Étude géodésique multi-techniques de l'évolution de la calotte du Groenland et déformations de la Terre associées : quelles incertitudes sur les bilans de masse de glace ?

Multi-technique geodetic study of the evolution of the Greenland ice sheet and associated Earth deformations : what uncertainties on the ice mass balances ?

• Auteur / Autrice : Ana Sanchez
• Direction : Laurent Métivier, Marianne Greff
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 22/06/2022
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Etienne Berthier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Etienne Berthier, Frédérique Rémy, Olivier de Viron, Raphaël Grandin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédérique Rémy, Olivier de Viron

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géodésie

Compaction (sédimentologie)

Bilan hydrologique

Déglaciation

Groenland

Calottes glaciaires

Mots clés libres

Groenland

Bilan de masse de glace

GRACE

GNSS

Modèle de compaction de neige

Greenland

Ice mass balance

GRACE

GNSS

Firn model

SMB

Résumé

L'évolution de la calotte polaire du Groenland est un indicateur important des changements climatiques et contribue de façon importante à la montée du niveau moyen des mers. Néanmoins, générer un bilan de masse glaciaire de la calotte polaire du Groenland précis et sans erreur reste un véritable défi. Ici, nous proposons de combiner différents types de mesures géodésiques pour améliorer notre connaissance de l'évolution spatiale et temporelle de la calotte polaire du Groenland. En particulier, nous visons à réconcilier les variations de volume de glace observées par altimétrie satellitaire avec les estimations régionales des vitesses de station GNSS et les mesures de gravimétrie spatiale variables dans le temps sur les périodes 2003-2009 et 2011-2015. Les variations de masse de la calotte polaire du Groenland sont déduites de l'altimétrie satellitaire pour les grandes calottes glaciaires (ICESat-1 et CryoSat-2) et des modèles numériques d'élévation générés à partir de multiples archives satellitaires pour les glaciers périphériques, associés à trois modèles de névé différents. Les variations du champ de gravité dans l'espace et dans le temps sont mesurées par la mission GRACE (pour laquelle nous utilisons une solution améliorée, basée sur une combinaison des solutions de différents centres d'analyse, où les signaux de plus petites longueurs d'ondes sont préservés). Dans un premier temps, après traitement, analyse et confrontation des observations GRACE et d'altimétrie satellitaire, nous montrons que les corrections dues aux modèles de névé engendrent de fortes incertitudes sur le bilan de masse de glace au Groenland. Nous trouvons un bilan de masse total au Groenland entre -195.6 Gt/an à -242.5 Gt/an pour les années 2003-2008 et -165.5 Gt/an à -249 Gt/an pour les années 2011-2015. Nous avons donc estimé notre propre bilan de masse par inversion, en établissant un coefficient multiplicateur entre les données d'altimétrie et les données GRACE. Nous obtenons -167 Gt/an pour la période 2003-2008 et -243 Gt/an pour la période 2011-2015. Ces résultats sont cohérents avec les estimations précédentes. Nous modélisons, ensuite, les déformations élastiques du sol associées à la fonte des glaces à partir d'une méthode en fonctions de Green afin de comparer nos solutions aux observations GNSS qui sont plus sensibles aux changements locaux de masse de glace. Les résultats montrent que les déplacements élastiques verticaux sont en bon accord avec les observations dans certaines régions, mais sont en désaccord dans les parties sud-est et nord du Groenland. Nous constatons que les variations de charge à plus courtes longueurs d'ondes données par les glaciers périphériques sont essentielles pour calculer la déformation à proximité des stations GNSS mais pas suffisantes pour expliquer complètement les observations GNSS. Nous explorons enfin la réponse viscoélastique potentielle de l'asthénosphère à la perte de masse récente de la glace et du petit âge glaciaire pour expliquer davantage les déplacements GNSS observés. Nous concluons que les données GNSS, altimétriques et GRACE ne sont pas directement comparables au Groenland et que les ensembles de données doivent être combinés avec précaution, en raison des différentes corrections appliquées et des différentes résolutions de temps et d'espace.

The evolution of the Greenland Ice Sheet (GIS) is an important indicator of climate changes and driver of global mean sea level rise. Nonetheless, generating error-free GIS ice mass balance remains a challenge, leading to major uncertainties in projecting future sea-level rise. We propose to combine various geodetic measurements to improve our knowledge of the spatial and temporal evolution of the GIS. In particular, we aim at reconciling ice mass balance estimates derived from satellite altimetry and time variable space gravity measurements over the 2003-2009 and 2011-2015 periods, by comparing the predicted induced ground deformation with regional observations of GNSS velocities. We first infer GIS mass variations using two of the well-established methods, compare results and seek reconciliation. On one hand, we use volume variations over the ice sheet derived from satellite altimetry (ICESat-1 and CryoSat-2) and digital elevation models generated from multiple satellite archives for peripheral glaciers. We combine these datasets with three different firn models, describing the evolving near-surface density, to convert volume change to mass. On the other hand, we use variations of the gravity field in space and time, measured by the GRACE satellite mission, to infer mass variations at a coarse spatial resolution. We show that the volume-mass conversion, through a range of firn models corrections, generates large uncertainties on the GIS mass balance derived from altimetry observations. Comparisons between the altimetry and GRACE-based model methods to infer ice mass balance reveal large disparity, we find a total mass balance in Greenland between -195.6 Gt/yr and -242.5 Gt/yr for the years 2003-2008 and between -165.5 Gt/yr and -249 Gt/yr for the years 2011-2015. Thus we invert, and estimate a mass balance and obtain -167 Gt/yr for the period 2003-2008 and -243 Gt/yr for the period 2011-2015. These results are consistent with previous estimates. We then model the Earth's elastic deformation induced by the estimated ice mass variations. We use the loading theory with a Green's functions approach in order to compare our solutions to GNSS observations, accounting for local changes in ice mass. Results show that while predicted vertical elastic displacements are in good agreement with the observations in some regions, they disagree in the southeastern and northern parts of Greenland. We confirm that short wavelength load variations of peripheral glaciers are essential to predict the deformation at nearby GNSS stations, but not sufficient to fully explain the GNSS observations. Finally, we explore the potential impact of viscoelastic response of the asthenosphere to recent ice and little ice age mass loss to further explain the observed GNSS displacements. We conclude that GNSS, altimetry, and GRACE data are not directly comparable in Greenland and that the datasets must be combined carefully, due to the different corrections applied and the different resolutions in time and space.