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The Dynamics of Marine Ice Sheets

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Robert H. Thomas*
Affiliation:
Institute for Quaternary Studies, University of Maine at Orono, Orono, Maine 04473, U.S.A.
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Abstract

Marine ice sheets rest on land that, for the most part, is below sea-level. Ice that flows across the grounding line, where the ice sheet becomes afloat, either calves into icebergs or forms a floating ice shelf joined to the ice sheet. At the grounding line there is a transition from ice-sheet dynamics to ice-shelf dynamics, and the creep-thinning rate in this region is very sensitive to sea depth; rising sea-level causes increased thinning-rates and grounding-line retreat, falling sea-level has the reverse effect. If the bedrock slopes down towards the centre of the ice sheet there may be only two stable modes: a freely-floating ice shelf or a marine ice sheet that extends to the edge of the continental shelf. Once started, collapse of such an ice sheet to form an ice shelf may take place extremely rapidly. Ice shelves which form in embayments of a marine ice sheet, or which are partially grounded, have a stabilizing influence since ice flowing across the grounding line has to push the ice shelf past its sides. Retreat of the grounding line tends to enlarge the ice shelf, which ultimately may become large enough to prevent excessive outflow from the ice sheet so that a new equilibrium grounding line is established; removal of the ice shelf would allow retreat to continue. During the late-Wisconsin glacial maximum there may have been marine ice sheets in the northern hemisphere but the only current example is the West Antarctic ice sheet. This is buttressed by the Ross and Ronne Ice Shelves, and if climatic warming were to prohibit the existence of these ice shelves then the ice sheet would collapse. Field observations suggest that, at present, the ice sheet may be advancing into parts of the Ross Ice Shelf. Such advance, however, would not ensure the security of the ice sheet since ice streams that drain to the north appear to flow directly into the sea with little or no ice shelf to buttress them. If these ice streams do not flow over a sufficiently high bedrock sill then they provide the most likely avenues for ice-sheet retreat.

Résumé

Résumé

Les calottes glaciaires marines resposent sur un sol qui, pour la plus grande part est en dessous du niveau de la mer. La glace qui s’écoule à travers la ligne de décollement, lorsque la glace commence à flotter, soit vêle en icebergs soit forme une couverture de glace qui se raccorde à la calotte glaciaire. A la ligne de décollement il y a une transition de la dynamique des calottes à celle des plateformes de glace, et l’amincissement dû au mouvement des glaces dans cette région est très sensible à la profondeur de la mer; si le niveau marin s’élève, la vitesse de l’amincissement s’accroît et la ligne de décollement recule, une baisse du niveau des mers a l’effet inverse. Si la pente du lit rocheux descend vers le centre de la calotte glaciaire il ne peut y avoir que deux états stables: une plateforme flottant librement ou une calotte glaciaire marine qui s’étend jusqu’à la limite du plateau continental. Une fois entamée, la rupture d’une telle catotte glaciaire pour former une plateforme peut se produire extrêmement vite. Les plateformes qui se foŕment dans les golfes d’une calotte glaciaire marine ou celles qui reposant partiellement sur le roc out une influence stabilisatrice puisque la glace qui se met à flotter en traversant la la ligne de décollement doit pousser la plateforme au-delà de ses limites. Le recul de la ligne de décollement tend à agrandir la plateforme qui peut finalement devenir assez vaste pour empêcher une émission excessive de glace par la calotte de sorte qu’il s’établit un nouvel équilibre de la ligne de décollement; l’enlèvement de la plateforme permettant au recul de la ligne de continuer. Au cours du dernier maximum glaciaire du Wisconsin il a pu y avoir une calotte glaciaire marine dans l’hémisphère Nord, mais le seul exemple classique est la calotte glaciaire de l’Ouest Antarctique. Celle-ci est verrouillée par les plateformes de Ross et de Ronne et si un réchauffement climatique venait à empêcher l’existence de ces plateformes, la calotte glaciaire s’effonderrait. Les observations de terrain font penser que, pour le moment, la calotte peut être en train d’avancer en certaines parties du Ross Ice Shelf, une telle avance, cependant, n’assurerait pas la permanence de la calotte puisque le courant de glace qui la draine vers le Nord semble s’êcouler directement dans la mer avec peu ou pas de plateforme pour la bloquer. Si ces courants de glace ne coulent pas sur un seuil du lit rocheux suffisamment haut, ils donnent les plus grandes chances à un retrait de la calotte glaciaire.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Marine Eisdecken sitzen auf Land auf, das grösstenteils unter dem Meeresspiegel liegt. Eis, das über die Aufsetzlinie fliesst, wo die Eisdecke schwimmend wird, kalbt entweder zu Eisbergen oder bildet ein schwimmendes, mit der Eisdecke verbundenes Schelfeis. An der Aufsetzlinie findet der Übergang von der Eisdecken- zur Schelfeisdynamik statt. Die Ausdünnungsrate in diesem Gebiet reagiert sehr empfindlich auf die Wassertiefe; steigender Meeresspiegel verursacht erhöhte Ausdünnungsraten und Rückzug der Aufsetzlinie; fallender Meeresspiegel hat die umgekehrte Wirkung. Wenn das Felsbett gegen das Zentrum der Eisdecke abfällt, dürften nur zwei stabile Formen vorkommen: ein frei schwimmendes Schelfeis oder eine marine Eisdecke, die sich bis an den Rand des Kontinentalschelfes erstreckt. Der Zusammenbruch einer solchen Eisdecke in ein Schelfeis dürfte sehr schnell stattfinden, wenn er einmal begonnen hat. Schelfeise, die sich in Buchten von marinen Eisdecken bilden oder die teilweise aufsitzen, haben einen stabilisierenden Einfluss, da Eis, das über der Aufsetzlinie fliesst, das Schelfeis zur Seite drücken muss. Ein Rückzug der Aufsetzlinie hat eine Vergrösserung des Schelfeises zur Folge, das letztlich so stark anwachsen kann, dass es ein übermässiges Ausfliessen der Eisdecke verhindert und dadurch eine neue Gleichgewichtslage der Aufsetzlinie herstellt; bei einem Verschwinden des Schelfeises würde sich der Rückzug fortsetzen. Während des Maximus der späten Wisconsin-Eiszeit dürften marine Eisdecken auf der Nordhalbkugel existiert haben; das einzige gegenwärtige Beispiel ist jedoch der westantarktische Eisschild. Er wird durch das Ross- und Ronne-Schelfeis gestützt und würde zusammenbrechen, wenn Erwärmung des Klimas die Existenz dieser Schelfeise verhindern würde. Feldbeobachtungen deuten darauf hin, dass der Eisschild derzeit in Teile des Ross-Schelfeises vorstösst. Solch ein Vorstoss würde jedoch die Sicherheit des Eisschildes nicht garantieren, da Eisströme, die nach Norden abfliessen, direkt ins Meer zu fliessen scheinen, mit keiner oder nur geringer Abstützung durch Schelfeis. Wenn diese Eisströme nicht über eine genügend hohe Schwelle im Felsbett fliessen müssen, dann stellen sie die wahr-scheinlichsten Strassen für einen Rückzug des Eisschildes dar.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1979
Figure 0

