Geneste modellering van de Groenlandse ijskap ter ondersteuning van de datering en interpretatie van de NEEM ijskern (NEEM-B) (FWOAL521)

1. Achtergrond en belang van het project Sinds de eerste ijskernen geboord werden in de jaren '60 (Camp Century en Byrd) heeft het ijskernonderzoek een cruciale plaats verworven in onze kennis van Laatquartaire klimaatsveranderingen. De actuele stand van dit onderzoek op de Groenlandse ijskap uit zich nog het best in de gedetailleerde ijskernen die geboord werden op Summit (GRIP - Greenland Ice core Project - en GISP2 - Greenland Ice Sheet Project 2) en in NGRIP (NorthGRIP), cf. Dansgaard et al. (1993) en NGRIP project members (2004). De meest spectaculaire bevinding van Groenlandse ijskernen is het besef dat de laatste glaciale periode gekenmerkt werd door plotse en abrupte klimaatsschommelingen op een duizendjarige tijdschaal welke bekend zijn geworden onder de naam Dansgaard-Oeschger events. Het begrijpen van de oorzaken van deze snelle klimaatsschommelingen, en de implicaties daarvan voor het toekomstige klimaat, is één van de centrale onderwerpen in de studie van het klimaat en heeft beduidende implicaties voor het beleid. Desondanks de grote betekenis van bestaande Groenlandse ijskernen lijden zij allen aan hetzelfde euvel: geen van deze ijskernen werpt een klaar licht op het klimaat van het laatste interglaciaal 115000 tot 130000 jaar geleden welke periode ook bekend staat als het Eemiaan. Ijs uit het Eemiaan is aanwezig in de ijskernen die geboord werden op Summit maar is sterk verstoord. Het Eemiaan is onvolledig vanwege te veel basaal smelten in de NGRIP ijskern en is veel te dun voor klimaatstudies in de Camp Century ijskern. Het laatste interglaciaal is nochtans een cruciale periode om de processen van klimaatsverandering beter te begrijpen omdat deze periode een analogie vormt voor de huidige opwarming van de aarde, zij het dat zijn oorzaak ontegensprekelijk van natuurlijke oorsprong is. Klimaatsreeksen uit mariene en terrestrische sedimenten suggereren dat het Eemiaan in Groenland tot 5°C warmer zou geweest zijn dan vandaag. Op die manier kan deze periode ons iets leren over wat er mogelijk op komst is onder de toekomstige klimaatsomstandigheden die geprojecteerd worden. In het bijzonder suggereren een aantal modelstudies dat de Groenlandse ijskap volledig zou verdwijnen onder zulke warmere omstandigheden aan een snelheid die afhangt van de duur en de sterkte van de opwarming (Huybrechts et al., 1991; Huybrechts en de Wolde, 1999; Cuffey en Marshall, 2000; Greve, 2000; Huybrechts, 2002; Gregory et al., 2004; Otto- Bliesner et al., 2006). De nieuwe North Greenland Eemian Ice Drilling (NEEM) site (77.5°N, 50.9°W, 2650 m boven zeeniveau) werd geselecteerd op basis van beschikbare data van oppervlaktehoogte, ijsdikte, en ijsradarmetingen als de meest geschikte plaats om een ongestoorde klimaatsreeks te vinden van het Eemiaan en de vorige ijstijd. De NEEM site ligt ongeveer 300 km ten noorden van de NGRIP site langsheen de ijsscheiding in een gebied met een eerder lage accumulatie en een redelijk vlakke bodemtopografie. De ijsdikte werd met een radar vastgesteld op 2542 m. Eerste ruwe inverse modelresultaten geven aan dat het Eemiaan zal kunnen gevonden worden op een diepte tussen 2265 en 2345 m met een gemiddelde jaarlijkse laagdikte van 7 mm, genoeg voor een betekenisvolle klimaatsreconstructie (Buchardt en Dahl-Jensen, 2008). De NEEM klimaatsrecord zal daarom een volledig interglaciaal kunnen afdekken van begin tot einde op een voldoende hoge resolutie in verschillende parameters. Bovendien zal de klimaatsreeks kunnen bevestigen of het inderdaad gevoelig warmer was gedurende deze periode en of er snelle klimaatsveranderingen in zulk een warmer klimaat voorkwamen. Dit moet toelaten een precieser beeld te krijgen van het gedrag van de Groenlandse ijskap in een warmer klimaat. Tevens zullen de gegevens aan het licht brengen of er Dansgaard-Oeschger gebeurtenissen plaatsvonden tijdens de vorige glaciale periode. De bevindingen van de NEEM ijskern zullen ook toelaten om klimaatsvariaties uit het huidige en vorige interglaciaal in verband te brengen met voorspelde scenarios voor de opwarming van de aarde. Een correcte interpretatie van klimaatsreeksen uit ijskernen veronderstelt een gepaste oplossing voor twee fundamentele problemen. Ten eerste is het sleutelprobleem van elke klimaatsreconstructie een accurate datering. Het tweede probleem volgt onmiddellijk uit de dynamica van de ijskap zelf over de gehele periode die afgedekt wordt door de ijskern. Bovenal heeft de oppervlaktehoogte waarop