Coupling a fjord circulation model with subglacial discharge to a glacier dynamics model with calving, through the estimation of submarine melting at the glacier front

Alrededor del 70 % del agua dulce del planeta se encuentra almacenada en la criosfera. Entre sus múltiples componentes, destacan los más de 200 mil glaciares distribuidos mundialmente. Su tamaño relativamente reducido (en comparación con los mantos de hielo de Groenlandia y Antártida) los hace más reactivos a los cambios atmosféricos y oceánicos, mostrando, por tanto, una respuesta más rápida al calentamiento climático. La pérdida de masa experimentada por estos glaciares contribuye en un 25-30 % a la subida del nivel del mar observada, con un 10-30 % de dicha pérdida asociada a la zona frontal en glaciares que acaban en el mar, asentados en el lecho rocoso y con frente casi vertical (tidewater glaciers), a través del desprendimiento de icebergs (calving)y la fusión submarina. Se ha demostrado que el océano puede ser un factor clave en la aceleración, adelgazamiento y retroceso de los glaciares de descarga (outlet glaciers) situados en la periferia de Goenlandia y la Antártida, promoviendo y acelerando la pérdida de masa de estos grandes mantos de hielo. Sin embargo, estos hallazgos son relativamente recientes y nuestro conocimiento se encuentra todavía en un estado prematuro. El objetivo de esta tesis es aportar conocimiento sobre los procesos físicos implicados en la interacción glaciar-océano. Para ello, hemos desarrollado un modelo numérico acoplado glaciar-océano, que nos ha permitido estudiar la influencia que la fusión frontal submarina ejerce sobre la dinámica glaciar, el calving y la evolución en la posición del frente. Asimismo, hemos utilizado un modelo sencillo que parametriza la pluma de flotabilidad que se genera en la interfase glaciar-fiordo, como consecuencia de las descargas súbitas de agua de deshielo a través de canales de descarga subglaciar. Con este modelo, hemos analizado cómo la fusión superficial de la propia cuenca glaciar favorece la estratificación en las aguas del fiordo asociado y hemos discutido las repercusiones que esto puede tener a niveles físico, biogeoquímico y ecológico. Por último, hemos desarrollado una versión computacionalmente menos costosa del modelo acoplado, el modelo glaciar-pluma, que resulta de utilidad para realizar predicciones a medio/largo plazo sobre la evolución temporal de un sistema glaciar-fiordo dado. Para llevar a cabo nuestras investigaciones, hemos utilizado observaciones de dos sistemas glaciar-fiordo, uno en Svalbard y el otro en Groenlandia. Los resultados de nuestros modelos sugieren que tanto la fusión submarina como la hidrofracturación de las grietas ejercen un control importante sobre la ablación frontal estacional, siendo la fusión submarina por sí sola insuficiente para explicar los patrones de retroceso estacional del frente glaciar observados. La magnitud de la fusión submarina y el calving durante la época estival ha resultado ser del mismo orden, lo cual pone de manifiesto el estrecho vínculo que existe entre ambos mecanismos de ablación. Además, los resultados de nuestros modelos sugieren un desfase de 4 a 5 semanas entre los máximos de fusión superficial y fusión submarina, lo que indica la complejidad del sistema de drenaje intra y subglaciar. Hemos encontrado que la fusión submarina es fuertemente dependiente de la evolución intraestacional de la intensidad de descarga subglaciar y la temperatura del agua en el fiordo, llegando a variar en tres órdenes de magnitud desde principios hasta finales de verano. Debido a esta dependencia, creemos que es importante imponer condiciones de contorno y forzamientos apropiados en los modelos predictivos, con el fin de obtener resultados más exactos. El modelo acoplado glaciar-pluma presentó mayores tasas de fusión submarina (hasta el 30 %) y produjo un perfil de fusión de tipo cuasilineal, mientras que las menores tasas de fusión del modelo glaciar-fiordo presentaron un perfil cuasiparabólico. A pesar de estas diferencias, las posiciones del frente predichas con ambos modelos, considerando los escenarios más realistas, han conseguido reproducir las posiciones del frente observadas. Usando únicamente el modelo de pluma, hemos encontrado que el aumento de estratificación en el fiordo, debido al aporte del agua dulce de deshielo glaciar, ejerce un control dominante en la extensión vertical de las plumas de flotabilidad asociadas al frente glaciar, llegando a inhibir su aparición en la superficie del fiordo. Ante un escenario de calentamiento global, que provoca un mayor aporte de agua dulce de deshielo a los fiordos circundantes, cabe esperar que la aparición