ROMFORSK-Program for romforskning

Klimaendringer har ført til økte massetap fra isbreer, innlandsis og havis de siste tiårene, og det påvirker både havnivået og havsirkulasjonen. Radaraltimetri fra satellitt er en av få teknikker som kan overvåke disse endringene ved hjelp av repeterte høydemålinger av jordas overflate. Nøyaktigheten av disse målingene er ikke bare avhengig av satellitten og dens instrumenter, men også de fysiske egenskapene til jordoverflata, spesielt snø og is som delvis penetreres av radarbølger. I dette prosjektet har vi brukt detaljerte feltmålinger av overflatehøyde og snøens egenskaper fra Austfonna på Svalbard til å beregne det varierende høydeavviket mellom målinger fra satellitten CryoSat-2 og den faktiske breoverflata. Resultatene viser at penetreringseffekten på høydemålingene vinterstid er nær null for det nærmeste refleksjonspunktet til satellitten, kjent som «point-of-closest-approach» (POCA), mens den øker til 1-1,5 m dybde lenger ut til siden i radarens sveipebredde. Vi fant lignende penetreringsverdier i det kaldere snødekket av det andre valideringsområdet vårt på to iskoller ved Fimbulisen i Dronning Maud Land, Antarktis. På Austfonna, hvor snøoverflaten utsettes for smelting hver sommer, er signalpenetreringen i sveipebredden sammenlignbar med snødybden ned til det frosne smeltelaget fra foregående sommer, og dette er relativt stabilt fra år til år. Når neste smeltesesong starter, så forflyttes det dominerende refleksjonslaget opp til den fuktige snøoverflaten som igjen smelter ned gjennom sommeren og danner det nye referanselaget for neste vinter. Denne sesongsyklusen i snøpenetrering gjør det vanskelig å overvåke isbreenes massevariasjoner innenfor enkeltår, men over flere år viser resultatene våre at vi kan avlede robuste trender for tykning eller tynning av isbreoverflaten. Etter å ha validert CryoSat-2 over Austfonna, analyserte vi alle høydemålinger over breene på Svalbard for å avlede høydeendringsrater for perioden 2011-2017. Vi avledet høyderater for 58% av den totale breoverflaten ved hjelp av en linær regresjonsteknikk anvendt på alle repeterte høydemålinger innenfor kvadrater på 1 km. Resultatene viser utbredt tynning, spesielt i de nedre delene av breene langs den vestlige og sørøstlige kysten av Svalbard der tynning på 1-3 meter per år er typisk. Flere brebasseng viser tydelige tegn på isbre-surge som kjennetegnes av en massiv forflytning av is fra øvre til nedre deler av breen hvor fronten rykker fram eller kalver mer is ut i havet. Slike kortlivede faser med økt brebevegelse og framrykning ansees som en naturlig prosess for mange breer på Svalbard med mellomrom på noen tiår til et hundreår, men frekvensen og utbredelsen av nylige surger virker å være større enn i de foregående tiårene og kan ha en sammenheng med klimaendringer. Hvis vi ser bort fra lokale effekter fra surge, så observerte vi bre-tykning kun i toppområdet av Austfonna og deler av det høye breplatået i nordøst-Spitsbergen. Vi analyserte også CryoSat-2 dataene på tilsvarende måte langs kysten av Dronning Maud Land i Øst-Antarktis, og her fant vi at deler av innlandsisen har blitt noe tykkere på grunn av økt nedbør, men generelt sett var høydeendringene mye mindre enn i Svalbard. Målinger av høydeendringer kan videre brukes til å estimere breenes masseendring og bidrag til globalt havnivå. Vi gjorde dette for Svalbard ved å integrere høydeendringene over brearealet av utvalgte regioner og surge-basseng, for så å konvertere fra volum til masse ved å anta en gjennomsnittlig tetthet av breis. Beregningene viser at massetap dominerer i alle regioner, og at tapene er betydelig større enn tidligere estimat, spesielt i de sørøstlige delene av Svalbard som grenser mot Barentshavet. Vi finner at over den 7 år lange observasjonsperioden har breene til sammen mistet en masse på 110 +/- 30 gigatonn og bidratt til en global havnivåstigning på 0,3 millimeter. Analyse av tidsserier indikerer at massetapene var moderate i de første årene av perioden, før de ble større fra og med 2013. Dette samsvarer bra med uavhengige gravitasjonsmålinger fra GRACE-satellittene over den samme perioden. Våre beregninger viser videre at omtrent en tredjedel av det totale massetapet kommer fra de aktive surge-breene, mens øvrige massetap skyldes en kombinasjon av mer smelting enn snøfall på breoverflaten og økt isutstrømning til havet. Sammenlignet med tidligere observasjoner ser vi en tilsynelatende spredning av massetap fra vestkysten av Svalbard til sørøstkysten mot Barentshavet der det samtidig har skjedd en reduksjon i haviskonsentrasjon og en betydelig oppvarming av de øverste havlagene. Dette tyder på at både klima og havprosesser har spilt en betydelig rolle for de økte istapene fra breene på Svalbard det siste tiåret, og at det kan bli en varig effekt for framtida også.

I prosjektet har vi validert høydemålinger fra CryoSat-2 med detaljerte feltdata fra Austfonna på Svalbard over en periode på 7 år. Dette har gitt en unik innsikt i satellittdataenes nøyaktighet og presisjon, samt den variable signalpenetreringen i snødekket som avhenger av værforhold og klimatiske sesonger. Disse faktorene er avgjørende for å kunne gjøre pålitelige beregninger av isbreers massebalanse på regional og global skala, med direkte implikasjoner for globale havnivåendringer. Basert på de validerte CryoSat-2 dataene har vi kvantifisert massebalansen for breene på Svalbard for de ti siste årene. Resultatene viser at massetapet fra breene på Svalbard har økt markant, spesielt i de sørøstlige områdene mot Barentshavet. Dette har ført til et økt ferskvannsbidrag fra breene, noe som igjen har en betydelig påvirkning på lokale økosystem, sjøisdannelse og havsirkulasjon.

Earth observation from space is the only reliable method to determine accurate ice-mass changes and contribution to sea level rise at a global scale. Satellite SAR altimeters like CryoSat-2 are one of the most promising tools for this purpose, but precise applications over glaciers and ice sheets are hampered by variable penetration and backscatter in snow and ice, particularly during the transition from a cold winter snowpack to a melt-affected summer snowpack. This project will use an unique set of detailed ground-truth data, collected in the areas with densest CryoSat-2 data coverage, to calibrate and validate CryoSat-2 data locally over a full seasonal cycle. The synthesized results will be used to derive optimum techniques for elevation-change estimation over glaciers and ice sheets in different climatic regimes. Finally, we will apply the techniques to determine regional ice-mass changes in Svalbard and Dronning Maud Land, and their recent contribution to sea-level change.