de ijsdeeltjes oorspronkelijk werden afgezet wijzigingen ondergaan als gevolg van veranderingen in de accumulatie, de ijstemperatuur, de ijskapuitbreiding, de horizontale ijsvloei, en mogelijk nog andere factoren (Huybrechts, 2002). Zulke oppervlaktewijzigingen veroorzaken afwijkingen in de temperatuursreeks die uit de ijskern gewonnen wordt. Die afwijkingen zijn niet aan het klimaat gerelateerd en dienen derhalve zo nauwkeurig mogelijk bepaald te worden. Bovendien ligt de NEEM site op de ijsflank langs de as van een zwakhellende rug. Het gevolg daarvan is dat het ijs in de ijskern niet lokaal werd afgezet maar afkomstig is van een plaats stroomopwaarts. Dieper ijs in de kern kwam daarom van een steeds hogere, en dus koudere, plaats op de ijskap. Ook kan men redelijkerwijs veronderstellen dat de Groenlandse ijskap tijdens het Eemiaan een andere geometrie vertoonde dan de huidige. Op basis van momenteel beschikbare modelberekeningen van de Groenlandse ijskap (bv. Cuffey en Marshall, 2000) is het onwaarschijnlijk dat de huidige geometrie en oppervlaktehoogte van toppen en ijsscheidingen bewaard is gebleven tijdens het Eemiaan. Deze beperkingen bemoeilijken de interpretatie van de ijskern. Dit vraagt om ijsdynamische modellering uitgaande van geofysische waarnemingen zowel van de ijskern zelf als van zijn omgeving. 2. Methodologie Onze benadering om de chronologie en de niet klimaatsgebonden temperatuursafwijkingen te bepalen bestaat erin om de geschiedenis van de ijskap en de ijsstroming te reconstrueren over ten minste de gehele tijdsspanne die door de ijskern wordt afgedekt. Deze procedure wordt uitgevoerd over het gehele gebied waar de ijsdeeltjes uit de NEEM ijskern worden verondersteld afgezet geweest te zijn. Wij zullen daarom een hoge-resolutie hogere-orde ijsvloeimodel voor het NEEM gebied nesten in een veelomvattend driedimensionaal thermomechanisch stromingsmodel van de gehele Groenlandse ijskap. Het gereconstrueerde hoge-resolutie driedimensionale snelheidsveld van een voorwaarts experiment met het geneste model zal daarom gebruikt worden in een Lagrangiaans achterwaarts opsporingsalgorithme om de trajectories van de ijsdeeltjes te achterhalen vanaf de plaats en het tijdstip van afzetting. Deze informatie kan onmiddellijk in verband gebracht worden met een hele reeks spatio-temporele parameters die nodig zijn voor een correcte interpretatie van de ijskern. De procedure levert onmiddellijk de diepte-ouderdom verdeling, de oppervlakteomstandigheden tijdens de afzetting van de ijsdeeltjes, alsmede een hele reeks relevante parameters zoals de initiële jaarlijkse laagdikte. De procedure is in staat om volledig rekening te houden met tijdsafhankelijke veranderingen in zulke cruciale parameters als de ijsdikte, richting van de ijsvloei, vloeisnelheid, accumulatie, en basaal smelten. De grootschalige component van het geneste model is een bestaand veelomvattend Groenlands ijsstromingsmodel (Huybrechts en de Wolde, 1999; Huybrechts, 2002). Dit model zal gedraaid worden op een horizontale resolutie van 20 km (mogelijk 10 km) met 30 lagen in de verticale en 9 lagen in de bodem voor de berekening van de warmtegeleiding in de aardkorst. Dit model bevat componenten die de stroming van gegrond ijs en basaal glijden beschrijven volgens de gangbare vereenvoudigingen in de 'shallow-ice' benadering, alsmede de reactie van de vaste aarde en de massabalans op het contactoppervlak tussen ijs en atmosfeer. De belangrijkste inputs van het model zijn het oppervlakteklimaat (massabalans en oppervlaktetemperatuur), de geothermische warmteflux en de zeespiegelstand die de kustlijn en de waterdiepte rond het continent bepaalt. Het smelt- en afstromingsmodel is gebaseerd op de positive-degree-day methode, en houdt rekening met processen die smeltwater vasthouden in de sneeuwlaag en met herbevriezing van smeltwater (Janssens and Huybrechts, 2000; Hanna et al., 2005). In dit project zal het grootschalige model verder verfijnd worden door de laatste gegevens in de datasets te verwerken voor oppervlaktehoogte, ijsdikte, bodemtopografie en neerslag. Gezien het belang van basaal smelten voor het vinden van oud ijs, wat grotendeels afhangt van de geothermische warmteflux, zal getracht worden om verschillende ruimtelijke verdelingen voor deze parameter in de berekeningen te betrekken in plaats van uit te gaan van een constante waarde (Huybrechts, 1996; Shapiro en Ritzwoller, 2004; Greve, 2005). De huidige versie van het grootschalige Groenlandmodel gaat uit van een Euleriaanse beschrijving om een eerste schatting te maken van de ouderdoms- en isotopenverdeling