Assessing mass change, ice discharge, and ice thickness in the Antarctic Peninsula using remote sensing and inversion modelling

• Autores: Kaian Fernandes Shahateet
• Directores de la Tesis: Francisco José Navarro Valero (dir. tes.) , Thorsten Seehaus (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2023
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Javier Jesús Fernández Calleja (presid.) , Jaime Otero García (secret.) , María Luisa Montoya Redondo (voc.) , Ilaria Tabone (voc.) , Étienne Come Berthier (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Matemática, Estadística e Investigación Operativa por la Universidad Complutense de Madrid y la Universidad Politécnica de Madrid
• Calificación: Sobresaliente Cum Laude
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
• Resumen

  • Los glaciares de la Península Antártica (AP) juegan un papel esencial en la dinámica oceánica, el clima global y la ecología. Durante las últimas décadas, la AP se ha convertido en un importante contribuyente al aumento del nivel del mar. A pesar de ello, la descarga de hielo, el balance de masa glaciar y el volumen total de hielo en la región siguen presentando incertidumbres. Además, aunque los glaciares de la periferia antártica actualmente contribuyen de forma modesta al aumento del nivel del mar, su contribución desde el presente hasta el final del siglo XXI se estima que aumentará substancialmente. Esta tesis pretende desarrollar métodos de procesado y análisis de datos que nos permitan generar datos novedosos relativos a los glaciares en la región de la Península Antártica. Esto se conseguirá usando técnicas de teledetección tales como imágenes de radar y ópticas, así como modelos numéricos para inferir la distribución de espesores del manto de hielo de la Península Antártica (APIS), con el objetivo de mejorar las estimaciones de descarga y volumen total de hielo en la región. Presentamos en primer lugar los conceptos básicos de teledetección, incluyendo técnicas como el radar de apertura sintética (SAR), InSAR, DInSAR y "offset-tracking". Se presentarán asimismo técnicas para tratamiento de imágenes ópticas y de mapas digitales de elevación (DEM). Nos centraremos después en la simulación del flujo glaciar, describiendo las ecuaciones que lo gobiernan (conservación de masa y momento, reología) y aproximaciones como la de hielos someros y plasticidad perfecta, utilizadas para inferir el espesor de hielo del APIS. Las islas Shetland del Sur (SSI), situadas al norte de la Península Antártica, carecen de una estimación de balance de masa geodésico del conjunto del archipiélago. En consecuencia, estimaremos su balance de masa geodésico durante el periodo 2013-2017. Nuestra estimación se basa en datos SAR interferométricos y multiespectrales que cubren el 96% de las zonas glaciadas de las islas consideradas en nuestro estudio y el 73% del total de área glaciada de las SSI. Nuestros resultados muestran un balance de masa específico solo ligeramente negativo de 0.106 ± 0.007 m w.e. a-¹ y un cambio de masa de 238 ± 12 Mt a-¹. Estos resultados son consistentes con una estimación del balance de masa geodésico a mayor escala y con medidas del balance de masa glaciológico en las SSI para el mismo periodo de estudio. Son también compatibles con la tendencia al enfriamiento observada en la región entre 1998 y mediados de los años 2010. Hemos calculado la descarga de hielo del sector del APIS al norte de los 70ºS para los cinco modelos de espesor de hielo más habitualmente utilizados, usando el mismo campo de velocidades y un mismo conjunto de puertas de flujo en todos los casos. De esta forma, la diferencia en los resultados es únicamente atribuible a la diferencia en espesores de hielo en las puertas de flujo. La descarga de hielo volumétrica para 2015-2017 varía entre 45-141 km³ a-¹, dependiendo del modelo de espesor de hielo utilizado, con un valor medio de 87 ± 44 km³ a-¹. Las diferencias substanciales entre los resultados de descarga de hielo y una desviación media cuadrática normalizada multimodelo de 0.91 para el conjunto de datos revelan amplias diferencias e inconsistencias entre los modelos de espesor de hielo. Esto pone de manifiesto la escasez de medidas apropiadas del espesor de hielo y las dificultades de los modelos disponibles para reconstruir los espesores de hielo de esta compleja región. Motivados por esta incertidumbre en la distribución de espesores de hielo, usamos un método de elementos finitos para inferir el espesor de hielo del APIS al norte de los 70ºS aplicando una aproximación de dos pasos. El primer paso usa dos hipótesis, la aproximación de hielos someros (SIA) y la plasticidad perfecta (PP). El segundo paso usa la ecuación de conservación de masa para estimar el espesor en regiones de flujo rápido de hielo para superar las limitaciones de SIA y PP en la zona terminal de los glaciares. Conseguimos mejoras adicionales mediante ajuste manual de la frontera de los glaciares y usando nuevas formas de tratar los parámetros reológicos a lo largo de los márgenes glaciares. La aplicación del modelo a nuestra zona de estudio resultó en un volumen de hielo total de 28.7 ± 6.8 10³ km³ y en una descarga glaciar de 95.0 ± 14.3 km³ a-¹.