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Glaciares, mantos de hielo y nivel del mar
Francisco Navarro
Universidad Politécnica de Madrid
Seminario Internacional
El Ártico: oportunidades y riesgos
derivados del cambio climático
Fundación Ramón Areces
Madrid, 12 noviembre 2015
Guión
• Aumento observado del nivel del mar y sus
principales contribuyentes.
• Observaciones: espesor de hielo y volumen de
los glaciares.
• Observaciones: cambios de volumen/masa de
los glaciares.
• Predicciones: modelos.
• Conclusiones: algunos desafíos.
Guión
• Aumento observado del nivel del mar y sus
principales contribuyentes.
• Observaciones: espesor de hielo y volumen de
los glaciares.
• Observaciones: cambios de volumen/masa de
los glaciares.
• Predicciones: modelos.
• Conclusiones: algunos desafíos.
Aumento observado del nivel del mar
El nivel medio del mar ha aumentado
• 1.7 mm/año durante el periodo 1901-2010.
• 2.8 mm/año durante el periodo 1971-2010.
• 3.2 mm/año durante el periodo 1993-2010.
Debido a una combinación de efectos:
• Fusión de glaciares y mantos de hielo.
• Expansión térmica del océano.
• Cambios en el agua almacenada en tierra.
Aumento observado del nivel del mar
Más tarde analizaremos sus contribuciones
relativas.
Pero, ¿es la cantidad total “relevante”?
Proyección del aumento del nivel del mar:
1 m en 2050 (0.70 subsidencia + 0.3 SLR), 2 m en 2100 (1.2 subsidencia + 0.7 SLR)
Contribuciones estimadas al aumento del nivel
medio del mar (total 2.8 mm/año)
13%
48%
39%
Glaciers and ice
sheets
Thermal expansion of
oceans
Land-water storage
Contribuciones estimadas al aumento del nivel
medio del mar (total 2.8 mm/año)
13%
Glaciers
27%
Glaciares
Ice sheets
39%
Mantos de hielo
21%
Thermal expansion of
oceans
Land-water storage
Contribuciones estimadas al aumento del nivel
medio del mar (total 2.8 mm/año)
Glaciers
13%
27%
9%
39%
12%
Antarctica
Greenland
Thermal expansion of
oceans
Land-water storage
Comparación de tamaños de las masas de hielo
Todos los glaciares
Manto de Hielo Antártico
A=0.75
Mkm2
V = 0.25 Mkm3
A = 14 Mkm2
V = 26.5 Mkm3
A = 1.7 Mkm2
V = 2.85 Mkm3
Manto de Hielo
Groenlandés
Comparación en volumen
1%
10%
Glaciares
89%
Manto Hielo
Groenlandés
Manto Hielo
Antártico
V mantos hielo  117 V glaciares
Preguntándonos por el efecto del tamaño
¿Por qué los pequeños
glaciares, pese a su
escaso volumen total,
contribuyen al aumento
del nivel del mar más
que los grandes mantos
de hielo?
Preguntándonos por el efecto del tamaño
¿Por qué el Manto de Hielo Antártico, diez
veces mayor que el Groenlandés, contribuye
aproximadamente igual que él al aumento del
nivel del mar?
La clave está (en parte) en el tiempo de respuesta
Tiempos de respuesta típicos según tamaño/tipo de glaciar:
• Decenas a 100-200 años para glaciares de valle.
• 100-200 hasta1000 años para casquetes de hielo.
• Varios miles de años para los grandes mantos de hielo
(Groenlandia y Antártida), hasta unas pocas decenas de
miles de años para la Antártida.
Un ejemplo notable
El manto de hielo de la Antártida Occidental está
todavía respondiendo a la terminación de la última
época glacial (ultimo máximo glacial hace aprox.
20 000 años) y puede continuar su evolución al
margen de la actividad humana.
Otro ejemplo peculiar
¿Pueden dos glaciares, situados en la misma zona, estar
uno en avance y el otro, simultáneamente, en retroceso?
¡Sí! Si tienen distinto tamaño, y por lo tanto tiempo de
respuesta, cada uno puede estar reaccionando, en un
momento dado, a calentamientos/enfriamientos regionales
producidos en distintos momentos en el pasado.
Glaciar Blanco Glaciar Thomson
(avanzando)
(retrocediendo)
(Isla Axel Helberg, Ártico canadiense)
Pero la realidad es mucho más compleja
Distintos tiempos de
respuesta se solapan:
• Respuesta a cambios
de temperatura.
• Respuesta a cambios
de masa y geometría.
• Respuesta a aportes
de agua de fusión.
El agua que se funde en la
superficie puede infiltrase y
llegar al lecho, que lubrica,
aumentando el deslizamiento
del glaciar sobre su lecho.
Pero esta aceleración puede ser sólo temporal
• Inicialmente, el efecto dominante es el aumento de la
presión de agua subglaciar, que contribuye a la flotación.
• En una fase posterior, una vez se desarrolla un sistema
de canales subglaciares, la presión de agua subglaciar
disminuye y el glaciar se ralentiza pese al aporte
continuado de agua.