Fig. 1. West Antarctica, showing the areas of bedrock that are above sea-level. The arrows represent ice streams that drain the ice sheet. Most of the ice that flows into the Ross Ice Shelf from West Antarctica drains through ice streams B, D, and E. Pine Island Glacier (P.I.G.) and Thwaites Glacier (T.G.) carry most of the ice that drains northward. These glaciers appear to be relatively unprotected by bounded or partially grounded ice shelves. A vertical section taken along the broken line through ice stream B and the Ross Ice Shelf is shown in Figure 4.

Figure 1

Fig. 2. A bounded ice shelf with ice rises. Velocity profiles are shown for three sections across the ice shelf. The stippling indicates the presence of a back-pressure exerted on the ice shelf by its margins and ice rises. The intensity of the stippling gives an indication of the relative magnitude of the back-pressure. Three bottom profiles are shown: the solid line is for the bounded ice shelf with ice rises and the others are for bounded and unbounded ice shelves without ice rises. The position of the grounding line is strongly dependent on the type of ice shelf that forms.

Figure 2

Fig. 3. Grounding-line migration. In Figure 3A the sea bed slopes down to seaward and a change in ice thickness or sea depth causes only a limited shift in the grounding-line position. If the sea bed slopes up to seaward (Fig. 3B) and the ice sheet is not protected by a bounded or partially grounded ice shelf then there are only two stable modes. These are represented by the “advance” and “retreat”" profiles in Figure 3B. With a suitably bounded or pinned ice shelf, the ice sheet may adopt a stable profile that lies between these two extremes, such as that represented by the solid line. The grounding line may then migrate in response to changes in the ice shelf as well as to changes in ice thickness and sea depth.

Figure 3

Fig. 4. A section through the West Antarctic ice sheet and across the Ross Ice Shelf (see Fig. 1). The bedrock topography is similar to that shown in Figure 3B, and the grounding line is maintained in its present position by back-pressure that is exerted on the Ross Ice Shelf by its sides and by the Crary Ice Rise. Only a very small thickening would be necessar’y for theice sheet to advance to cover Crary Ice Rise. Thereafter, Jilrther advance would require grounding of the ice shelf on theshoals of Pennell Bank.