Contribution de la calotte Antarctique au niveau des mers du 19ème au 21ème siècle et liens avec le forçage anthropique

Antarctic ice-sheet contribution to sea level rise from the 19th to the 21st century and links with anthropogenic forcing

• Auteur / Autrice : Justine Caillet
• Direction : Nicolas Jourdain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l’Environnement
• Date : Soutenance le 05/07/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des géosciences de l'environnement (Grenoble, Isère, France ; 2017-....)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Gagliardini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julie Deshayes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Nowicki, Jean-Baptiste Sallée

Mots clés

Mots clés contrôlés

Glaciologie

Mer -- Niveau

Effet de serre (météorologie)

Glaciers -- Antarctique

Mots clés libres

Calotte Antarctique

Détection

Plateforme de glace

Forçage anthropique

Niveau des mers

Mer d'Amundsen

Antarctic ice sheet

Detection

Ice shelf

Anthropogenic forcing

Sea level rise

Amundsen Sea

Résumé

Bien qu’historiquement inattendu, la calotte Antarctique contribue à l’élévation du niveau des mers depuis plusieurs décennies. Les satellites révèlent que la calotte perd de la masse via la fonte massive induite par l’océan au droit des terminaisons flottantes de ses glaciers, notamment dans les secteurs d’Amundsen et d’Aurora. Le rôle du forçage anthropique dans cette fonte reste néanmoins largement méconnu en raison de la variabilité naturelle, très présente dans la région, et de la durée d’observations relativement restreinte.L’intrusion des eaux profondes circumpolaires relativement chaudes aux abords de la calotte en mer d’Amundsen est avérée depuis le début des relevés en 1994 et l’étude des sédiments suggère que plusieurs glaciers ont subi un retrait de leur ligne d’échouage depuis les années 40. Néanmoins, ces données ne permettent pas d’arbitrer si les conditions pré-industrielles sont compatibles avec des conditions océaniques froides ou chaudes en mer d’Amundsen ou si cette dernière a basculé dans un état chaud tardivement en raison des changements induits par le forçage anthropique. A l’aide d’un ensemble de simulations océaniques du secteur d’Amundsen avec différentes perturbations idéalisées des flux atmosphériques, nous montrons que les conditions pré-industrielles peuvent être associées, au moins de manière intermittente, avec des conditions froides en mer d’Amundsen et de faibles taux de fonte. A l’échelle multi-décennale, les transitions entre deux états résultent principalement des changements des flux de flottabilité en surface qui affectent la stratification thermohaline en modulant la production nette de glace de mer.Pour autant, si ces premiers résultats sont compatibles avec la thèse d’une influence anthropique, ils ne permettent pas d’écarter la thèse de l’influence de la variabilité interne basse fréquence, très marquée dans la région. Un second volet s’attache donc à caractériser l’effet de cette variabilité sur la perte de masse future de l’Antarctique. Cette étude est fondée sur un ensemble de simulations de contribution de la calotte au niveau des mers, d’ici 2100 sous le scénario médian SSP2-4.5, issu d’un modèle de calotte forcé par plusieurs membres de trois modèles climatiques. Nos expériences montrent que la variabilité interne affecte la contribution de l’Antarctique d’ici la fin du siècle de plus de 45% à 93% selon le modèle climatique, alors que leur représentation de la variabilité interne, à la fois océanique et atmosphérique, est certainement sous-estimée. L’influence de la variabilité atmosphérique prédomine et les secteurs d’Amundsen et d’Aurora, siège des principales pertes actuelles, sont les secteurs les plus affectés. Nos résultats suggèrent que l’impact de la variabilité interne sur l’évolution de la calotte doit être systématiquement exploré via l’utilisation de plusieurs membres climatiques.La tentative d’identification des rôles respectifs des influences anthropique et naturelle dans les pertes de masses observées dans les régions d’Amundsen et d'Aurora parachève ces travaux. A cette fin, nous reconstruisons, via une méthode originale d’initialisation, des ensembles d'évolutions de la calotte depuis 1850 avec et sans forçage anthropique pour sept membres d’un même modèle climatique. Comme escompté lors des deux premières phases d’étude, les trajectoires historiques sont impactées par la variabilité interne et certains membres climatiques permettent l’obtention d’états pré-industriels froids par intermittence en mer d'Amundsen. La détection du signal anthropique est ensuite estimée en comparant les trajectoires avec et sans forçage anthropique.Ces travaux ouvrent la voie (i) à la détection/attribution des changements de masse de la calotte et (ii) à l'intégration des modèles de calottes au sein des modèles de climat en proposant une méthodologie d'initialisation de la calotte dès l'ère pré-industrielle.

The Antarctic Ice Sheet has contributed to global sea level rise over the last few decades, which was historically unexpected. Satellites indicate that the ice sheet is losing mass through massive ocean-induced melting beneath the floating ice shelves, particularly in the Amundsen and Aurora sectors. Nevertheless, the role of anthropogenic forcing remains largely unclear due to the natural climate variability, which is particularly strong in this region, as well as the relatively short duration of observations.The intrusion of relatively warm circumpolar deep waters beneath the ice shelves in the Amundsen Sea has been observed since the first records in 1994, and the analysis of sediments suggests that several glaciers have experienced a retreat of their grounding line since the 1940s. However, these data do not allow any assessment of whether pre-industrial conditions were compatible with cold or warm oceanic conditions in the Amundsen Sea, or whether the Amundsen Sea switched into a warm state later due to changes triggered by anthropogenic forcing. Using a set of ocean simulations of the Amundsen Sea with various idealised perturbations of atmospheric fluxes, we show that pre-industrial conditions may be associated, at least intermittently, with cold conditions and low melt rates. On multi-decadal timescales, transitions between warm and cold states are primarily driven by changes in surface buoyancy fluxes, which modify thermohaline stratification through the modulation of net sea-ice production.Although these first results suggest a possible anthropogenic influence, they do not rule out the influence of the strong low-frequency internal climate variability. Hence, the second part of the project focuses on the impact of this variability on future Antarctic mass loss. This work is based on a set of simulations of the ice-sheet contribution to sea level rise, by 2100 under the SSP2-4.5 mid-range scenario, generated from an ice-sheet model forced with several members of three climate models. Our experiments show that internal variability affects the Antarctic contribution to sea level rise by the end of the century by more than 45% to 93% depending on the climate model, even though both oceanic and atmospheric internal variability are probably underestimated. The influence of atmospheric variability prevails and the Amundsen and Aurora sectors, which are currently experiencing the largest losses, are the most affected. Our results suggest that the impact of internal variability on the ice-sheet changes should be systematically explored using several climate members.Finally, we attempt to identify the relative roles of anthropogenic and natural influences in the observed mass losses in the Amundsen and Aurora regions. For this purpose, we use an original initialisation method to reconstruct sets of ice-sheet changes since 1850, with and without anthropogenic forcing, for seven members of a single climate model. As expected from the first two study phases, the historical trajectories are sensitive to internal variability, and some climate model members enable intermittent cold pre-industrial states in the Amundsen Sea. The detection of the anthropogenic signal is then evaluated through the comparison of trajectories with and without anthropogenic forcing.This work paves the way for (i) the detection/attribution of ice-sheet mass changes and (ii) for integrating ice-sheet models into climate models, by providing an initialisation method to initialise the ice sheet from the pre-industrial era.