• Citer

The long-term future of the Antarctic ice sheet: Uncertainties in ice sheet-Earth system interactions

par Coulon, Violaine
Président du jury Fripiat, François
Promoteur Pattyn, Frank
Publication Non publié, 2022-11-04

Thèse de doctorat

• Accès en ligne
• Détails
• Contenu
• Statistiques

Résumé :

The Antarctic ice sheet (AIS) is the largest and yet the most uncertain potential contributor to future sea-level rise. While recent satellite observations have highlighted that the AIS is currently losing mass at an accelerating rate, projections of the future evolution of the ice sheet in a warming climate remain highly uncertain. As future sea-level rise is probably one of the biggest threats imposed on us by climate change, predicting it with the lowest possible uncertainty is of capital societal importance. Uncertainties in the future evolution of the AIS can be explained, notably, by the fact that the ice sheet is capable of abrupt and self-sustained changes associated with several positive feedback mechanisms, especially in its marine areas, i.e., where the ice lies on bedrock below sea level. This is the case for most of the West Antarctic ice sheet (WAIS) as well as for some basins of the East Antarctic ice sheet (EAIS). The interactions between the ice sheet and its surrounding environment (namely the ocean, the atmosphere, and the solid Earth) have been shown to strongly influence its stability, more particularly by triggering or dampening the instabilities threatening the ice sheet. Despite the uncertainties, recent studies suggest that the WAIS will lose mass in the future and eventually (partially) collapse. The uncertainties pertain to when, and to whether the weak Earth structure beneath that area of the ice sheet may be a stabilising factor, as a rapid bedrock uplift in response to ice mass loss has been shown to delay or even limit mass loss. The fate of the EAIS is less clear. A pending question is: will the EAIS lose or gain mass in the future? More specifically, will the grounding line retreat in its marine basins, and if so, can the associated mass loss be compensated by sufficient mass gain due to increased snow accumulation in the interior of the ice sheet?In this thesis, we contribute to clarifying and providing new insights to these questions, and therefore on the long-term future of the AIS. Using a numerical ice-sheet model, we investigate the influence of uncertainties in ice sheet–Earth system interactions on its future stability. In addition, we produce observationally-calibrated projections and associated quantified uncertainties of the evolution of the AIS over the millennium. Our results show that the ocean will be the main driver of Antarctic short-term mass loss, leading to significant retreat in the WAIS (especially in the Amundsen Sea Embayment), even under limited warming. Under sustained warming, however, this may lead to a complete WAIS collapse over the course of the millennium, despite a stabilising weak solid Earth structure beneath West Antarctica. In addition, our results suggest that a sustained warming will likely turn the EAIS into a positive contributor to sea-level rise over the course of the next century. Indeed, we project that the ocean-driven grounding-line retreat in its marine basins, which cannot be efficiently stabilised by bedrock uplift given the rigid structure of the solid Earth in that area, will progressively outweigh the surface mass balance (SMB, the balance between accumulation, sublimation and runoff at its surface). Finally, we show that the mitigating role of the SMB may strongly be reduced under sustained warming, due to a significant increase in surface runoff with increasing temperatures, hence further increasing the net AIS contribution to sea-level rise.

La calotte glaciaire Antarctique est le plus gros contributeur potentiel à l'élévation future du niveau marin global, mais aussi le plus incertain. De plus en plus d’observations satellitaires mettent en évidence une actuelle perte de masse de l'Antarctique, et ce à un rythme accéléré. Malgré cela, les projections de l'évolution future de la calotte Antarcique en réponse aux changements climatiques actuels et à venir restent très incertaines. Pourtant, être en mesure de prédire avec la plus faible incertitude possible l'élévation future du niveau de la mer est d'une importance sociétale capitale. Les incertitudes sur l'évolution future de l'Antarctique s'expliquent notamment par le fait que la calotte glaciaire est capable de changements brusques associés à plusieurs mécanismes de rétroactions positives, et ce particulièrement dans les régions où la glace repose sur un socle rocheux situé sous le niveau de la mer. C'est le cas pour la majorité de l'Antarctique de l’Ouest ainsi que dans certains bassins de l’Antarctique de l’Est. Il a été démontré que les interactions entre la calotte glaciaire et son environnement (à savoir l'océan, l'atmosphère et le lit rocheux sous-jacent) influencent fortement sa stabilité, notamment en déclenchant ou en atténuant les instabilités qui la menacent. Malgré les incertitudes, des études récentes suggèrent que, à l'avenir, l’Antarctique de l’Ouest perdra de la masse et finira par (au moins partiellement) s'effondrer. Les incertitudes concernent dès lors le moment de cet effondrement, mais également une potentielle stabilisation de la calotte par le lit rocheux (qui repose sur une région du manteau terrestre particulièrement peu visqueuse) situé sous cette région occidentale. En effet, il a été démontré qu'un rebond rapide du lit rocheux pouvait ralentir voire limiter la perte de masse de la calotte. Le sort de l'Antarctique de l’Est est moins clair. Une des questions en suspens est la suivante : l'Antarctique de l’Est perdra-t-elle ou gagnera-t-elle de la masse ? Plus précisément, perdra-t-elle de la masse dans ses régions potentiellement instables, et, si oui, cette perte de masse sera-t-elle compensée par un gain de masse associé à une augmentation des précipitations neigeuses à l'intérieur du continent ?Cette thèse contribue à clarifier et à apporter de nouveaux éléments de réponses à ces questions, permettant ainsi d’en savoir plus sur l’évolution future de la calotte Antarctique. Pour ce faire, nous étudions, à l'aide d'un modèle numérique de calotte glaciaire, l'influence des incertitudes concernant les interactions de la calotte avec son environnement sur sa stabilité future. De plus, nous produisons, tout en quantifiant les incertitudes, des projections de l'évolution de l’Antarctique au cours du prochain millénaire. Nos résultats montrent que l'océan sera le principal moteur de la perte de masse à court terme de l'Antarctique, engendrant un recul important en Antarctique de l'Ouest (et plus particulièrement au niveau de la mer d'Amundsen), et ce même en cas de réchauffement climatique limité. Dans le cas d'un réchauffement soutenu, cependant, cela pourrait conduire, malgré le rebond du lit rocheux, à un effondrement complet de l’Antarctique de l’Ouest au cours du millénaire. De plus, nos résultats suggèrent qu'un réchauffement soutenu transformera probablement l'Antarctique de l’Est en un contributeur positif à l'élévation du niveau marin global au cours du siècle prochain. En effet, nous prévoyons que le recul de la calotte dans ses bassins instables, non efficacement stabilisé par le rebond du lit rocheux étant donné le manteau terrestre très visqueux dans cette région, l'emportera progressivement sur son bilan de masse de surface (c’est-à-dire l'équilibre entre accumulation, sublimation et ruissellement à la surface de la calotte). Enfin, nous démontrons que le bilan de masse de surface peut être fortement réduit en cas de réchauffement soutenu, en raison d'une augmentation significative du ruissellement de surface avec l'augmentation des températures, augmentant ainsi la contribution nette de l'Antarctique à l'élévation du niveau marin.