Sea-level and solid-Earth feedbacks on ice-sheet dynamics

Abstract

Ice sheets fundamentally contribute to the climate system by exchanging freshwater with the oceans and influencing the Earth's radiative balance via their surface albedo. On the other hand, changing climatic conditions (precipitation, air and ocean temperature) as well as geothermal heat fluxes control the advance and retreat of ice sheets during glacial cycles. With the changing ice and ocean load on the Earth's surface, their evolution forces the redistribution of mantle material in the Earth's interior and causes changes of the gravity field and the displacement of the surface, both leading to sea- level change. The gravitational and deformational response depends on the viscoelastic structure of the solid Earth, which in turn has an effect on the dynamic evolution of the ice sheets. In this thesis, a coupled model for ice and solid-Earth dynamics is realized, consistently accounting for surface loading of the Earth by redistribution of ice and ocean masses. It incorporates all primary feedbacks of viscoelastic deformation and gravitationally consistent sea level on the evolution of the modeled ice sheets. In idealized scenarios, it is found that the feedback mechanisms are most important at the boundary between grounded ice and oceans. This feedback is shown to be not adequately accounted for in an approximative representation of the solid-Earth deformation, commonly used in ice-sheet modeling. A possible future collapse of the West Antarctic Ice Sheet (WAIS) in a warming climate including rising sea levels is found to be prevented or delayed by soft viscoelastic Earth structures (i.e. featuring a thin lithosphere and a low-viscous asthenosphere), corresponding to the West Antarctic rift system. It is found that the iterative adjustment of the paleo bathymetry, necessary to match present-day observation of the bathymetry, as well as the ongoing relaxation imply shallower ambient ocean depths in Antarctica for stiffer Earth structures (i.e. featuring a thick lithosphere and a high-viscous mantle) during the last glacial cycle, leading to more stability during intermittent periods of warming preceding the Last Glacial Maximum (LGM). The findings on the future WAIS stability for softer Earth structures and the additional pre-LGM stability of the Antarctic Ice Sheet for stiffer Earth structures largely depend on the strength of the applied forcing of the ice dynamics. If, however, the ice sheet is forced to a tipping point, the solid- Earth structure may turn the balance towards stabilization or considerable ice-mass loss and associated sea-level rise. Therefore, the simultaneous consideration of ice dynamics and the Earth's deformational and gravitational response as in the presented coupled model provides a more reliable insight into ice dynamics.

Die polaren Eisschilde tragen mit dem Austausch von Süßwasser mit den Ozeanen und dem Einfluss ihrer Oberflächenalbedo auf die Strahlungsbilanz der Erdoberfläche maßgeblich zum Klimasystem bei. Gleichzeitig verursachen Änderungen der klimatischen Randbedingungen (Niederschlag, Luft- und Ozeantemperaturen) und Geothermie Vorstöße und Rückzüge der Eisschilde während der Vereisungszyklen. Die sich dadurch ändernde Eis- und Ozeanlast auf der Erdoberfläche verursacht eine Umverteilung von Material im Erdmantel, was Veränderungen im Schwerefeld, Verschiebungen der Erdoberfläche und im Zusammenspiel dieser beiden Effekte Meeresspiegeländerungen bewirkt. Die Reaktion des Schwerefeldes und der Erddeformation auf Laständerungen hängt von der viskoelastischen Struktur der festen Erde ab, die dadurch Einfluss auf die Entwicklung der Eisschilde hat. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein gekoppeltes numerisches Modell für die Dynamik von Eisschilden und der festen Erde realisiert, welches die Belastung der Erde durch die Umverteilung von Eis- und Ozeanmassen berücksichtigt. Dadurch lassen sich die vorrangigen Rückkopplungsmechanismen von Meeresspiegeländerungen und Verschiebungen der Erdoberfläche auf die Entwicklung der modellierten Eisschilde einbinden. In vereinfachten Szenarien kann der Übergang von aufsitzendem Eis zum Ozean, bzw. zum Schelfeis, als wichtigste Schnittstelle von Eis- und Erddynamik ausgemacht werden. Dieser Rückkopplungsmechanismus ist in einer näherungsweisen Beschreibung der Deformation der festen Erde, wie sie in der numerischen Modellierung von Eisschilden verwendet wird, nur unzulänglich repräsentiert. Der mögliche zukünftige Kollaps des Westantarktischen Eisschildes (West Antarctic Ice Sheet; WAIS) in einem wärmeren Klima einschließlich ansteigenden Meeresspiegels wird bei Annahme von weichen Erdstrukturen (d.h. dünne elastische Lithosphäre und niedrig-viskose Asthenosphäre), die der westantarktischen Riftzone entsprechen, verhindert oder verzögert. Die iterative Anpassung der Paleobathymetrie, die zur Reproduktion der gemessenen heutigen Bathymetrie notwendig ist, und die kontinuierliche Relaxation der festen Erde bedingen während des letzten Vereisungszyklus im Falle von steiferen Erdstrukturen (d.h. dicke elastische Lithosphäre und hoch-viskoser Mantel) zu flacheren Ozeanen in der direkten Umgebung des Antarktischen Eisschildes. Dies führt zu erhöhter Stabilität während zwischenzeitlicher Ozeanerwärmung vor dem Höhepunkt der letzten Eiszeit (Last Glacial Maximum; LGM). Die Befunde zur zukünftigen Stabilität des WAIS unter der Annahme weicher Erdstrukturen und zur zusätzlichen Stabilität des Antarktischen Eisschildes vor dem LGM im Falle steifer Erdstrukturen hängen stark vom klimatischen Antrieb der Eisdynamik ab. Wenn sich der Eisschild jedoch an einem kritischen Punkt befindet, kann die Erdstruktur den Ausschlag in Richtung einer Stabilisierung einerseits oder eines beträchtlichen Eismassenverlustes und des damit einhergehenden Meeresspiegelanstieges andererseits geben. Entsprechend erlaubt die gleichzeitige Berücksichtigung von Eisdynamik und Erddeformation sowie Schwerefeldänderungen, wie sie im hier vorgestellten Modell gegeben ist, verlässlichere Erkenntnisse über Eisdynamik.