研究文章 地球物理学

南极西部冰盖崩溃后,冰期后的快速反弹加剧了全球海平面的上升

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十搏欧洲杯直播官网2021年4月30日:
7卷,没有。18日,eabf7787
DOI: 10.1126 / sciadv.abf7787

抽象的

大地测量,地震和地质证据表明,西南极洲通过低粘度浅地幔是下层的。因此,随着西南冰板(WAIS)的海洋为基于海洋的部门,在过去的中间夹层期间撤退,或者将来会在未来撤退,暴露的基岩将迅速反弹,并将熔融融入开阔的海洋中。以前的研究表明,对全球平均海平面(GMSL)上升的这种贡献很小,并且慢慢发生。我们利用海平面预测挑战这一概念,该概念包含出outflux机构和复杂的三维粘弹性地幔结构。在最后一个中间爆裂的情况下,从WAIS崩溃的GMSL贡献通常被引用为〜3到4米,outflux机制贡献了〜1米的额外GMSL变化〜1千年的崩溃。使用未来WAIS崩溃的投影,我们还证明了Outflux可以在下个世纪基本上放大GMSL上升估计。

介绍

GPS观察到西南极的Amundsen海上媒体封闭近期质量通量附近的快速地壳隆起率在该地区下方的浅层上部地幔中的粘度(〜4×1018PA S)大约比典型的上部地幔值小约两个数量级,厚度为50至60公里(1)。该推断得到了西南极洲下面的结构的地震断层摄影成像,揭示了一种薄的岩石圈和一个浅地幔,其特征在于由东南极克拉顿的寒冷,厚的岩石圈的异常缓慢速度为特征(2-4.)。此外,南极西部裂谷系广泛存在的基性火山活动和地球物理勘探等地质证据(5.-7.),以及海军部山脉伸展和动态隆升的地幔流动模拟(8.),强烈地支持这些地震速度异常的热(即,高温)解释。

接地后提供冰海洋部门南极西部冰盖(极冰原),粘弹性地壳反弹将稳步减少住宿空间的体积融水从冰原撤退,从而提高全球平均海平面上升(GMSL)在开放海域(9.-14)。以前的西南极洲海洋部门效果的地球物理建模二维(1D)(即深度变化)粘度模型,源自冰川等衰老(GIA)的研究(10-12),其特征在于厚的岩石圈和上部地幔粘度约为5×1020.至10 × 1020.pa s(1516)。一个使用这些固体-地球特性的模拟将WAIS坍塌的情况视为GMSL上升3.26米(10)。他们发现,外壳反弹的幅度将小,瞬时弹性贡献加入〜0.05米至GMSL和额外的粘弹性贡献,从2千年(KA)〜0.05米(Ka)到0.3至0.4米10 ka(图1一个阴影区域)。另一个仅在WAIS完全冰川消失后500年的模拟发现,GMSL与这段时间内的弹性贡献仅略有不同(12)。

Fig. 1 Time series of GMSL after WAIS collapse.

(A) Evolution of GMSL for a simulation of sea level change driven by WAIS collapse in the scenario B2009 (see Introduction), as described in (10). Solid line: Prediction based on the 3D viscoelastic Earth model V3DSD summarized in Fig. 2 (A and B) and an instantaneous deglaciation. Shaded region: The range of the viscoelastic contribution to GMSL reproduced from (10) for the case of a collapse of WAIS over a 500-year time scale. (B) Evolution of GMSL for two simulations of sea level change driven by the PSU3D1 scenario of WAIS collapse (17), as shown in Fig. 2F, with changes in EAIS masked out. Solid line: Prediction based on the 3D viscoelastic Earth model V3DSD summarized in Fig. 2 (A and B) and an instantaneous deglaciation. Dashed-dotted line: Same as solid line, with the exception that a 2000-year deglaciation was adopted. The y axis in both panels begins at the GMSL computed without the contribution from uplift of exposed marine-based sectors for the associated collapse scenario [3.20 m for B2009 in (A) and 3.76 m for PSU3D1 in (B)].