Acuífero perenne en la capa de neviza de Groenlandia
El acuífero, detectado mediante medidas de georradar y sondeos de
la capa de neviza en la parte sur del manto de hielo de Groenlandia,
en zonas de elevada acumulación de nieve y alta tasa de fusión,
persiste en forma líquida durante el invierno.
Líneas negras
representan zonas
donde se ha
detectado acuífero
Forster et al. (2014),
en Nature Geosci.
Imagen de sondeo en capa de
neviza, a 15 m profundidad, en la
zona del acuífero. Nótese que el
sondeo está inundado de agua.
Guión
• Aumento observado del nivel del mar y sus
principales contribuyentes.
• Observaciones: espesor de hielo y volumen de
los glaciares.
• Observaciones: cambios de volumen/masa de
los glaciares.
• Predicciones: modelos.
• Conclusiones: desafíos pendientes.
Medidas de espesor de hielo con georradar
Optical fibre link
Inside box:
control unit,
GPS and laptop
Tx antenna
Rx antenna
Transmitter
Receiver
Georradar
Distintas
plataformas de
medida
IceBridge Operation (NASA)
Isla Livingston, Antártida
Svalbard, Ártico
Radargrama construido a partir de datos de georradar
• A partir de los espesores de hielo se calcula el
volumen de los glaciares.
• Pero existen medidas directas de espesores de
hielo con georradar en sólo unos pocos cientos
de los casi 200 000 glaciares existentes.
• Se recurre entonces a relaciones área-volumen
o a modelos de inversión del espesor de hielo a
partir de la topografía de la superficie y las
velocidades y balance de masas observados en
ella, suponiendo determinados modelos
dinámicos.
Guión
• Aumento observado del nivel del mar y sus
principales contribuyentes.
• Observaciones: espesor de hielo y volumen de
los glaciares.
• Observaciones: cambios de volumen/masa de
los glaciares.
• Predicciones: modelos.
• Conclusiones: algunos desafíos.
Métodos de estimación del balance de
masa de glaciares y mantos de hielo
Cryosat-2 (ESA)
Altitud media de
la órbita: 717 km
Basados en medidas con sensores remotos de:
• balance entre masa ganada y perdida a nivel de
cuencas glaciares,
• altimetría láser/radar repetida,
• gravimetría repetida,
complementadas con medidas desde la superficie
(para calibración, validación, mayor detalle).
Método del balance (o entrada-salida)
ERS-1/2
RADARSAT
TerraSAR-X
Estimación de ganancias
(nevadas) y pérdidas de
masa dinámicas (descarga
glaciar) y por sublimación
y fusión en la superficie,
combinando:
• modelos de clima,
• observaciones
meteorológicas,
• velocidades del hielo
determinadas con
Principales limitaciones:
interferometría,
incertidumbre en
• medidas de espesores
• variación de velocidad con profundidad,
de hielo efectuadas con
georradar.
• espesor del hielo en zona terminal.
Variaciones de altimetría (láser/radar)
Satélites-técnicas::
• ICESat (NASA)-laser
• SeaSat/GeoSat (NASA)-radar
• ATM (NASA)-airborne laser
• ERS-1/2, EnviSat (ESA)-radar
• CryoSat-2 (ESA)-radar
Algunas limitaciones:
Incertidumbre en
• magnitud del rebote
isostático,
• variaciones en
compactación de
nieve-neviza.
Gravimetría desde satélite
• Programa GRACE (NASA): 2002-2015+
• programa GOCE (ESA): 2009-2013
Ventaja: no require conversión de volume a masa.
Limitaciones principales:
• incertidumbre en rebote isostático,
• baja resolución.
Fuente: ESA Medialab
Imagen: satélite GOCE
Satélites gemelos GRACE
Lanzamiento: marzo 2002
Altitud órbita: 500 km
Distancia entre naves: 200 km
Fuente: CSR, Univ. Texas at Austin
Satélite GOCE
Fuente: ESA Medialab
Lanzamiento: 17 marzo 2009
Fin de misión: 11 nov. 2013
Altitud de órbita: 260 km
Estación Kiruna, Suecia
Medidas en superficie siguen siendo necesarias
Las medidas en la superficie siguen siendo requeridas para:
• calibración/validación de datos de sensores remotos,
• medir parámetros no detectables por sensores remotos,
• conseguir detalle no proporcionado por sensores remotos.
Fuente: NGRIP
Comparación entre las estimaciones con distintas
técnicas: caso del manto de hielo de Groenlandia
362.5 Gt/yr = 1 mm SLE
Entrada-salida Altimetría láser
Estimación del balance de
masa del manto de hielo de
Groenlandia, durante el
periodo 1992-2011, calculado
usando distintas técnicas por
el Grupo IMBIE (Shepherd et
al., 2013, en Science).
Gravimetría
Media
(Gt/yr)
(Gt/yr)
(Gt/yr)
(Gt/yr)
-284 ± 65
-185 ± 24
-228 ± 30
-232 ± 23
El caso de los pequeños glaciares
A partir de medidas en redes de estacas (método glaciológico) se
estima el balance entre acumulación y ablación. O, a partir de
mapas topográficos de
distintas fechas, se estima
el cambio de masa
(método geodésico).
