TIGRIF: TIdewater Glacier Retreat Impact on Fjord circulation and ecosystems

Tidevannsbreer er breer med fronter som ender rett i havet, oftest i fjorder. Global oppvarming har ført til tilbaketrekkingen av de fleste tidevannsbreer verden rundt. Tidevannsbreer har en betydelig innflytelse på fjordsirkulasjon. I sommerhalvåret vil smeltevannselvene som kommer ut under brefronten, på flere titalls meters dyp, tilføre lettere ferskvann enn det omgivende salte fjordvannet. Tetthetsforskjellen mellom vannmassene fører til at ferskvannet stiger raskt mot overflaten i en kraftig, turbulent strøm. Under oppstigningen fører den turbulente bevegelsen til blanding mellom ferskvann og fjordvann, som fører til at den oppstrømmende vannmassen øker i volum, og det dannes en kjegleformet oppstrømmende vannsøyle, en såkalt «plume». En slik plume bidrar til vertikal sirkulasjon i fjorden ved å omdanne dypt fjordvann til brakkvann nær overflaten, men øker også utvekslingen horisontalt mellom fjordbassengene ettersom det dype fjordvannet ved brefronten stadig må fornyes av sjøvann fra ytre del av fjorden eller sokkelen utenfor. Ferskvannsplumer påvirker fjordøkosystemer på to måter. For det første blir næringssalter og små organismer (planteplankton og dyreplankton) bragt til overflatelaget i den stigende plumen. I tillegg økes fjordsirkulasjonen. Det trekker inn sjøvann fra ytre fjordbasseng, og dermed sikres en forhøyet tilførsel av varmt vann, dyreplankton og næringsstoffer inn mot brefronten. Brefronter er derfor viktige næringsområder for sjøfugl og sjøpattedyr. Gitt at tidevannsbreer trekker seg tilbake, er et viktig spørsmål hva innvirkningen på fjordsirkulasjon blir når tidevannsbreer trekker seg så mye tilbake at brefrontene ender på land, og videre, hva virkningen av disse sirkulasjonsendringene blir på fjordens økosystemer. Med full tilbaketrekning til land vil ferskvann fra breen strømme ut på overflaten av det tyngre sjøvannet, og fjordsirkulasjon vil bli betydelig redusert. Mindre næringsstoffer og mat vil bli brakt til overflaten, noe som direkte vil påvirke fugl, sel og andre dyrebestander. Dersom de indre fjordarmene er tilstrekkelig skjermet fra utveksling med utenforliggende fjordbasseng, kan en redusert fjordsirkulasjon medføre ferskere overflatevann om vinteren, noe som vil fremme sjøisdannelse i fjordene. I TIGRIF-prosjektet modellerer vi fjordsirkulasjonen i Kongsfjord, NW Svalbard. Kongsfjorden har fem tidevannsbrefronter, som tilsammen drenerer et område på over 1 100 km2. Videre det finnes et stort antall pågående internasjonale forskningsprogrammer i Kongsfjord, som dekker et bredt spekter av fagområder. Dette betyr at mange relevante datasett er tilgjengelige, både oseanografiske og økologiske. Vi har anvendt en numerisk havmodell for simulering av 1) dagens sirkulasjon i Kongsfjord, og 2) den fremtidige sirkulasjonen som vil oppstå etter brefrontene har trukket tilbake på tørt land. For å kunne modellere fremtidig fjordsirkulasjon, var det nødvendig å kartlegge topografien under tidevannsbreene i Kongsfjord. Til dette formålet brukte vi georadar, og siden isbreene har mange sprekker, måtte kartlegging gjøres fra helikopter. Den resulterende subglasialtopografien viser at hver av de tre største tidevannsbreene kan trekke seg tilbake med opp til 10 km før de ender opp på land. Videre, betyr de dype bassengene under disse isbreene at innfylling med sediment ikke vil skje i den nærmeste fremtiden. Tilbaketrekningen av isbreene vil også forandre avløpsmønsteret til fjorden. Resultater fra fjordmodellering viser at smeltevannskilder ved bunnen av tidevannsbreer bidrar vesentlig til sirkulasjonen i hele den indre delen av fjorden, og at en overgang til en fjord med bare landfaste isbreer vil medføre en vesentlig endring i dette sirkulasjonsmønsteret. Ved fjerning av tidevannsbreer vil volumflukser i dype vannlag reduseres, som særlig vil medføre en redusert utvekslingen av dype vannmasser i den indre delen av fjorden, og vil øke stratifiseringen i fjorden i sommermånedene. Disse endringene vil få følger for den biogeokjemiske og økologiske tilstanden i Kongsfjorden. Våre resultater tyder på at en tilbaketrekking av tidevannsbreer i vesentlig grad vil påvirke konsentrasjonen av oppløst uorganisk nitrogen i hele fjorden i perioder med høy produksjon av smeltevann, med særlig sterk påvirkning i indre deler av fjorden. Videre vil en avtagende konsentrasjon av næringsstoffer påvirke primærproduksjon, som vil medføre en redusert konsentrasjon av planteplankton, med mulige konsekvenser høyere opp i næringskjeden. Forskjellene i fjordens biogeokjemiske tilstand mellom sommermånedene (mye smeltevann) og vår- og høstmåneder (lite smeltevann) vil minke i fremtiden hvis dagens tidevannsbreer blir landfaste.

Summary of results We mapped the subglacial topography of the Kongsfjord basin. We simulated glacial runoff into the Kongsfjord basin. We modelled fjord circulation for the present day glacier topography, and for the long-term future scenario, with complete removal of tidewater glaciers. We began the ecosystem modelling, which adds physical-biogeochemical ecosystem components to the fjord circulation model. We established links of the effects of runoff at tidewater glacier fronts on the higher trophic levels of the ecosystem (birds, seals, whales).

Tidewater glaciers terminate directly into the sea, and are ubiquitous in polar regions, including Svalbard. Global warming has led to retreat for most tidewater glaciers in the world. Tidewater glaciers influence fjord circulation. In summer, glacial rivers discharge below the water surface to form a meltwater plume. The low density of this water causes it to rise rapidly in the salty fjord, entraining water from the outer fjord. The deeper the exit point for the meltwater, the more vigorous is the circulation. Meltwater plumes have two major effects. First, small organisms entrained in the rising plume are brought to the surface, with low plume salinity stunning or even killing some zooplankton species. Second, as the plume rises it entrains large water volumes, 10-100 times the original discharge volume. The plume thus promotes more thorough mixing, and ensures a resupply of intermediate depth waters, including zooplankton and nutrients, to the glacier front. Thus glacier front areas are important feeding areas for seabirds and marine mammals. This project seeks to understand the impact on fjord circulation when tidewater glaciers retreat onto dry land, and to assess the implications for fjord ecosystems. With full retreat, outflow to the fjord would then occur as with any unglaciated fjord, with fresh river water flowing over the surface of denser ocean water. Less food would be brought to the surface, which would directly impact bird, seal, and other animal populations. More limited entrainment of fjord water would result in less mixing and retention of less saline surface water to promote sea ice formation. This study will A) model present circulation in a typical Svalbard fjord; B) model circulation for various tidewater glacier retreat scenarios; C) use the circulation model to drive a biogeochemical ecosystem model; and D) assess the impact of the changes in biomass production for higher ecosystem trophic levels.