Pine Island Glacier : a 3D full-Stokes model study

Abstract

Mass loss from the Antarctic Ice Sheet is found to significantly contribute to eustatic sea level rise, due to a dynamic response in the system. Pine Island Glacier, a fast flowing outlet glacier in the West Antarctic Ice Sheet, is located in the Amundsen Sea Embayment Area, where the present Antarctic mass loss is concentrated. The observed mass loss in the area coincides with acceleration and thinning of the glacier, accompanied by a retreat of the grounding line, which is the line of separation between grounded and floating ice. The bed beneath the glacier lies in large parts below sea level, with the bed sloping down away from the ocean. This setting makes the glacier especially vulnerable to increasing and possibly accelerating retreat.

Remote sensing techniques allow only for the surface conditions of glacial systems to be nowadays monitored over reasonable temporal and spatial scales. The conditions at the base, however, are still widely unknown, due to their inaccessibility. This poses a challenge, as basal conditions are a very important component for understanding glacier dynamics. A key technique to bridge this challenge is given by numerical modelling. In glaciological studies flow models are developed, that can either be used to solve in a prognostic manner over long time scales, being based on approximations to the full system of equations, or to solve diagnostically in high resolution for the full system, to study processes in more detail.

Here we present a model of the later category, a thermo-mechanically coupled 3D full-Stokes ice flow model, which is set up to the region of Pine Island Glacier. It is solved with the finite element method, and the prismatic mesh is refined horizontally across the grounding line, where high resolution is needed. With this coupled flow model we assess the present thermal and dynamical state of the coupled ice sheet - ice shelf system. Furthermore, we develop a method to include measured basal properties into the formulation of the basal sliding law.

We find the glacier to be predominantly cold, with most parts of the base being temperate, thus at pressure melting point. The temperate base is a prerequisite for basal sliding, which controls the faster flowing central stream of the glacier. The dominant mechanisms driving the flow of the different tributaries are diverse. Some are controlled by a strong bed and according high driving stresses. Others are steered by the basal topography and likely the presence of water saturated marine sediments. Only minor areas are identified with a significantly thick temperate basal layer. Furthermore, we show a connection between the basal roughness and the sliding behaviour of the glacier. A reduced effective pressure is a key necessity to explain the fast flow towards the grounding line. Thus, a thermo-mechanically coupled model, as we presented here, is essential for the inference of interrelations between the thermal regime, the basal roughness structure and the flow and sliding conditions.

Der Massenverlust des Antarktischen Eisschildes hat auf Grund einer dynamischen Komponente im System, einen wesentlichen Einfluss auf den Anstieg des eustatischen Meeresspiegels. Der Pine Island Gletscher, ein schnell fließender Auslassgletscher im Westantarktischen Eisschild, liegt in einer Region, die an das Amundsen Meer anschließt, und in der sich der aktuelle antarktische Massenverlust konzentriert. Der beobachtete Massenverlust wird begleitet von einer zunehmenden Beschleunigung des Gletschers, Abnahme der Oberflächenhöhe und einem Rückzug der Aufsatzlinie, wo gegründetes in schwimmendes Eis übergeht. Der Boden unter dem Gletscher liegt zu einem großen Teil unterhalb des Meeresspiegels und neigt sich zum Inland. Diese Situation macht den Gletscher besonders anfällig für zunehmenden, und eventuell sogar sich beschleunigenden, Rückzug.

Allein die Oberflächeneigenschaften der glazialen Gebiete können heute durch Fernerkundungsmethoden in relativ hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung abgeschätzt werden. Die Bodeneigenschaften unter den eisbedeckten Gebieten hingegen sind weitgehend unbekannt, weil sie schwer zugänglich sind. Da basale Eigenschaften einen großen Einfluss auf die Dynamik des Gletschers haben, stellt dies eine Herausforderung dar. Numerische Modellierung ist eine wichtige Technik, um diese Herausforderungen zu meistern. In glaziologischen Studien werden meist entweder Modelle entwickelt, die prognostisch über lange Zeitskalen lösen können, basierend auf einer Nährungslösung, oder diagnostisch in hoher Auflösung das volle Gleichungssystem lösen, um detaillierter Prozesse zu studieren.

Hier stellen wir ein Modell der letzteren Sorte vor. Es ist ein thermo-mechanisch gekoppeltes 3D full-Stokes Fließmodell, welches wir auf den Pine Island Gletscher anwenden. Es wird mit der Methode der Finiten Elemente gelöst. Das zugrunde liegende prismatische Gitter wird horizontal über der Aufsatzlinie verfeinert, wo besonders hohe Auflösung gefordert ist. Mit diesem gekoppelten Fließmodell berechnen wir den aktuellen thermischen und dynamischen Zustand des Gletschersystems, bestehend aus gegründetem und schwimmendem Eis. Außerdem entwickeln wir eine Methode, mit der gemessene basale Eigenschaften in der Formulierung des basale Gleitens berücksichtigt werden können.

Wir stellen fest, dass der Pine Island Gletscher vornehmlich von kaltem Eis bestimmt ist, wobei große Teile der Basis temperiert, also am Druckschmelzpunkt, sind. Die temperierte Basis ist eine Voraussetzung für basales Gleiten, welches das Fließfeld im zentralen Strom des Gletschers kontrolliert. Die dominierenden Mechanismen, die die einzelnen Zuströme antreiben, sind divers. Einige sind durch einen festen Untergrund und dadurch durch große Antriebskräfte bestimmt. Unter anderen wird marines Sediment vermutet, und ihre Existenz wird durch die basale Topographie und die Fließwege des basalen Wassers bestimmt. Nur in sehr wenigen Regionen wird eine temperierte basale Schicht von nennenswerter Dicke vermutet. Außerdem zeigen wir eine Verbindung zwischen der basalen Rauigkeit und der Gleitgeschwindigkeit auf. Ein reduzierter effektiver Druck ist eine Erklärung für das schnelle Gleiten des Gletschers in der Nähe der Aufsatzlinie. Demnach ist ein thermo-mechanisch gekoppeltes Fließmodell, wie wir hier präsentieren, gefordert, um die Wechselwirkungen zwischen dem thermalen Regime, der basalen Rauhigkeitsstruktur und der Fließ- und Gleitbewegungen, zu analysieren.