Dynamique bistable de la circulation océanique sous les plateformes de glace antarctiques

Résumé de la thèse

La réponse de la calotte glaciaire antarctique au changement climatique est l’une des principales sources d’incertitude dans les projections climatiques. Sa perte de masse s’est accélérée au cours des dernières décennies, avec des flux croissant de glace et d’eau douce se déversant dans l’Océan Austral. Ces apports contribuent à l’élévation du niveau de la mer, mais pourraient également impacter la circulation globale de l'océan. Les plateformes de glace antarctique, qui sont les extensions flottantes des glaciers reposant sur le continent, jouent un rôle clé dans la perte de masse de la calotte antarctique. Leur interface basale avec l’océan est principalement responsable de la fonte de la glace, qui dépend donc fortement des propriétés des eaux pénétrant dans ces cavités sous glaciaires. De récentes modélisations numériques régionales ont montré que des cavités actuellement froides pourraient abruptement basculer vers des conditions plus chaudes, ce qui entraînerait une augmentation considérable de la fonte basale des plateformes de glace.

Dans ce contexte, cette thèse étudie les mécanismes à l’origine de telles transitions abruptes, ainsi que leur réversibilité. Les modèles régionaux réalistes sont coûteux numériquement et utilisent des forçages complexes. Cela fait qu’ils sont peu adaptés à l’exploration systématique de la réponse stationnaire de l’océan dans la cavité, pourtant nécessaire pour caractériser les seuils et la réversibilité des transitions. Ce travail adopte donc une approche complémentaire fondée sur des cadres idéalisés, combinant un modèle réduit d’océan « en boîte » et une configuration numérique idéalisée. Ces modèles permettent d’obtenir un haut niveau de compréhension des processus physiques contrôlant la nature des transitions, ce qui est crucial pour évaluer le niveau de confiance associé aux projections des modèles de climat globaux.

Nous développons d’abord un modèle réduit « en boîte » représentant deux régimes de circulation en compétition: un mode chaud caractérisé par l’intrusion d’eaux profondes circumpolaires; et un mode froid entretenu par l’intrusion d’eaux denses formées dans les polynies côtières, où la formation de glace de mer induit des flux de sel qui densifient les eaux de surface. Le modèle met en évidence une circulation bistable pour une large gamme de taux de formation de glace de mer et de températures des eaux circumpolaires. Appliqué à neuf cavités antarctiques, il suggère que la plupart d’entre elles se trouvent dans un régime bistable sous des forçages réalistes, les rendant susceptibles à des transitions irréversibles. Ce modèle souligne également que le mélange vertical devant les plateformes de glace joue un rôle clé sur la réversibilité des transitions.

Dans la continuité de ces résultats, nous introduisons une configuration numérique idéalisée de cavité sous glaciaire avec le code d’océan NEMO. En accord avec les résultats du modèle réduit, les simulations NEMO reproduisent la bistabilité des modes de circulation de la cavité. En outre, elles montrent aussi l’importance qu’ont la circulation devant la cavité et la viscosité du modèle dans la nature des transitions, qui sont des processus non explicitement représentés dans un modèle en boîtes. Ces résultats donnent ainsi des éléments de réponses vis-à-vis de conclusion divergente dans de précédentes études concernant la réversibilité des transitions.

Enfin, nous étudions l’impact de forçages temporels sur le système, notamment afin d’évaluer l’influence du cycle saisonnier. Nous montrons que le temps caractéristique de vidange de la cavité, ainsi que celui associé à la convection profonde sont des paramètres essentiels pour conclure sur la possibilité du système à basculer irréversiblement quand il subit un ou plusieurs hivers exceptionnellement plus doux.

Bistable dynamics of the ocean circulation in Antarctic ice-shelf cavities

The response of the Antarctic ice sheet to climate change is one of the main sources of uncertainty in climate projections. It has been losing mass at an increasing rate during the last few decades through increasing discharges of ice and meltwater into the Southern Ocean. Importantly, the discharge of land ice contributes directly to sea-level rise while the meltwater production may impact the global ocean circulation. Antarctic ice shelves, the floating extension of grounded Antarctic glaciers, play a key role in controlling the mass loss of the Antarctic ice sheet. Their fate primarily depends on the properties of the waters intruding ice-shelf cavities, as melt rates at the bottom ice-ocean interface largely exceeds those at the top air-ice boundary. Recent regional numerical studies provide increasing evidence for the possibility of abrupt transitions from cold to warm ocean circulation modes in ice-shelf cavities, which would considerably enhance the basal mass loss of ice shelves. However, a quantitative understanding of the feedback processes is lacking, in part because the high computational cost of realistic simulations prevents a detailed and systematic analysis of the underlying physics.

This thesis puts forth two research projects that aim at deciphering the mechanisms underlying abrupt regime transitions in Antarctic ice-shelf cavities, as well as their potential reversibility, in ways that are inaccessible to realistic ocean simulations. Specifically, leveraging a low-dimensional ocean box model and an idealized numerical ocean configuration, this thesis systematically explores the steady-state response of the ocean to changes in far-field ocean and atmospheric conditions, which is needed to characterize the thresholds and the reversibility of the transition. Together, the two approaches allow building a high-level understanding of the key physical processes controlling the nature of the transitions, which is crucial to assess how confident we can be in the projections of Earth System Models.

We first develop a low-dimensional box model representing two competing ocean circulation regimes: a warm mode dominated by Circumpolar Deep Water (CDW) intrusion, and a cold mode sustained by Dense Shelf Water (DSW) formed in coastal polynyas, where sea-ice formation induces surface salt fluxes that increase the density of surface waters. The model uncovers bistability over a wide range of sea-ice formation rates and CDW temperatures. Applied to nine Antarctic ice-shelf cavities, it suggests that most of them are in a bistable regime under realistic forcing and thus susceptible to irreversible transitions. This model also demonstrates that the vertical mixing parameterization plays a key role in determining whether transitions are irreversible.

Building on these results, we then introduce an idealized three-dimensional numerical configuration of an ice-shelf cavity, using the ocean code NEMO. Consistent with the box-model results, the NEMO simulations exhibit hysteresis and bistability between warm and cold circulation regimes. The simulations further reveal that CDW properties strongly influence whether transitions are reversible or irreversible. They highlight the important role of the large-scale ocean circulation outside of the cavity and the model viscosity, which are two processes that are not explicitly represented in the box model. The sensitivity of steady-state circulations to forcing and model parameters provides some explanations for the different behaviors obtained in previous studies featuring either irreversible or reversible dynamics.

We finally investigate the impact of time-dependent forcing and notably assess the influence of the seasonal cycle. We show that the characteristic time scales associated with the cavity overturning and with the thermocline deepening are key to predict whether the system is susceptible to irreversible transitions when subject to one or a few exceptionally mild winters.