Workshop ENEA UTMEA-TER Roma 06 aprile 2011

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1 IL BILANCIO DI MASSA DEL CONTINENTE ANTARTICO ED IL SUO CONTRIBUTO ALL INNALZAMENTO DEL LIVELLO MEDIO DEI MARI Claudio Scarchilli Workshop ENEA UTMEA-TER Roma 06 aprile 2011

2 LE CALOTTE DI GHIACCIO Marzo Max SETT. Min Marzo Min SETT. Max

3 LE CALOTTE DI GHIACCIO

4 IL BILANCIO DI MASSA Il bilancio di massa (MB) del continente Antartico rappresenta l equilibrio fra l accumulo nevoso che avviene sul continente ed il quantitativo di neve/ghiaccio che viene rimosso attraverso vari fenomeni legati alle complesse interazioni fra Criosfera, Atmosfera ed Oceano. MB=SMB-R Iceberg -R basale DOVE SMB=SF-E SF = Precipitazione nevosa E = Evaporazione netta (Sublimazione superficiale ed quella della neve trasportata dal vento) R Iceberg = Distaccamento di Iceberg. R Basale = Scioglimento dei ghiacci alla base della calotta Il Bilancio di Massa superficiale (SMB) rappresenta l accumulo nevoso o meglio l equilibrio fra la quantità di neve precipitata e quella rimossa da effetti post deposizionali.

5 IMPORTANZA DEL IL BILANCIO DI MASSA CONTRIBUTO PASSATO PRESENTE E FUTURO DELLE CALOTTE ALL INNALZAMENTO DEL LIVELLO MEDIO DEI MARI Le calotte di ghiaccio (Antartide e Groenlandia) contengono abbastanza ghiaccio da far salire il livello dei mari globali di ~70m. Le precipitazioni nevose sulle calotte polari sono equivalenti ad uno strato d'acqua di 6 mm (~ 2200 Gton yr -1 ) a distribuito sull intera superficie degli oceani. MIGLIOR COMPRENSIONE DELLE INFORMAZIONE CLIMATICHE OTTENUTE NELLE CAROTE DI GHIACCIO Variazioni della dinamica sinottica Processi post deposizionali (effetti legati al vento).

6 INNALZAMENTO LIVELLO MEDIO DEI MARI

7 MSL (mm) INNALZAMENTO DEL LIVELLO MEDIO DEI MARI Altimetria da Satellite Bindoff et al., ± 0.3 mm yr -1 Holgate and Woodworth, 2004 L accelerazione del livello medio marino è iniziata alla fine del 18 th secolo (Jevrejeva et al., 2008). Church et al., 2004, ± 0.3 mm yr Total GMSL Thermosteric (Willis) L innalzamento medio del livello dei mari è aumentato con una velocità di 1.8 ± 0.3 mm yr -1 nell ultimo secolo mm/year Contributo Criosfera Più recentemente è incrementato ad 3.1 ± 0.7 mm yr mm/year Year

8 Contributo Antartide a variazioni del livello del mare Antarctic Peninsula Larsen-B Ice Shelf Satellite radar altimetry Mass budget (INSAR etc) GRACE gravity changes (-360 Gt yr -1 ~ 1mm yr -1 SLR) MISURE DI G.R.A.C.E. Velicogna, 2009 Pine Island Glacier Allison et al., Gt yr mm a -1 SLR

9 PREVISIONE DEL CONTRIBUTO DELLE CALOTTE Estensione del ghiaccio marino in Artide IPCC 2007 simulazione vs osservazioni (Stroeve et al., 2007) L IPCC [2007] ha stimato una perdita 0.2±0.35 mm yr -1 per l intero continente Antartico per il periodo La stima di crescita del livello medio dei mari per il 2100 va da 0.1 a 0.9 m a seconda dello scenario previsto dall IPCC. Questi scenari purtroppo escludono future rapide cambiamenti nella velocità del flusso del ghiaccio in particolare della parte Ovest dell Antartide a causa di una sostanziale mancanza di letteratura pubblicata Infatti i modelli utilizzati per queste stime non includono tutti gli effetti del movimento del flusso ghiacci, dell interazione fra base di roccia e ghiaccio, relazioni e feedback fra oceano-ice shelf-ghiacciai.