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图。1 WAIS崩溃后GMSL的时间序列。

一种)GMSL的演变,用于模拟Sea Level在情景B2009(参见简介)中的WAIS崩溃驱动的海平面变化(如下所述)10)。实线:基于3D粘弹性地球模型V3D的预测SD.总结了图2(a和b)以及瞬间的冰川消退。阴影区域:粘弹性贡献的范围从(10)对于WAIS崩溃的情况超过500年的时间。(B.“GMSL的演变为两种模拟的海平面变化由PSU3D1的WAIS崩溃的场景(17),如图2 f,eais的变化被掩盖了。实线:基于3D粘弹性地球模型V3D的预测SD.总结了图2(a和b)以及瞬间的冰川消退。虚线:与实线相同,只是采用了2000年的去冰期。的y两个面板中的轴开始于GMSL计算,而不从相关的崩溃方案提升到所公开的崩溃方案的隆起的贡献[3.20 m在(a)中的b2009和3.76 m中的psu3d1]。

冰床建模研究还考虑了对WAIS的基于海洋的海洋部门的后缘隆起的GMSL的贡献[例如,(17)]。有一些最近的例外情况(1314),这些研究通常是指冰质量损失的体积“上面的浮选”,其通常包括冰下的基岩隆起的时间依赖性计算,并在模拟上有相关的水容纳空间减少。然而,在这种计算中采用的基岩隆起通常不包括外壳的瞬时弹性隆起,并且隆起的升级时间量表被建模为简单的指数衰减,其太长而无法适当地反映出低粘度地区(我们返回下面的这个问题)。

南极西部异常低黏度的浅层地幔的存在,以及最近对冰川质量损失的快速上升的直接观测(1)提出,需要重新评估由于南极西部冰川退缩(以及任何相关的引力效应)导致的冰期后反弹所导致的GMSL上升。在此,我们利用这些观测结果重新评估了GMSL对WAIS退缩的响应,重点讨论了间冰期GMSL上升的外流机制的含义,以及外流对GMSL的影响,以预测未来几个世纪WAIS的退缩。

许多研究探讨了AIS在间冰期对海平面的贡献(18)或全球变暖(1017)。例如,上面引用的WAIS的GMSL估计基于采用海洋冰盖不稳定性假设的模拟,在分析南极冰厚度和基岩地形的更新地图中10)。该估计通常被引用为WAIS在上一个中间夹层(LIG;〜130至116 kA)期间峰值GMSL的最大贡献(19-23)。因此,南极对LIG的总贡献高于此,就意味着南极东部冰盖(EAIS)的融化(24-26)。此外,当结合与格陵兰冰盖相关的GMSL变化的独立估计(182427-29),山冰川(30.)和热膨胀(31),3.26米的估计导致了在Lig期间广泛引用的峰值GMSL估计的下限[5.5至9米;(1932)]不需要eais的贡献,而上限可能是(33)。

最近和更广泛的可能的南极熔体情景由南极支撑模型相互熟悉的项目(ABUMIP)提供,该项目探讨了大量冰板模型的响应,以冰架的总损失以及支撑件的相关减少(17)。该实验旨在探索500年来海洋冰原不稳定性对AIS稳定性的最大可能影响,结果显示WAIS对GMSL的贡献范围为1.91 ~ 5.08 m。这些数值反映了500年模拟过程中浮冰体积净变化的计算GMSL当量,因此,它们包括了WAIS海基区域下隆升对GMSL的贡献。然而,我们获得了几乎相同的GMSL值,假设没有出流的水从这些领域,使用的初始和最终状态的一个子集ABUMIP模拟,这表明500年的结合时间和相对较长的地壳隆升的时间尺度采用实验导致了微不足道的隆起。

在下面的结果中,我们跟踪总GMSL随着时间的推移而变化,使用(10),此后的B2009,以及以下五个ABUMIP模拟子集:PSU3D1, SICOPOLIS, f.ETISh, CISM,和GRISLI (17)。在我们的海平面预测中,后五种情况与在相关冰盖模拟中使用的基岩地形模型相结合:34)对于F.Tish和BedMap2(图2 c)(35)对于剩下的时间。除了下面讨论的一种情况外,我们考虑从EAI融化后的GMSL变化,所有基于这些熔体情景的预测掩盖了EAI内的任何冰块变化。我们使用这一套情景来探讨通过振奋的西南极地区的熔融水源驱动的Meltwater Outflux可能贡献,以及该贡献的时间规模,用于一系列不同的WAIS崩溃方案。我们在这些情况下的预测将在崩溃后延长10 ka。

Fig. 2 3D viscoelastic Earth models used in calculations.

