Inférence des points de basculement pour l'écoulement de la glace en Antarctique à partir de simulations numériques

Inferring tipping points for ice flow in Antarctica from numerical simulations

• Auteur / Autrice : Benoît Urruty
• Direction : Olivier Gagliardini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, énergétique, procédés
• Date : Soutenance le 12/01/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des géosciences de l'environnement (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Chaljub
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Masa Kageyama
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hélène Seroussi, Frank Pattyn

Mots clés

Mots clés contrôlés

Glaciers -- Antarctique

Modélisation prédictive

Écoulement (hydrologie)

Mots clés libres

Ecoulement

Modélisation

Antarctique

Modelling

Antarctica

Flow

Résumé

La calotte Antarctique représente la masse de glace la plus importante sur Terre. Cette calotte est sujette aux instabilités engendrées par les changements climatiques en cours. Cette thèse fait partie du projet européen H2020 TiPACCs (Points de basculement dans les composantes climatiques antarctiques). L'objectif général est d'évaluer la probabilité de changements importants et abrupts dans le futur proche de la contribution de la calotte glaciaire Antarctique au niveau de la mer, causé par les points de basculement de la calotte glaciaire Antarctique. Nous devons de déterminer le régime de stabilité des lignes d'ancrage de la calotte glaciaire antarctique et l'existence de points de basculement. Nous abordons la question de savoir si les lignes d'échouage antarctiques subissent actuellement un recul irréversible à travers des instabilité tel que le MISI. Des travaux théoriques et numériques ont fermement établi que les lignes d'échouage des calottes glaciaires de type marin peuvent entrer dans des phases d'avance et de recul irréversibles entraînées par l'instabilité de la calotte glaciaire marine (MISI). Des exemples d'un tel retrait irréversible ont été trouvés dans plusieurs simulations de l'évolution passée et future de la calotte antarctique.Dans ce but, nous menons, à l'aide du modèle d'écoulement glaciaire Elmer/Ice, une analyse systématique de la stabilité numérique de toutes les lignes d'échouage de la calotte Antarctique dans leur position actuelle. Avant que des expériences de perturbation ne puissent être effectuées, un état de référence approprié est obtenu dans la continuité de la récente expérience d'inter-comparaison de modèles centrée sur l'initialisation de la calotte glaciaire pour la calotte glaciaire antarctique, InitMIP-Antarctica (Seroussi, 2019). La méthodologie d'initialisation par inversion est utilisée pour s'assurer que le modèle reproduit le flux de surface actuel pour les épaisseurs de glace actuelles. Dans un deuxième temps, une étude basée sur des expériences de perturbations est menée dans le but d'identifier le régime de stabilité des lignes d'échouage de la calotte Antarctique dans leurs configurations actuelles. La stabilité est testée en appliquant une perturbation faible de la fonte au-dessous des plateformes flottantes, mais significatives du point de vue numérique. Nous montrons systématiquement que des états emph{stables} de la calotte glaciaire peuvent être obtenus à partir des lignes d'échouages, d'une géométrie de la glace et d'un écoulement de glace en accord étroit avec les observations pour l'ensemble de la calotte glaciaire de l'Antarctique, y compris les glaciers Pine Island et Thwaites. Cela implique que la suggestion selon laquelle le retrait de la ligne d'échouage en Antarctique a déjà initié le MISI ne peut pas être confirmée. En fait, cela indique plutôt que le retrait de la ligne d'échouage actuellement observé en Antarctique est un "retrait forcé", ce qui signifie qu'il est entraîné par un forçage externe plutôt que par le mécanisme d'instabilité pour le moment. En d'autres termes, si le déséquilibre des flux actuellement observé devait être supprimé, le recul de la ligne d'échouage s'arrêterait probablement. Cependant, avec la progression du réchauffement climatique, il est peu probable que cela se produise. En fait, un recul supplémentaire de la ligne d'échouage est attendu dans les conditions climatiques actuelles et projetées.

The Antarctic ice cap is the largest ice mass on Earth. This cap is subject to instabilities generated by ongoing climate change. This thesis is part of the European H2020 project TiPACCs (Tipping Points in Antarctic Climate Components). The overall objective is to assess the likelihood of large and abrupt changes in the near-future of the Antarctic ice sheet contribution to sea level, caused by Antarctic ice sheet tipping points. We need to determine the stability regime of the Antarctic ice sheet anchor lines and the existence of tipping points. We address the question of whether Antarctic grounding lines are currently undergoing irreversible retreat through instabilities such as MISI. Theoretical and numerical work has firmly established that marine-type ice sheet grounding lines can enter irreversible advance and retreat phases driven by marine ice sheet instability (MISI). Examples of such irreversible retreat have been found in several simulations of the past and future evolution of the Antarctic ice sheet.To this end, we are conducting a systematic analysis of the numerical stability of all Antarctic cap grounding lines in their present position using the Elmer/Ice ice flow model. Before perturbation experiments can be performed, an appropriate reference state is obtained in continuation of the recent model intercomparison experiment focused on ice sheet initialization for the Antarctic ice sheet, InitMIP-Antarctica (Seroussi, 2019). The inversion initialization methodology is used to ensure that the model reproduces the current surface flux for current ice thicknesses. In a second step, a study based on perturbation experiments is conducted to identify the stability regime of the Antarctic cap grounding lines in their current configurations. Stability is tested by applying a small but numerically significant melt disturbance below the floating platforms. We systematically show that ice sheet states can be obtained from grounding lines, ice geometry, and ice flow in close agreement with observations for the entire Antarctic ice sheet, including Pine Island and Thwaites glaciers. This implies that the suggestion that the retreat of the Antarctic grounding line has already initiated the MISI cannot be confirmed. Rather, it indicates that the grounding line retreat currently observed in Antarctica is a "forced retreat", meaning that it is driven by external forcing rather than the instability mechanism at this time. In other words, if the currently observed flux imbalance were to be removed, the retreat of the grounding line would likely stop. However, with the progression of global warming, this is unlikely to happen. In fact, further retreat of the grounding line is expected under current and projected climate conditions.