Climate-related signals in coastal Antarctic snow-pit and ice core records

Abstract

Antarctic snow-pits and ice cores preserve past climate and environmental conditions, which are essential for understanding current and future changes in global climate. Due to the continent's vastness, complex climate system, and limited spatial coverage of records, substantial variations and climatic disparities persist. Particularly in coastal regions exhibit significant variability and pose challenges. Therefore, expanding coastal ice core records and site-based studies is essential to interpret long-term climate signals from Antarctic ice cores. This thesis primarily investigates climate-related signals in short-term (snow-pits) and long-term (ice core) records (water isotopic composition, major ions, trace metals) from coastal (Victoria Land and Lambert Glacier Basin) East Antarctica (Chapters 2, 3, 4, and 5). In the coastal regions, surface melting of snow occurs during warmer summer season, percolating through snow layers and ultimately forming melt layers in ice core records. This climate-related melt layer pose challenges in interpreting ice core records. Predicting the variations in the isotopic composition of melt is thus important. Therefore the thesis also examines the isotopic evolution of meltwater during melting of isotopically heterogeneous ice layers, which can be further extended to studies interpreting melt layers signals in Antarctic ice cores as well as the release of meltwater from snow, glaciers, and permafrost (Chapters 6 and 7). This thesis comprises eight chapters. Chapter 1 provides background information and introduces the research topics addressed in this thesis. Chapter 2 and 3 evaluate the snow-pit and ice core at the Styx-Glacier located in northern Victoria Land, focusing on records water isotopes, ions, and snow accumulation rate. The results indicate the climate condition in nearby oceanic regions (sea surface temperature and sea ice cover) were detectable in these records. The proximity to oceanic moisture and the consistent wind pattern transporting it makes snow accumulation rate a more direct proxy. The relationship between δ18O and air temperature at deposition site (nearby) was not clear at annual scale, during 1979–2014. Since the oceanic conditions in this sector are sensitive to regional- and large-scale atmospheric circulation patterns (e.g., SAM, ASL, and ENSO), the longer part of the Styx-M ice core record may be linkable to these patterns. Additionally, the trace metals indicate a dominant origin from the local ice-free areas. In another ice core (GV7-C) from northern Victoria Land, which covers longer period, climate-related signals at two temporal resolutions (1957–2013 and 1872–2013) were discussed (Chapter 4). During 1957–2013, δ18O and d-excess suggest that snow at the GV7-C site originates from the Southern Ocean, possibly via the western Pacific and southeastern Indian Ocean. For 1872–2013, d-excess and SST correlations indicate the Southern Ocean origin, likely through the Indian Ocean sector. Snow accumulation data were not strongly correlated with climate variables. Overall, this study is providing preliminary insights into teleconnections with low-latitude climate, possibly over the Indian Ocean sector of the Southern Ocean, which is important in the context of global warming. Expanding to trace metals in multiple snow-pits collected different distance to coast and different elevations from geographically distinct the Lambert Glacier Basin (Chapter 5), unlike the δ18O and ions, trace metals, showed site- and metal-dependent patterns. This indicates the dependence of the accessibility to the emission sources and the atmospheric transport pattern. Inland sites show generally higher concentrations of metals with a weak tendency to increase during austral winter season. Potential sources are identified as crustal dust, potential anthropogenic emissions, and some marine influence. The sources were somehow consistent in inland sites (Pits 2 and 3), while Pit 4 shows mixed contributions. Pit 1 is mainly influenced by marine sources, posing challenges in source quantification. These findings offer valuable background data on multiple metals, providing insights for paleoclimate research using longer ice cores. Secondly the isotopic exchange processes during melting of heterogeneous ice layers and