(A) Elastic lithospheric thickness and (B) mean viscosity from the base of the lithosphere to 400-km depth across Antarctica and the Southern Ocean for the Earth model V3DSD used in the majority of results described in the main text. Labels EL and MBL indicate the location of Ellsworth Land and Marie Byrd Land, respectively. The symbols indicate the location of GPS sites in inferences of mantle viscosity by (49) in the southern Antarctic Peninsula (squares) and (1) in the Amundsen Sea Embayment (triangles). (C) Antarctic bedrock topography from Bedmap2 (35). (D and E) As in (A) and (B) but with the alternative 3D viscoelastic Earth model V3DRH discussed in Materials and Methods. (F) Final grounded ice configuration in the ice sheet simulation PSU3D1 (17), with the red line showing the initial ice extent.

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图2 用于计算的三维粘弹性地球模型。

一种)弹性岩石圈厚度及(B.)平均粘度从岩石圈的底部到400公里深度跨南极和南海的地球模型V3DSD.用于主要文本中描述的大多数结果。Labels El和MBL分别表明Ellsworth Land和Marie Byrd Land的位置。符号表示GPS位点在地幔粘度推断下的位置(49)在南极半岛(正方形)和(1)在Amundsen Sea Embayment(三角形)。(C) Bedmap2的南极基岩地形(35)。(D.E.)与(A)和(B)相同,但使用替代的3D粘弹性地球模型V3DRH.用材料和方法讨论。(F)冰原模拟PSU3D1的最终搁浅冰配置(17),红线表示初始结冰范围。

最后,我们还考虑了外流机制对未来几个世纪GMSL上升预测的潜在影响。具体来说,我们使用PSU冰架模型计算与AIS演化相关的海平面变化(36)受代表浓度途径(RCP) 8.5情景(37),气候迫使实施(38),水箱和冰峭壁物理学已经关闭,使得在EAI的海洋部门中发生最小的冰损。PSU模型采用浅层冰和浅架近似的混合组合,横跨接地线的磁通量的参数化(39),已广泛应用于AIS的近期古及未来研究,包括(17)。我们的模拟产生的21世纪WAIS浮冰在模型预测范围内(40),并在约500年内,WAIS的海洋部分几乎完全崩溃。

地幔粘度的横向变化对GIA工艺产生了强烈影响,我们考虑了一组3D地球模型来说明这种敏感性。通过将岩散厚度变化的所选择的岩石厚度变化模型组合来构造模型,该模型通过缩放高分辨率地震剪切波断层扫描模型用于南极的粘度场。在第一模型中,详细描述(41),从(42)在南极洲和(43)其他地方。型号型南极洲的型号厚度从〜50到70公里处变化到东南南极洲的克拉内地区大于200公里(图2一个)。我们使用剪切波速度产生横向粘度变化(V.S.)两个高分辨率区域层析成像模型的异常[(44极冰原);(45)和全球背景模型S40RTS (46)。对于每个地震模型,V.S.使用与深度相关的线性比例因子(47),然后用平滑算法合并所得的黏度场(4148)。岩石圈底部的径向平均粘度在西南极洲下方400公里的深度范围内变化6×1018到2×1020.pa s(图2 b)。

该模型在Amundsen海上扶盟附近的平均粘度(〜1019在南极半岛的南部(~1020.(Pa s)的结论与根据(1) 和 (49), 分别。巴莱塔。(1)将浅地幔粘度分解成两层:首先从岩石圈的底部延伸到200公里的深度,第二米,从200至400公里的深度。发现它们在这些深度区域中的粘度的推论被发现强烈相关,因此只有平均值,〜1019PA S,由数据独特地限制。请注意,西南极洲下面的低粘度区域与瓦斯的基于基于海洋的部门,包括Amundsen Sea Embayments,Ellsworth Land和Marie Byrd Land(图2,a到c)。因此,我们将该3D粘度模型标记为V3DSD.

