Back
JullienN
Doctoral thesis

Ice slab development in the Greenland Ice Sheet's percolation zone and their implications for surface meltwater runoff

SPR

  • Fribourg (Switzerland), 2024

1 ressource en ligne (150 pages) ; 1 fichier pdf

PhD: Université de Fribourg (Suisse), 26.06.2024

English French In the last three decades, mass losses from the Greenland Ice Sheet have contributed ∼11mm to global sea level rise. Nearly half of these losses have occurred through surface meltwater runoff, not only because melt rates have increased, but also because runoff has increasingly occurred from higher elevations, especially from areas covered by firn. Firn is a porous medium resulting from the superposition of snowpack accumulation that is at least one year old. Greenland’s firn layer covers roughly 80% of the ice sheet and is tens of metres thick. When meltwater is generated at the surface of the ice sheet, it can percolate within the firn’s pore space and refreeze. The firn layer therefore holds the potential to partially buffer Greenland’s meltwater contribution to sea level rise. However, record melting events have taken place on the ice sheet in the last two decades, generating large amounts of meltwater. This meltwater, having refrozen in the firn, created near-surface, several metres thick and spatially continuous ice bodies, hereafter ‘ice slabs’. These ice slabs rendered the deep porous space beneath them inaccessible for further meltwater refreezing, and meltwater is instead forced to run off on top of them. However, the structure of the shallow firn associated with a shift from vertical percolation to lateral runoff remains poorly understood. Ultimately, this prevents from understanding the subsurface conditions that enable the transition from a retention-dominated regime to a runoff-dominated regime. This thesis investigates the development of ice slabs in firn and how they control surface meltwater runoff. Using Accumulation Radar onboard NASA’s Operation Ice Bridge, it is documented that ice slabs have thickened and expanded inland in the last two decades. Between 2012 and 2018, their coverage increased by 37-44%. From retrievals of the uppermost locations of supraglacial rivers, it is shown that the sectors experiencing surface meltwater runoff over firn areas are underlain by ice slabs. Ice slabs at least 3–3.7m thick sampled in Accumulation Radar flightlines are associated with the onset of visible meltwater runoff and are indicative of their widespread spatial contiguity. Ice slabs mainly thicken by superimposed ice formation when ponding or slowly flowing meltwater refreezes atop. Meltwater can sometimes find a pathway through the otherwise near-impermeable ice slabs and percolate vertically to depth, locally increasing the ice slab’s thickness. Spatial heterogeneity in ice slab thickness is associated with the structure of the supraglacial hydrological system, whereby thicker ice slabs are observed at places which frequently experience visible meltwater runoff. Overall, the inland expansion of ice slabs has increased the area that can be drained by surface rivers. In light of the rapid expansion of ice slabs and their importance to ice sheet runoff, the development of an ice-sheet-wide approach to monitor their future expansion constitutes a research priority. This thesis considers whether data acquired by Sentinel-1’s C-band Synthetic Aperture Radar in Horizontally-transmitted, Vertically-received polarisation mode (σ0H V) can fulfill this task. σ0H V correlates well with observed ice content in the shallow firn. Using the ice content as a proxy for density, shallow firn density prediction from σ0H V is statistically valid. Changes in backscatter signal intensity before and after the summer 2019 melt season show that σ0H V can be used to monitor the densification of the shallow firn layer in the percolation zone. This approach also shows that largest thickening of ice slabs occur in the vicinity of the visible runoff limit. The findings in this thesis can be used to improve parametrisations associated with meltwater runoff in models by proposing a threshold above which meltwater flows laterally rather than percolating vertically. However, surface meltwater may refreeze some distance away from where it was produced (i.e. not running off). Therefore, the partition between the amount of meltwater that runs off versus the one that refreezes remains poorly known. Further research should continue investigating the processes of meltwater refreezing in firn and on top of ice slabs through in-situ measurements. In the context of a warmer future, this thesis demonstrates that combining the use of remote sensing data (especially radar) together with in-situ measurements of firn properties is highly relevant to document the process of shallow firn densification. Improving the parametrisation of runoff and refreezing in models could reduce uncertainties in surface mass balance estimates and hence the ice sheet’s future contribution of meltwater runoff to sea level rise. Lors des trois dernières décennies, la perte de masse de l’inlandsis du Groenland a contribué à hauteur de ∼11 mm à l’élévation du niveau global des océans. Près de la moitié de ces pertes ont eu lieu à travers le ruissellement de surface de l’eau de fonte. Ce ruissellement a augmenté non seulement parce que les taux de fonte ont augmenté, mais aussi parce qu’il prend sa source depuis des altitudes toujours plus élevées, en particulier depuis des régions recouvertes par la couche de firn. Le firn est un milieu poreux qui résulte de l’accumulation du manteau neigeux au fil du temps. Par définition, le firn est âgé d’au minimum un an. La couche de firn au Groenland recouvre 80 % de la surface de l’inlandsis, et mesure plusieurs dizaines de mètres d’épaisseur. Lorsque de l’eau de fonte est généré à la surface, cette dernière peut percoler dans ce milieu poreux, et regeler. La couche de firn fait donc office de « tampon » partiel à la contribution de l’eau de fonte de l’inlandsis du Groenland à l’élévation du niveau des océans. Cependant, des événements de fonte extrême ont eu lieu sur l’inlandsis dernièrement, particulièrement lors des deux dernières décennies, générant d’importantes quantités d’eau. En regelant dans le firn proche de la surface, l’abondante quantité d’eau a formé des dalles de glaces de plusieurs mètres d’épaisseur, spatialement continues. Une fois formées, ces dalles de glace empêchent l’eau de fonte d’accéder à l’espace poreux situé plus en profondeur, le rendant ainsi indisponible pour stocker de l’eau par regel. Par leur présence, ces dalles de glace forcent donc l’eau de fonte générée ultérieurement à ruisseler à leur surface. Cependant, les conditions à partir desquelles le ruissellement latéral de l’eau de fonte est favorisé par rapport à sa percolation verticale restent peu comprises. Ainsi, cette méconnaissance entrave la compréhension de la structure du firn à faible profondeur qui promeut la transition depuis un régime dominé par la rétention vers un régime dominé par le ruissellement. Dans cette thèse, j’investigue les processus associés au développement de ces dalles de glaces dans le firn, et j’étudie comment elles contrôlent le ruissellement de l’eau de fonte à la surface. En utilisant un instrument radar (« Accumulation Radar »), dont les données ont été récoltées à bord d’un avion lors d’une mission de la NASA nommée « Operation Ice Bridge », je documente l’épaississement des dalles de glace, mais aussi leur expansion à des altitudes plus hautes. Entre 2012 et 2018, la surface de l’inlandsis recouverte par ces dalles de glaces a augmenté de 37-44 %. En utilisant un jeu de données qui indique l’emplacement le plus élevé des rivières supra-glaciaires, je montre que dans les secteurs où repose la couche de firn, le ruissellement de surface a lieu grâce à la présence de dalles de glace. Ces dalles de glaces mesurent 3 à 3.7m d’épaisseur à l’endroit où le ruissellement de l’eau commence à être visible, et cette épaisseur témoigne de leur vaste continuité spatiale. Je montre que les dalles de glaces s’épaississent essentiellement via la formation de glace superposée, c’est-à-dire par l’accrétion de nouvelle glace à la surface, lorsque l’eau de fonte qui stagne ou s’écoule lentement à la surface regèle. Parfois, l’eau de fonte peut trouver un chemin à travers les dalles – qui sont autrement imperméables. Cette dernière percole verticalement en profondeur, et regèle. Ceci a pour effet d’augmenter l’épaisseur de la dalle de glace localement. L’hétérogénéité spatiale de l’épaisseur des dalles de glace est associée à la structure du système hydrologique supra-glaciaire; les dalles de glace les plus épaisses sont observées aux endroits où le ruissellement visible de l’eau de surface a fréquemment lieu. De manière générale, l’expansion des dalles de glace vers des altitudes plus hautes a provoqué l’augmentation de la surface de l’inlandsis qui peut être drainé par les rivières supra-glaciaires. Compte tenu de l’expansion rapide des dalles de glace et de leur importance sur le ruissellement de l’eau de surface, le développement d’une approche à l’échelle de l’inlandsis pour suivre leur expansion dans le futur constitue un axe de recherche prioritaire. Cette thèse examine si les données acquises par le radar à synthèse d’ouverture fonctionnant en bande C à bord du satellite Sentinel-1, considérant le mode de polarisation selon lequel l’onde électromagnétique est transmise en polarisation horizontal et reçue en polarisation verticale (σ0H V ), permettent d’accomplir cette tâche. Je montre qu’il existe une bonne corrélation entre σ0H V et le contenu en glace du firn observé dans les premiers mètres sous la surface. En utilisant le contenu en glace comme proxy pour la densité, l’estimation de la densité du firn de faible profondeur à partir de σ0H V est statistiquement valide. Les changements dans l’intensité du signal rétrodiffusé avant versus après la saison de fonte de l’été 2019 montre que σ0H V peut être utilisé pour suivre la densification du firn de faible profondeur dans la zone de percolation. Cette approche montre aussi que l’endroit où se produit l’épaississement le plus important des dalles de glace se trouve à proximité de la limite visible du ruissellement de l’eau de surface. Les résultats de cette thèse peuvent être utilisés pour améliorer la paramétrisation du ruissellement de l’eau de fonte dans les modèles, en proposant un seuil à partir duquel l’eau de fonte s’écoule latéralement au lieu de percoler verticalement. Cependant, je montre que l’eau de fonte de surface peut regeler à une certaine distance en aval de son lieu de production. Ainsi, différencier entre la quantité d’eau de fonte qui ruisselle par rapport à celle qui regèle demeure mal connu. Des travaux futurs devraient poursuivre la recherche sur les processus du regel de l’eau de fonte dans le firn et à la surface des dalles de glace par des mesures sur le terrain. Dans le contexte du réchauffement climatique, cette thèse montre que combiner des données de télédétection (radar, le cas présent) avec des mesures de propriétés du firn sur le terrain est très pertinent pour documenter les processus de densification du firn en proche-surface. Améliorer la paramétrisation du ruissellement et du regel dans les modèles numériques pourrait participer à réduire les incertitudes dans les estimations de la balance de masse de surface. Cela permettrait d’améliorer la précision des calculs de la contribution future du ruissellement de l’eau de fonte de l’inlandsis du Groenland à l’élévation du niveau global des océans.
Faculty
Faculté des sciences et de médecine
Language
  • English
Classification
Earth sciences
Notes
  • Bibliographie
License
CC BY
Open access status
diamond
Identifiers
Persistent URL
https://folia.unifr.ch/unifr/documents/329581
Statistics
Document views: 101 File downloads:
  • JullienN.pdf: 99