο εστιάζει στην υποχώρηση του παγετώνα Byrd στην Ανατολική Ανταρκτική από την γραμμή γείωσής του κατά το τελευταίο μέγιστο της παγετωνικής περιόδου έως την τρέχουσα διαμόρφωσή του, υπό την άνοδο της ατμοσφαιρικής και της ωκεάνιας θερμοκρασίας. Δείχνουμε ότι οι ατμοσφαιρικές αλλαγές είναι ο κύριος οδηγός για την υποχώρηση και ότι η τρέχουσα γεωμετρία της παγονησίδας Ross είναι παρόμοια τα τελευταία 2.000 χρόνια. Τα αποτελέσματα αυτής της διδακτορικής διατριβής ενισχύουν τις γνώσεις μας για τη δυναμική των παγετώνων της Γροιλανδίας και της Ανταρκτικής, την σχέση τους με ατμοσφαιρικές και ωκεάνιες δυνάμεις, και την μελλοντική συνεισφορά αυτών στη άνοδο της στάθμης της θάλασσας.