以下结果还包括基于三个其他3D粘弹性地球模型的海平预测。前两个与地球模型V3D相同SD.以上描述,但是从地震速度映射到粘度的映射,从而降低了来自背景1D粘度模型(参见材料和方法)的搭腔粘度的峰横向变化(V3DSD-)和增加(V3DSD +)分别为半级。最终的地球模型(V3DRH.)由独立的地震约束构造和用于将地震速度异常映射到粘度和岩石厚度的不同程序,如材料和方法所述(图2,D和E)。

结果

WAIS折叠低粘度上部地幔

我们使用一种理论计算了超过10ka的GIA导致的海平面变化,该理论准确地解释了水流入地面、海洋冰空出的区域,以及地球重力场的扰动、地壳高程和旋转状态(见材料和方法)。首先,我们采用了两种融化情景,其特征是WAIS的海洋区域几乎完全崩溃(图2 c)。首先是我们称为B2009的场景[(10),见图S2],第二个为(中PSU3D1场景17)。B2009假设我们在无暴露的海洋部门的隆起的假设下计算的GMSL上升是B2009的3.20米,这近似同意(涉及)的3.26米(10)。PSU3D1方案的类似价值为3.76米,第二个方案中的后滚展冰盖显示在图2 f

孤立和评估西南极洲海洋型部门的粘弹性隆起的时间规模将继续超越熔体阶段,我们最初采用了对这些部门的瞬时谴责。为了计算每个场景的GMSL变化,我们跟踪在仿真过程中离开西南极洲的融合总量,并将开放海洋的区域除以,其中开阔的海洋被定义为初始区域外的区域基于海洋的冰。暴露的瞬时弹性反弹,西南极洲的海洋为基础的扇区增加了熔化方案的熔体相结束时的净gmsl〜0.2米(图1,A和B.,实线)。这些扇区的随后粘弹性隆起另外〜0.8米。因此,由于熔融水的越来越多,从升高西南极洲的海洋部门的熔融水源的净贡献是〜1米,使B2009和PSU3D1场景的总GMSL分别增加到4.20和4.78米。

在解放之后,在与冰熔融区重合的局部区域发生粘弹性的WAIS的粘弹性隆起。图3.在PSU3D1情景中追踪这种抬升模式。由于西南极洲地区的低粘度设置,在这种情况下,预测的西南极洲海平面下降的峰值幅度在500年内迅速增加到435米,最终在610米的值上趋于稳定(图3,B到D.)。这种快速隆起反映在GMSL上升(图1 b),其在仅1000年(0.83米)中,达到了总量机制的总量(1.02米)的81%贡献。

Fig. 3 Postglacial sea level change after WAIS collapse.

Snapshots of predicted sea level changes (A to D) 0, 500, 2000, and 4000 years after an instantaneous collapse of marine-based sectors of WAIS, based on the PSU3D1 scenario [(17); see Fig. 2F]. Calculations were performed using the 3D viscoelastic Earth model V3DSD summarized in Fig. 2 (A and B). The thin blue line on each frame shows the areal extent of ice that melts in the PSU3D1 ice sheet simulation [(17); see Fig. 2F].

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图3. WAIS崩塌后冰期后海平面变化。

预测的海平面变化的快照(一种D.)基于PSU3D1场景[(17);看到图2 f]。使用3D粘弹性地球模型V3D进行计算SD.总结了图2(a和b)。每个框架上的薄蓝线显示了PSU3D1冰盖模拟中熔化的冰的面积[(17);看到图2 f]。

使用B2009和PSU3D1熔化方案从外汇机制到GMSL的预测贡献之间的一致性表明,任何涉及全部崩溃的WAIS的完全崩溃的情况将在以前的估计范围内升高GMSL〜1M以上〜〜1000年。这显着大于以前的贡献估计数(例如,图1一个阴影区域)。我们得出的结论是,GMSL的峰值上升了3.3 m,这在LIG文献中经常被引用(19-23)被严重低估了高达30%。