10 ACCUMULO NEVOSO

11 PRECIPITAZIONE E SUBLIMAZIONE SMB=SF-E Su scale continentale la variabilità delle precipitazioni nevose regola i processi del SMB [Déry and Yau, 2002]. A scale più piccole (kilometri) la precipitazione può essere considerata spazialmente omogenea ed i processi post deposizionali come la redistribuzione, la sublimazione superficiale e quella della neve trasportata diventano fondamentali. PRECIPITAZIONE (SF) In zone costiere sistemi ciclonici frontali sono i maggiori responsabili delle precipitazioni nevose. Le masse d aria sono adiabaticamente raffreddate quando risalgono in modo repentino lungo le coste scoscese del continente Antartico e condensando causano precipitazione [Bromwich, 1988]. Nel interno del continente la precipitazione è per la maggior parte sotto forma di cristalli di ghiaccio che cadono da sottili ed isolate nuvole o anche in condizioni di apparente cielo sereno (diamond dust) A circa 3000m nell area del Plateau Antartico la formazione dei cristalli di ghiaccio è prevalentemente dovuta alla continua condizione di quasi saturazione imposta dalle basse temperature mantenute dal radiative cooling che perdura per la maggior parte dell anno[bromwich, 1988]. SUBLIMAZIONE(E) Sublimazione superficiale Il processo è determinato dal continuo scambio di acqua fra il manto nevoso (in fase solida) e l aria sovrastante (in fase di vapore) a causa dell irraggiamento solare. Sublimazione della neve trasportata dal vento Questo processo avviene quando le particelle di neve sono sospese nel ABL sotto-saturato. Le particelle iniziano a sublimare assorbendo calore, raffreddando lo strato d aria e fornendo umidità allo strato d aria. Quando i primi metri dell ABL sono completamente saturi la sublimazione della neve trasportata si blocca. Se i venti dominanti portano via le masse d aria saturate allora la sublimazione si riattiva

12 WIND SPEED (KNT) PROCESSI DI ACCUMULO E VENTI CATABATICI TERRA NOVA Sin dalla prima spedizione di Scott le scoscese coste dell Est plateau Antartico sono note come l area della terra con i venti più forti ed i trasporti di neve più imponenti. In nessun altra area un singolo elemento meteorologico (il vento) ha una cosi forte influenza sul clima di un intero continente. I venti catabatici soffiano durante l anno ed una larga ma sconosciuta frazione di neve precipitata viene continuamente esportata in atmosfera ed negli oceani del sud.

13 NEVE TRASPORTATA DAL VENTO Wind speed 2-5 m s -1 Wind speed 5-11 m s -1 Wind speed >11 m s -1 Le particelle di neve vengono sollevate dal terreno quando la velocità del vento supera una certa soglia rispecchianti le caratteristiche morfologiche del terreno Trasporto per saltazione (~0.3 m in altezza, per velocità di 2-5 m s -1 ) Trasporto per sospensione (per velocità 5-7 m s -1 ) Snowdrift per flussi fino a 2-3 m in altezza Blowing snow per flussi oltre i 3 m Frezzotti et al., Ann. Glaciol. 2002

14 NEVE TRASPORTATA DAL VENTO 0 z z 0 V k u *

15 PROCESSI DI ACCUMULO E VENTI CATABATICI Wind speed 2-5 m s -1 : Form Depositional features Frezzotti et al., Ann. Glaciol Wind speed 5-11 m s -1 : forms redistribution features from erosion of depositional features (sastrugi, pit etc.) Wind speed >11 m s -1 : forms erosional features and longterm hiatus in snow accumulation (glazed surface) Frezzotti et al., Ann. Glaciol. 2002

