CalvingSEIS: Glacier dynamic ice loss quantified through seismic eyes

Hvis vi ser bort ifra Grønland og Antarktis, kalver ca. 40 % av alle verdens isbreer. Denne dynamiske masseoverføringen fra isbre til hav er spesielt sensitiv i forhold til klimaet gjennom feedback-prosesser. I dagens bremodeller er det vanskelig å forutse et realistisk istap relatert til brekalving. Dette er hovedsakelig på grunn av mangel på lange tidsserier av brekalving. CalvingSEIS-prosjektet har som mål å produsere kontinuerlige tidsserier av brekalving ved hjelp av å kombinere passiv-seismiske og akustiske strategier. Dette er den eneste nåværende metoden som er i stand til å fange raske brekalvinger, både kontinuerlig, og gjennom flere tiår tilbake i tid. CalvingSEIS fokuserer på breene i Kongsfjord på Svalbard. Den etablerte forskningslandsbyen i Ny Ålesund har hatt et operativt passiv-seismisk instrument siden 1994 og ligger bare 15 km fra en av de raskeste og mest studerte isbreene på Svalbard, nemlig Kronebreen. Timelapsebilder fra 2009/10 har blitt omprossesert for å oppdatere kalvingsdatabasen. Bildedatabasen er brukt til å kalibrere den seismiske kalving detektoren. Vi har brukt en 5 år lang tidsserie fra satellitt som viser isvolumtap med en månedlig oppløsning, for å forvandle seismiske observasjoner av kalving til brekalving volum. En tidsserie som beskriver istapet over de siste 15 år med en ukentlig oppløsning er etablert. Så vidt vi vet, er dette den første kontinuerlige tidsserie som beskriver kalvingens istap avledet fra passive seismiske signaler. I løpet av to uker i august/september i 2016 ble et kalibreringseksperiment utført foran Kronebreen. Dette eksperimentet samlet 14 personer fra 6 nasjoner og 9 nasjonaliteter for å måle prosesser og egenskaper til enkelte kalvinger og deres volumer. Over 1500 signaler av kalvingen ble tatt opp via passiv seismikk og akustisk undervannsinstrumentering. Timelapsebilder tok video av alle kalvinger når været var klart. Terrestriske laserskanning målte volum på istap via differensiering av presis 3d geometri av isbreens front før og etter kalvingen. To radarsystemer ble brukt til å måle en presis hastighet på millimeternivå. Tilsammen, utgjør denne datainnsamlingen en enestående mekanisk historikk av brefronten gjennom en 2 ukers periode. Gjennom dette eksperimentet har vi nå lært at det er mulig å forutse når en isbre vil kalve siden det finnes en initial fase med økt hastighet opp til et par dager før selve hendelsen. Videre kan vi ved hjelp av kalvevolumene med 100 kalvehendelser definere et forhold mellom logaritmen av kalvevolum og seismiske signalegenskaper. Ved en slik direkte kalibrering kan passive signaler overføres til isvolume. Ved å bruke dette forholdet, beregner vi isfluksen til Kronebreen basert på vår direkte kalibrering. Dette er omtrent 1/3 av vårt kalibrerte estimat fra satellittbildene. Dette innebærer at undervannssmeltingen kan utgjøre opptil 2/3 av istapet fra kalvefronten, og videre at dette er en dominerende prosess ved kalving. Oppsummert er passiv seismologi en bemerkelsesverdig ressurs i glasiologi for å observere den tidsmessige variasjonen av svært raske prosesser, som for eksempel kalving. Potensialet for å bruke regionale passive seismiske stasjoner for å kvantifisere kalving og ablasjon er anvendelig i mange andre regioner med isbreer. De dynamiske tidsseriene som produseres her er globalt unike, og gir en databank for modeller, noe som bidrar til å definere Kronebreen som en referansebre for kalibrering og validering av modeller for isdynamikk og kalving. Gjennom dette prosjektet har passiv seismologi også blitt brukt til å oppdage og observere bredynamiske ustabiliteter som for eksempel surges på Svalbard. Kombinert med satellittdata og termomekanisk modellering, kan vi trygt vise at de 14000 seismiske hendelsene under Nathorstbreen-kollapset skyldes isbryting etter destabilisering av den frosne isbretungen. Pilotstudien indikerer at passive seismikk evner å registrere dannelse av sprekker og basale prosesser i isbreene, samt evner å observere sesongvariasjoner i aktiv lagtykkelse av permafrost. Begge interessante emner for fremtidig forskning. Bioakustikk registrert i havmiljøet har et lignende potensial. Vi har ikke bare oppdaget og kalibrert kalvning fra Kronebreen ved hjelp av disse instrumentene, men lokalisert og analysert sjødyr i forhold til eksterne faktorer som sjøis og havstrømmer. Bruken av bioakustikk for å forstå undervannssmelting gjennom boblefrigivelse, er fortsatt vanskelig på grunn av tilstedeværelsen av sjøis, fjordis, isfjell og kalvende bre. Likevel gir en kombinert tilnærming ved bruk av satellitt fjernanalyse, passiv seismologi og marine akustikk et enormt potensial for å bedre forståelsen av det fysiske og biologiske samspillet mellom tidevannsbreer, deres fjordmiljøer og atmosfæren.

-

About 40% of global glaciers and ice caps (excluding Greenland and Antarctica) loose mass through iceberg calving, while current models (e.g. in the IPCC) are currently not equipped to realistically predict dynamic ice loss, mainly because long-term continuous calving records are inexistent. Combined seismic/acoustic strategies are the only technique able to capture rapid calving events, continuously, and back through time over decades. CalvingSEIS aims to produce high temporal resolution, continuous calving records for the glaciers in Kongsfjord, Svalbard, and in particular for the Kronebreen glacier laboratory. Through innovative, multi-disciplinary monitoring techniques combining fields of seismology and bioacoustics, individual calving events will be detected and located autonomously and methods to quantify calving ice volumes directly from the seismic and acoustic signals will be developed. Scaling seismic/acoustic signals to calving ice volumes require calibration. CalvingSEIS will generate a detailed catalogue of calving events employing state-of-the-art terrestrial remote sensing techniques to measure calving ice volumes, velocities, and ice-ocean interactions. Experimental terrestrial remote sensing observations and investigations will further invoke process-based understanding at the transition zone between glacier and ocean. The underwater bio-acoustic sensors will collect not only glacier sounds, but record the entire fjord soundscape instigating studies between biotic, abiotic and anthropogenic components; e.g. marine animal interaction with glacier sounds from calving and melting. The main project goal to generate a dynamic ice loss timeseries will reveal fine scale processes and key climatic-dynamic feedbacks between glacier calving with climate history, topographic setting, terminus evolution and fjord conditions. This timeseries will form an unprecedented dataset for developing, calibrating and validating glacier dynamic models.