Medidas en redes de estacas para determinar el
balance de masa y la velocidad
del hielo
Distribución regional de glaciares (excluye mantos hielo)
 200 000 glaciares ( aprox. mitad –en área– en el Ártico)
A = 763 ± 100 103 km2; V = 250 ± 65  103 km3  0.61 ± 0.16 m SLE
Según IPCC2013, su fusión durante
1993-2010 ha contribuido 0.76 [0.39-1.13]
mm/año al aumento del nivel del mar.
Las masas de hielo árticas
Nueva Zembla
Tierra de
Francisco José
Svalbard
Tierra del Norte
Hielo marino
(no relevante para
aumento nivel mar)
Alasca
Groenlandia
Islandia
Ártico
canadiense
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Guión
• Aumento observado del nivel del mar y sus
principales contribuyentes.
• Observaciones: espesor de hielo y volumen de
los glaciares.
• Observaciones: cambios de volumen/masa de
los glaciares.
• Predicciones: modelos.
• Conclusiones: desafíos pendientes.
Predicciones: modelos
Modelos numéricos de dinámica, régimen térmico y
balance de masa glaciar que pronostican la evolución de
los glaciares como respuesta a los cambios de clima
proyectados para distintos escenarios de emisiones de
gases de efecto invernadero.
Mass
conservation:
 ui
0
 xi
Kinematic characterization
of free boundary :
h
 ws  a  u s   H h
t
Linear momentum
conservation:
  ij  p

  gi  0
 x j  xi
Conservation
of energy:
Constitutive
relation:
 ij  2ij ,
1 (1 n )1
  B
2
  T 
T
 (CT )
 k
   C ui
Q  
 xi   xi 
 xi
t
Proyecciones del cambio de volume de hielo de
glaciares y mantos de hielo (según IPCC2013)
Pérdida de volumen global
de los glaciares (2100) de
• 15-55% (RCP2.6)
• 35-85% (RCP8.5)
Pérdidas dinámicas de
Groenlandia+Antártida equiv. a
0.03-0.20 m SLR (en 2081-2100).
• Aumento de fusión en
Groenlandia superará al
aumento de precipitación,
resultando en pérdida
neta de masa.
• Fusión escasa y mayores
nevadas resultarán en
balance de masa superf.
positivo de la Antártida.
Glaciares con parte de su zona terminal sumergida y
reposando sobre el lecho marino
Contribución aparente al aumento del nivel del mar
(calculada considerando el área actual ocupada por océanos)
Aumento aparente
del nivel del mar
Contribución efectiva al aumento del nivel del mar
(calculada considerando la nueva área ocupada por océanos)
Aumento efectivo
del nivel del mar
(11-14% menor
que el aparente)
Huss & Hock (2015)
en Frontiers in Earth
Sciences
Proyecciones de perdida de masa de los glaciares
considerando los anteriores efectos
• Pérdida de volumen global de los glaciares de 25-48%
entre 2010 y 2100 (escenarios RCP2.6-RCP8.5).
• Contribución correspondiente al aumento del nivel del mar
entre 79 ± 24 (RCP2.6) y 157 ± 31 (RCP8.5) mm SLE.
(según Huss & Hock
(2015) en Frontiers in
Earth Sciences)
Proyecciones de aumento del nivel del mar
Aumento proyectado
mayor que en IPCC2007
debido a la inclusión de
las pérdidas dinámicas de
Antártida y Groenlandia.
Fuente:
IPCC2013
Guión
• Aumento observado del nivel del mar y sus
principales contribuyentes.
• Observaciones: espesor de hielo y volumen de
los glaciares.
• Observaciones: cambios de volumen/masa de
los glaciares.
• Predicciones: modelos.
• Conclusiones: algunos desafíos.
Conclusiones: algunos desafíos
• Estimación mejorada del volumen total de hielo de los glaciares.
• Mejora en las estimaciones de la pérdida de masa actual y
futura de los glaciares con terminación en mar.
• Manto de hielo de Groenlandia:
 Mejora de las estimaciones del volumen global de hielo de
los glaciares.
 Balance entre aumento de fusión y aumento de precipitación
en forma de nieve.
 Efecto del retroceso de los glaciares que actualmente
terminan en mar y pasarán a terminar en tierra.
 Papel de la hidrología supra/endo/sub-glacial.
 Papel de los acuíferos perennes en la neviza.
• Manto de hielo de la Antártida:
 Estimación de pérdidas dinámicas en zona el Mar de
Amundsen. Posible colapso de Antártida occidental.
 Pérdidas en la región de la Península Antártica.
Agradecimientos
• Prof. Elena Conde.
• Fundación Ramón Areces.
• International Arctic Research Council.
• Ministerio de Economía y Competitividad.
Imágenes/gráficas (aparte de
personales y otras de fuentes ya
citadas):
• IPCC
• Glaciers-online (Alean & Hambrey)
Gracias por
su atención