16 PROCESSI DI ACCUMULO E VENTI CATABATICI Frezzotti et al., Ann. Glaciol % 73% 82%

17 PROCESSI DI ACCUMULO E VENTI CATABATICI Talos Dome wind dir. Frezzotti et al., JGR 2007 La variazione di accumulo sono ben correlate con la pendenza lungo la direzione del vento e puo eccedere i 200 kg m -2 yr -1 in un km. La sublimazione della neve trasportata dal vento rappresenta dal 20-75% della precipitazione annua al sito con valori <50 kg m -2 yr -1 in aree del plateu e fino a 260 kg m -2 yr -1 in aree con forti pendenze

18 EVENTI STRAORDINARI DI NEVE TRASPORTATA DAL VENTO Driftometri FlowCapt TM IAV L estesa presenza di zone di (blue ice e wind crust) suggerisce che gli effetti combinati del trasporto di neve e della sublimazione di questa rimuove fino a 50% delle precipitazioni nelle aree costiere e di convergenza. Questi fenomeni rappresentano il maggiore effetto di rimozione post deposizionale e non sono sufficientemente presi in considerazione negli studi di bilancio di massa Scarchilli et al., Clim Dyn. 2010

19 IMMAGINI DELL AREA DI TERRA NOVA SENZA TRASPORTO Scarchilli et al., Clim Dyn. 2010

20 IMMAGINI DELL AREA DI TERRA NOVA CON TRASPORTO Il trasporto di neve può essere osservato a scala regionale usando le immagini satellitari. Le onde di neve trasportata sono spesse ed alte (fino a 200 m) tali da proiettare ombre sul terreno speciamente quando Il sole è basso sull orizzonte (autunno e primavera) Scarchilli et al., Clim Dyn. 2010

21 IMMAGINI DELL AREA DI TERRA NOVA CON TRASPORTO Il trasporto di neve può essere osservato a scala regionale usando le immagini satellitari. Le onde di neve trasportata sono spesse ed alte (fino a 200 m) tali da proiettare ombre sul terreno speciamente quando Il sole è basso sull orizzonte (autunno e primavera) Scarchilli et al., Clim Dyn. 2010

22 IMMAGINI DELL AREA DI TERRA NOVA CON TRASPORTO Il trasporto di neve può essere osservato a scala regionale usando le immagini satellitari. Le onde di neve trasportata sono spesse ed alte (fino a 200 m) tali da proiettare ombre sul terreno speciamente quando Il sole è basso sull orizzonte (autunno e primavera) Scarchilli et al., Clim Dyn. 2010

23 IMMAGINI DELL AREA DI TERRA NOVA CON TRASPORTO Il trasporto di neve può essere osservato a scala regionale usando le immagini satellitari. Le onde di neve trasportata sono spesse ed alte (fino a 200 m) tali da proiettare ombre sul terreno speciamente quando Il sole è basso sull orizzonte (autunno e primavera) Scarchilli et al., Clim Dyn. 2010

24 Trasporto Leggero STIMA DEL TRASPORTO Il trasporto è stato registrato ~80% del tempo e per il 20%il flusso è stato > 10-2 kg m -2 s -1 con la densità di particelle che aumentava con la quota. Il trasporto di neve cumulativo è ~4 di grandezza maggiore della precipitazione nevosa al sito Trasporto Pesante Scarchilli et al., Clim Dyn. 2010

25 EVENTI STRAORDINARI DI NEVE TRASPORTATA DAL VENTO Il trasporto massimo di neve avviene per la maggior parte durante l autunno e l inverno. Frequenza mensile di condizioni di nessun (barre grigie), leggero (barre blue) e pesante trasporto (barre rosse) ottenute da immagini modis Terra. Frequenza mensile per no drift (linea grigia), drift leggero (linea blu) e trasporto (linea rossa) ottenute attraverso le misure del driftometro.