in het ijs (Huybrechts, 1994). Zuivere Lagrangiaanse benaderingen werden ontwikkeld en uitgetest in eerder werk (Rybak en Huybrechts, 2003) maar vertonen gekende gebreken vanwege de spreiding van de tracers in het bijzonder dicht bij de bodem. Binnen dit project zullen we de tracer module verder verbeteren door over te gaan op een semi-Lagrangiaanse benadering (Clarke en Marshall, 2002; Clarke et al., 2005). Het fijnschalige model is gebaseerd op de hogere-orde code van Pattyn (2003). Dit model omvat zowel longitudinale als transversale gradiënten in het krachtenevenwicht. Deze bijkomende termen verbeteren de snelheidsoplossing op ijsscheidingen, in de omgeving van de ijsrand en in gebieden met uitgesproken reliëf of hoge snelheidsgradiënten. Deze termen zijn ook vereist voor een meer realistische oplossing op numerieke roosters met een horizontale resolutie van de orde van de ijsdikte. In dit project zullen we voortbouwen op een verder ontwikkelde versie van deze code op basis van een staggered-grid benadering van het numerieke schema om gekende convergentieproblemen onder bepaalde omstandigheden te omzeilen (Bert De Smedt en Oleg Rybak, persoonlijke mededeling). Het lokale ijsstromingsmodel zal geïmplementeerd worden op een horizontale resolutie van 2 km of minder met 100 lagen in de verticale. In eerste instantie zullen experimenten uitgevoerd worden met een voor de hand liggend koppelingssschema in de neerwaartse richting tussen het grootschalige en fijnschalige model. De uitwisseling van informatie tussen beide modellen zal vooreerst volgens de anomaliemethode plaatsgrijpen (Huybrechts et al., 2007). Niettegenstaande zijn verdere ontwikkelingen gepland met tweezijdige koppelingsschema's waarin de snelheidsoplossing in het lokale hoge-resolutie model kan terugkoppelen op de grootschalige ijsstroming. Naast de chronologie en de niet klimaatsgebonden temperatuursafwijkingen van de NEEM ijskern zal het geneste model ook de gepaste variabelen berekenen om het vervormingsgregime op verschillende diepten en op verschillende plaatsen in de Groenlandse ijskap te karakteriseren. Zoals het geval was in andere studies (Marshall en Cuffey, 2000) zal dit toelaten om de risico's van verstoringen in de ijsstroming en eventuele onderbrekingen in de ijskern beter in te schatten. Vooral in de lagen dicht bij de bodem kunnen zulke verstoringen ontstaan door migratie van de ijsscheiding en de daarbij horende veranderingen van het vloeiregime. De tijdsafhankelijke modellering zal voortdurend worden verfijnd in functie van de beschikbaarheid van nieuwe meetgegevens van de boring zelf en van het omliggende gebied. Fijnschalige radarprofielen zowel vanuit de lucht als van op het ijsoppervlak zijn reeds beschikbaar voor de NEEM site. Deze gegevens zullen verder verwerkt worden om reconstructies van de bodemtopografie en de interne gelaagdheid te verbeteren zowel rond het boorgat als langsheen de vloeilijn tussen NEEM en NGRIP. Het semi-permanente NEEM kamp werd reeds geïnstalleerd gedurende de zomer van 2007. Daarenboven voerde het Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meersforschung (AWI) een oppervlaktetraverse uit tussen NGRIP en NEEM langsheen de ijsscheiding om met Ground Penetrating Radar (GPR) interne reflectors te karteren tot op een diepte van 40 m. Deze zullen dienen om de accumulatie in het gebied beter te evalueren. Het AWI team zette onderweg ook GPS balisen uit om oppervlaktehoogten en stroomsnelheden te meten, en boorde verschillende ondiepe boorkernen tot een diepte van ongeveer 70 m aangevuld met metingen in sneeuwkuilen. Tenslotte zullen we het 3-D thermomechanische stromingsmodel van de Groenlandse ijskap opnieuw laten lopen over de laatste twee glaciale cycli om de evolutie van de gehele ijskap en de implicaties voor het globale zeeniveau terug te evalueren. Deze experimenten zullen gebruik maken van verbeterde klimaatsforceringen van de NEEM ijskern zelf en zullen tevens gebruik kunnen maken van verbeterde schattingen van de geothermische warmteflux en van het verband tussen accumulatie en temperatuursverandering zoals afgeleid uit de veldwaarnemingen. Er kan verwacht worden dat deze experimenten meer klaarheid zullen scheppen in de cruciale vragen over het lot en de stabiliteit van de Groenlandse ijskap gedurende het Eemiaan en tijdens de snelle klimaatsveranderingen gedurende de glaciale perioden.

Trefwoorden:Geographics

Disciplines:Aardwetenschappen, Milieuwetenschappen, Wiskunde en statistiek, Sociale en economische geografie, Pedagogische en onderwijswetenschappen, Burgerlijke ingenieurswetenschappen en bouwkunde