were studied through modeling (Chapter 6) and melting experiments (Chapter 7). The results highlight the initial layer sequence and differences in isotopic compositions significantly influence the isotopic evolution of the meltwater. The more varied patterns were simulated with increasing the effectiveness of isotopic exchange and fraction of ice involved in the exchange. This emphasizes that isotopic heterogeneity plays a crucial role in the evolution of snowmelt isotopes, even though various factors are considerable in nature conditions. Melting experiments results involving isotopically different two-layered ice well captured in the model simulation. The isotopic exchange rate constant was similar for oxygen and hydrogen isotopes. Moreover, the isotopic exchange was consistent with previous studies conducted on homogeneous ice layer and snowpack and show a tendency to increase with percolation velocity. The study suggests the importance of flow conditions in the isotopic variation of meltwater. These findings have implications for understanding snowmelt processes and the first step to interpreting melt layers in polar ice cores. The results of all chapters of this thesis work are summarized in Chapter 8. The thesis contributes new findings on climate variabilities derived from snow-pits and ice cores in the relatively unexplored and highly diverse coastal Antarctic regions. This would offer valuable insights for Antarctic climate studies and serve as essential background study for reconstructing longer paleoclimate data from these regions. Secondly, the modeling and experimental results on the isotopic variation of meltwater from isotopically heterogeneous ice layers or snowpacks have broader application in interpreting melt layer signals in ice cores and contribute to wider hydro-climatological studies, particularly in the context of ongoing climate change.;남극의 스노우핏(snow-pit)과 빙하코어는 과거 지구의 기후 및 환경 변화의 이해하는데 필수적인 정보를 가지고 있기에 고기후 복원 프록시(proxy)로 활용된다. 남극대륙의 광대함, 복잡한 기후 시스템 및 관련 관측 자료 부족으로 인해 과거 기후를 복원하는데 상당한 어려움이 있다. 특히 해안 지역은 남극 내륙보다 변동성이 상당하여 추가적인 빙하코어 자료를 확보하는 연구가 필요하다. 따라서 남극 빙하코어에 기록된 장기적인 기후 환경변화를 해석하기 위해서는 해안 빙하코어 기록과 현장 기반 연구를 확장하는 것이 중요하다. 본 논문은 주로 해안(Victoria Land 및 Lambert Glacier Basin)의 스노우핏 및 빙하코어 기록(물안정동위원소, 주요 이온, 미량 원소)에서 기후 관련 정보를 조사고자 하였다. 또한 따뜻한 여름 시즌에 해안 지역에서는 눈의 표면에 용융이 발생하고 그 물이 눈 층을 침투하여 궁극적으로 빙하코어 기록에서 용융 층이 형성된다. 이러한 기후 관련 용융 층은 빙하코어 기록을 해석하는 데 어려움을 초래하므로 용융수의 동위원소 변화를 예측하는 것이 중요하다. 따라서 본 논문에서는 동위원소적으로 이질적인(heterogeneous) 얼음 층이 용융되는 동안 용융수의 동위원소 진화도 조사하였다. 이는 눈, 빙하 및 영구 동토층의 용융수 방출 뿐만 아니라 남극 빙하코어의 용융수 신호를 해석하는 연구로 더 확장될 수 있다. 본 논문은 8 개의 장으로 구성되어 있다. 1 장에서는 배경 정보를 제공하고 이 논문에서 다루는 연구 주제를 소개하였다. 2 장과 3 장에서는 Victoria Land 에 위치한 Styx-Glacier 스노우핏과 빙하코어에서 기록된 물 안정동위원소, 이온 및 적설량을 이용하여 해양 지역의 기후요소(해수면 온도 및 해빙면적) 감지가 가능하였다. 1979-2014 년 동안 연간규모에서 스노우의 δ18O 와 대기침적 지점의 대기 온도 사이에는 뚜렷한 상관관계가 관찰되지 않았다. 이 지역의 해양 조건은 지역 및 대규모 대기 순환 패턴(예: SAM, ASL 및 ENSO)에 민감하기 때문에 Styx-M 빙하코어의 장기 기록이 이러한 패턴과 연결될 수 있다. 또한 미량 원소는 주변 얼음이 없는 지역에서 주 공급원을 나타난다. 보다 장기(1957–2013, 1872–2013) 기록을 다루는 Victoria Land의 빙하코어(GV7-C)에서는 에서 기후 관련 신호를 논의하였다(4장). 1957–2013 년 동안 δ18O 와 d-excess 는 GV7-C 지점의 눈이 서태평양과 인도양 남동부를 거쳐 남대양에서 시작되었음을 시사하였다. 1872–2013 년의 경우 dexcess 와 해수면 온도 상관관계는 인도양 을 통해 남대양에서 시작되었음을 나타난다. 적설량 데이터는 기후 인자와 강한 상관관계가 관찰되지 않았다. 전반적으로 본 연구는 지구 온난화의 맥락에서 중요한 남대양의 인도양에 대한 저위도 기후와의 원격 연결에 대한 선행적 통찰력을 제공하고 있다. 여러 개의 스노우핏에서 수집된 다양한 거리와 지리적으로 구별되는 Lambert Glacier Basin(5 장)에서 수집된 미량 원소는 δ18O 및 이온과 달리 사이트 및 원소 의존적 패턴을 보였다. 이는 배출원에 대한 접근성과 대기 수송 패턴의 의존성을 나타난다. 내륙 지역은 일반적으로 겨울철에 증가하는 경향이 약한 미량 원소 농도가 더 높았다. 잠재적인 소스는 지각 먼지, 잠재적인 인위적 배출 및 일부 해양 영향으로 확인됐다. 이러한 발견은 여러 미량 원소에 대한 귀중한 배경 데이터를 제공하여 더 긴 빙하코어를 사용하는 고기후 연구에 대한 통찰력을 제공한다. 제 6 장과 7 장에서는 이질적인 얼음 층이 녹는 동안의 동위원소 교환 과정을 모델링과 용융 실험을 통해 조사하였다. 초기 레이어 순서와 동위원소 조성의 차이가 용융수의 동위원소 진화에 상당한 영향을 미쳤다. 동위원소 교환 및 이에 관여하는 얼음의 비율(fraction of ice)을 증가시키면서 더 다양한 패턴이 나타난다. 이는 다양한 요인이 자연 조건에서 상당한 역할을 하지만 동위원소 이질성이 용융수 동위원소의 진화에 중요한 역할을 한다는 것을 시사한다. 산소와 수소의 동위원소 교환 속도 상수는 유사하였다. 또한 동위원소 교환 속도 상수는 균질한 얼음 층과 스노우팩(snowpack)에 대해 수행된 이전 연구와 일치했으며 여과(percolation) 속도에 따라 증가하는 경향을 보여주었다. 이 연구는 용융수의 동위원소 변화에서 유동 조건의 중요성을 시사한다. 이러한 발견은 용융에 따른 동위원소 진화 과정을 이해하고 극지지역 빙하코어의 용융층을 해석하는데 도움이 될 것이다. 본 학위논문은 남극 해안 지역의 스노우핏과 빙하코어에서 파생된 기후 변동성에 대한 새로운 통찰력을 제공하며 보다 장기간의 고기후 데이터를 재구성하는 데 필수적인 배경 연구가 될 것이다. 또한 동위원소적으로 이질적인 얼음 층 또는 스노우팩에서 용융수의 동위원소 진화과정에 대한 모델링 및 실험 결과는 얼음 코어의 용융수 층 신호를 해석하는 데 광범위하게 적용되며 특히 기후 변화 측면에서 더 광범위한 수문학적 연구에 기여할 것이다.