de estas plumas en superficie sea cada vez menor, haciéndose más difícil su monitorización y teledetección. En general, y dado que el modelo acoplado glaciar-pluma disminuyó el tiempo de computación en un factor de más de 50, podemos decir que nuestro modelo glaciarpluma es un candidato idóneo para simular la evolución de los sistemas glaciares de tipo tidewater, siempre y cuando utilicemos restricciones apropiadas para el flujo de descarga subglacial y la temperatura ambiente del fiordo. ----------ABSTRACT---------- Around 70 % of the total freshwater volume on Earth is stored in the cryosphere. Among its components, there are more than 200 thousand glaciers distributed worldwide. The smaller size of the glaciers compared to the ice sheets of Antarctica and Greenland make them more responsive to atmospheric and/or oceanic forcing, in particular to global warming. The loss of mass experienced by these glaciers contributes 25-30% to the current observed sea level rise, with 10- 30% of such loss associated with frontal ablation from tidewater glaciers through calving and submarine melting. It has been shown that the ocean can be a key factor in the acceleration, thinning and retreat of the outlet glaciers around the periphery of Greenland and Antarctica, promoting and accelerating the mass loss from these large ice sheets. However, these findings are relatively recent and our knowledge is still in a premature stage. The objective of this thesis is to gain knowledge on the physical processes involved in glacier-ocean interactions and their feedback on glacier dynamics. To achieve it, we have developed a numerical coupled glacier-ocean model that allows us to study the influence that submarine melting exerts on glacier dynamics, calving and front position evolution. Likewise, we have built a simple plume model that parameterizes the buoyant plume generated at the glacier-fjord interface as a result of discharges of meltwater through subglacial channels. Using this plume model, we have studied the effect that surface meltwater exerts on fjord stratification, analyzing its impacts from physical, biogeochemical and ecological perspectives. Finally, we have built a computationally less demanding version of the coupled model, the glacier-plume model, aimed to simulate the medium/long-term response of glacier-fjord systems. To carry out our investigations, we have used observations of two glacier-fjord systems, one in Svalbard and the other in Greenland. The results of our model simulations suggest that both submarine melting and crevasse hydrofracturing exert important controls on seasonal frontal ablation, with submarine melting alone not being sufficient for reproducing the observed patterns of seasonal glacier front retreat. Both submarine melt and calving rates are of the same order of magnitude, suggesting the potential link between both mechanisms. Our model results also indicate that changes in submarine melting lag meltwater production by 4-5 weeks, indicating the complexity of the intra and subglacial drainage network. We have also proved the high sensitivity of submarine melting to the intraseasonal evolution of subglacial discharge and fjord temperature, increasing by up to three orders of magnitude from the beginning to the end of the melt season. Due to this dependency, we believe that it is important to properly constrain predictive models, in order to obtain more accurate results. Glacierplume and glacier-fjord coupled models differed in submarine melt rates (up to 30 % higher for the glacier-plume model) and also produced distinct meltundercutting front shapes, which had an effect on the net stress fields near the glacier front. The quasi-linear front shape of the glacier-plume model promoted higher calving rates than the quasi-parabolic front shape of the glacier-fjord model, although both models predicted similar front positions. From the plumeparameterization model alone, we have found that increased fjord stratification (from accumulation of surface meltwater inputs) exerts a dominant control on plume vertical extent, even preventing the plume from surfacing. Under projections of increased surface melting, the appearance of plumes at the fjord surface could become less common due to the increased fjord stratification, so plume monitoring and remote tracking might become harder to achieve. Overall, and given that the glacier-plume model diminished the computational time by a factor larger than 50, we think that our glacier-plume coupled model is a suitable candidate for future projections of tidewater glacier evolution, as long as we use appropriate constraints on subglacial discharge fluxes and ambient fjord temperatures.