Impact of Surface Processes on the Antarctic Water Isotope Climate Signal

Stabile vannisotopregistre i polare iskjernene gir unik informasjon om tidligere klimavariasjoner. Deres nøyaktige tolkning avhenger imidlertid av forståelsen av prosessene som danner isotopsignalet i snøen, som senere blir omdannet til is. Det ble tidligere antatt at nedbørssignalet, som bærer integrert klimainformasjon om vannets kretsløp, ble bevart etter snøfall, men nyere studier har vist at overflateprosesser er viktige for dannelsen av isotopsignalet. Denne avhandlingen undersøker virkningen av disse prosessene på det sesongmessige til flerårige isotopsignalet ved Dome C, et lavakkumulasjonssted på den antarktiske iskappen. Artikkel I fokuserer på hvordan post-deposisjonsprosesser påvirker isotopsignalet til snøoverflaten. Ved å bruke parallelle in-situ observasjoner av snøen og nedbøren kvantifiserer vi den gjennomsnittlige endringen av snøens isotopsammensetning. Vi viser at snøoverflaten i gjennomsnitt er beriket i δ18O og δD og sammen med en lavere andreordensparameter deuterium-excess (d-excess) sammenlignet med nedbøren. Ved å estimere flukser av overflatefuktighet fra meteorologiske observasjoner, viser vi en sterk sesongvariasjon i flukser, hvor sublimering dominerer om sommeren og kondensasjon om vinteren er minimal. Dette resulterer i et netto årlig massetap, som indikerer at damputveksling må bidra betydelig til den gjennomsnittlige endringen av isotopsignalet. Disse funnene gir den første observasjonsbaserte kvantifiseringen av den gjennomsnittlige endringen av snøens isotopsignal ved overflateprosesser på årlige tidsskalaer. Artikkel II presenterer nye observasjoner av isotopsammensetningen til vanndamp i atmosfæren, en avgjørende parameter for isotoputvekslingen mellom snøoverflaten og atmosfæren. Ved å bruke to uavhengige laserspektrometre installert parallelt ved Dome C, en veletablert Picarro-analysator og en prototype av et nytt laserspektrometer utviklet for lavfuktighetsmiljøer, dokumenterer vi den atmosfæriske vanndampens δ18O, δD og d-excess over en hel 2,5-måneders sommersesong. Verdiene fra de to instrumentene stemmer godt overens, som gir tillit til nøyaktigheten og påliteligheten av målingene. Disse observasjonene er verdifulle for å evaluere og forbedre isotopaktiverte generelle sirkulasjonsmodeller, som demonstrert av vår vurdering av LMDZisos evne til å registrere gjennomsnittet og døgnsyklusen av isotopsammensetningen til vanndamp i atmosfæren. Artikkel III integrerer kunnskapen og observasjonsdatasettene fra de to foregående studiene i en modelleringsstudie for å undersøke virkningen av overflateprosesser på isotopsignalet over forskjellige tidsskalaer. Ved å bruke en tilpasset versjon av SNOWISOmodellen for lavakkumulasjonssteder identifiserer vi først at sesongvariasjonen i isotopsignalet observert i snøoverflaten kan forklares ved den kombinerte effekten av isotopfraksjonering under damputveksling og den kontinuerlige blandingen av fersk nedbør med eldre snø. Inkludering av isotopisk fraksjonering under damputveksling forbedrer også betydelig representasjonen av den observerte sesongamplituden og den månedlige gjennomsnittsvariabiliteten i snøoverflatens isotopsammensetning. Vi viser videre at damputveksling endrer både gjennomsnittet og variasjonen av flerårige isotopregistre ved å berikegjennomsnittet av δ18O mens det reduserer den årlige variasjonen og reduserer gjennomsnittet av d-excess mens det øker den årlige variasjonen. Ved å teste forskjellige nedbørskonfigurasjoner, viser vi at nedbørens intermittens påvirker størrelsen på effekten av isotopisk damputveksling på de isotopiske registreringene. Til sammen bidrar de tre artiklene med en omfattende og kvantitativ analyse av overflateprosesser som påvirker isotopsignalene i snøoverflaten og dypere i snøpakken ved Dome C. Funnene i denne avhandlingen fremmer forståelsen av isotopsignaldannelsen ved iskjernens overflate, noe som vil bidra til å forbedre den tolkningen av iskjerneregistre.

Stable water isotope records in polar ice cores provide unique information on past climatic variations. However, their accurate interpretation relies on understanding the processes forming the isotopic signal in the snow, later transformed into ice. It was previously assumed that the precipitation signal, carrying integrated climatic information of the hydrological cycle, was preserved after snowfall. Yet, recent studies have highlighted the importance of surface processes for the isotopic signal’s formation. This thesis investigates the impact of these processes on the seasonal to multi-decadal isotopic signal at Dome C, a low-accumulation site on the Antarctic ice sheet. Paper I focuses on how post-depositional processes impact the isotopic signal of the snow surface. Using parallel in-situ observations of the snow and the precipitation, we quantify the average alteration of the snow isotopic composition and show that, the snow surface is enriched in δ18O and δD, together with a lower second order parameter deuterium-excess (d-excess), compared to precipitation. By estimating surface moisture fluxes from meteorological observations, we show a strong seasonality of fluxes, where sublimation dominates in summer while condensation during the winter is minimal. This results in a net annual mass loss, and indicates that isotopic fractionation during vapor exchange must significantly contribute to the mean alteration of the isotopic signal. These findings provide the first observational quantification of the mean alteration of the snow isotopic signal by surface processes on annual time scales. Paper II provides novel observations of the atmospheric water vapor isotopic composition, a crucial parameter for the isotopic exchange between the snow surface and the atmosphere. Using two independent laser spectrometers installed in parallel at Dome C, a well-established Picarro analyzer and a prototype of a new laser spectrometer developed for low-humidity environments, we document the atmospheric water vapor δ18O, δD, and d-excess over an entire 2.5-month summer season. The good agreement between the two instruments gives confidence in the accuracy and reliability of the measurements. These observations are valuable data to evaluate and improve isotope-enabled general circulation models, as demonstrated by our assessment of LMDZiso’s ability to capture the mean and diurnal cycle of the atmospheric water vapor isotopic composition. Paper III integrates the knowledge and observational datasets from the two previous studies into a modeling approach to investigate the impact of surface processes on the isotopic signal across different time scales. Using an adapted version of the SNOWISO model for low-accumulation sites, we first identify that the seasonal isotopic signal observed in the snow surface can be explained by the combined effect of isotopic fractionation during vapor exchange and the continuous mixing of fresh precipitation with deposited snow. Including isotopic fractionation during vapor exchange also significantly improves the representation of the observed seasonal amplitude and monthly mean variability of the snow surface isotopic composition. We further show that vapor exchange affects the mean and variability of multi-decadal isotopic records. Specifically, isotopic fractionation during vapor exchange enriches the mean δ18O while reducing its inter-annual variability and decreases the mean d-excess while increasing its inter-annual variability. By testing different precipitation configurations, we show that precipitation intermittency influences the magnitude of the impact of isotopic vapor exchange on the isotopic records. The three papers together offer a comprehensive and quantitative analysis of surface processes affecting the isotopic signals in the snow surface and deeper in the snowpack at Dome C. The findings of this thesis advance the understanding of isotopic signal formation at the ice sheet’s surface, which will contribute to refining the interpretation of ice core records.

Doktorgradsavhandling