26 CAROTE DI GHIACCIO

27 LE CAROTE DI GHIACCIO EPICA DML ~ yr Berkner Island > a Dome Fuji ~ a Byrd a I ghiacci polari costituiscono l archivio naturale più dettagliato e completo della storia del clima e dell atmosfera terrestre nelle ultime decine-centinaia di migliaia di anni. Siple Dome a Taylor Dome a Vostok yr Law Dome a EPICA DC ~ yr Talos Dome ~ yr

28 RECORD CLIMATICO EPICA Dome C 280 Vostok EPICA Dome C CO ppmv EPICA Dome C CH ppbv 350 Nessun Analogo durante gli ultimi 800 kyr nei valori di CO 2 e CH 4 Durante la finestra temporale kyr CO 2 e CH 4 hanno concentrazioni di intensità minore rispetto ai periodi interglaciali nella finestra temporale kyr BP Siegenthaler et al, 2005 ; Spahni et al., 2005 ; Lüthi et al., 2008 ; Loulergue et al., 2008

29 CH 4 [ppbv] D corr [ / ] T surf [ C] BIPOLAR SEESAW ON OFF O corr [ / ] ACR AIM 1 Antarctica AIM 2 EPICA Community Members, 2006 AIM AIM AIM 12 EDML EDC [ Ruddiman] DO1 H DO8 DO H2 H3 H4 H5 4.1 NorthGRIP O [ / ] Greenland Greenland CH 4 composite EDML NGRIP age [yr BP] Ogni rapido riscaldamento in Groenlandia (DO) è controbilanciato da un periodo di raffreddamento in Antartide (AIM) e viceversa. Probabile causa: Calotta della Groenlandia instabile Maggiore rilascio di Iceberg Impatto sulla circolazione termoalina

30 LA PERFORAZIONE DI TALOS DOME (TALDICE) Necessità nuova perforazione all inizio del Plateau antartico per comprensione andamenti paleoclimatici su scala continentale e globale. Taylor Dome: rispecchia le sequenza della Groenlandia Law Dome: Precede il segnale del plateau Antartico Tutte e due le perforazioni sono state fatte in siti con particolari condizioni glaciologiche. Atlantic Indian HOL YD B/A LGM Taylor Dome Greenland NGRIP ACR BYRD Talos Dome (157.5 E, 73.5 S) [Steig et al. 1998] EDC

31 BIPOLAR SEESAW TALDICE è in fase con EDC ed EDML Ipotesi bipolar seesaw valida. Mostra come EDC Il segnale caratteristico dell Area dell Oceano Indiano EDML vs EDC/TALDICE: Distinti andamenti regionali fra l area Indo-Pacifica e l area Atlantica Decrescita della velocità di riscaldamento ~16 kyr BP AIM1 difficilmente visibile. [Stenni et al., 2010 ] POSSIBILE CAUSA: VARIAZIONE NELLA CIRCOLAZIONE ATMOSFERICA NELL OCEANO ATLANTICO (POSIZIONE DEI WESTERLIES), L ESTENSIONE DEI GHIACCI MARINI

32 ESPRESSIONE DEL BIPOLAR SEESAW [Stenni et al., Nature GeoScience, 2010 ]

33 AREE DI PROVENIENZA DELL UMIDITÁ L area del mare di Ross riceve masse d aria, collegate a precipitazione nevosa, con direzione (da EST invece che da OVEST), stagionalità (estiva invece che invernale) e velocità (maggiori tempi di percorrenza) atipiche rispetto ad altre aree dell Antartide Law Dome Dome C Talos Dome Taylor Dome [Scarchilli et al., Clim Dyn, 2010 ]

34 CONDIZIONI DI PRECIPITAZIONE SUL CONTINENTE Forte connessione fra le precipitazioni a vari siti (Dome C, Talos Dome) con ampie anomalie a basse frequenze (>10 giorni) nel Mare della Tasmania Oceano Indiano ad alte latitudini (60-70 S) deflettendo aria umida verso il continente. In 50% dei casi di precipitazione più forte le anomalie essere considerate parte di un evento di blocco atmosferico. possono [Scarchilli et al., Clim Dyn, 2010 ]