WAIS崩溃的海平面指纹

为了研究WAIS融水分布的几何形态,我们接下来考虑了在瞬时融水事件发生后和2 ka之后全球海洋的总海平面变化,使用PSU3D1融水情景(图4.)。第一种情况下的熔融水再分配反映了纯粹的弹性响应,其中海拔在熔化冰盖附近,由于外壳的外壳弹性隆起的综合影响和海洋上较小的Wais的减少的重力拉动(图4)(10-12)。在这一区之外,海平面一般随着离南极腹地的距离的增加而逐渐增加,这是由于多余的融水(即未被当地海洋部门捕获的融水)移出南极洲所致。远场海平面上升在东北太平洋达到最大~5.1 m,在印度洋有一个~5.0 m的次级高峰。这些山峰的位置在很大程度上反映了负载驱动的地球旋转轴方向变化在海平面上的反馈,其特征是南旋转轴向西南极洲移动约300米。两千年后(图4 b),粘弹性调节产生围绕WAIS周边的局部沉降区,其特征在于峰海平面升高〜31.4米(注意彩杆在此幅度下饱和)。在该地区之外,粘性效果显着降低了纯粹弹性响应中预测的海平面的梯度,并且在东北太平洋和印度洋两者都保持了〜5米的峰值远场海平面变化。

图4. WAIS崩溃后的全球海平面变化。

预测海平面变化(一种) 0及(B.)基于PSU3D1情景,WAIS海基扇区瞬间崩溃后2ka (图2 f)(17),并采用三维粘弹性地球模型V3D进行计算SD.总结了图2(a和b)

这种结果对跨越外爆地区的特定地点的相对海平面变化有影响,如涉及的远场现场的预测所示,包括在西南极洲(C)的地壳隆起驱动的水驱动图5.,实线和虚线)。如上所述,与模型崩塌相关的重力和变形效应最初会导致融水从南极洲西部迁移(图4),在两种预测中解释了该网站〜5米的早期海平面上升。随后的全球粘性调整,特别是西南极洲周边凸起的沉降会随着时间的推移减少远场海平面(50)。这种放松导致快速,单调的海平面落在没有水驱动的情况下预测的(图5.,虚线)。相反,当包括水驱动效应时,由于全球范围的粘性松弛,海平面下降几乎完全由与西南极洲的持续水通量相关的海平面上升,并且预测的海平面仍然相对跨越模拟(图5., 实线)。这提出了一个重要问题。人们期望在解放后的时间速度升高,距离远处的海平面(〜4.73米)图5.(实线)应该能相对准确地反映GMSL总量。通过纳入流出机制计算出的GMSL上升(4.78 m)可以做到这一点,但忽略这一贡献(3.76 m)的GMSL计算没有做到这一点。

Fig. 5 Sea level change at Eleuthera, Bahamas, in the far field of WAIS.

Solid line: Predicted sea level change at Eleuthera, Bahamas, in the far field of WAIS for the simulation based on the PSU3D1 melt scenario (Fig. 2F) (17) and the 3D viscoelastic Earth model V3DSD (Fig. 2, A and B). The dashed line is analogous to the solid line, with the exception that only ice above floatation before the deglaciation is melted, and no outflux of water from rebounding marine sectors of WAIS is permitted (in this case, the GMSL rise is 3.76 m across the entire simulation; see The sea level fingerprint of WAIS collapse).

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图5. 海平面变化在伊柳塞拉,巴哈马群岛,在遥远的领域,WAIS。

实线:在巴哈马州Eleuthera的预测海平面变化,在WAIS的远场,基于PSU3D1熔体场景的仿真(图2 f)(17)和3D粘弹性地球模型V3DSD.图2,A和B.)。虚线类似于实线,除了在融化之前仅浮动的冰浮动,允许从瓦斯的反弹海洋部门的水偏移(在这种情况下,GMSL上升为3.76米整个模拟;看到WAIS崩溃的海平面指纹)。

敏感性测试

在本节中,我们研究了我们对海平面预测的各个方面的结果的敏感性。首先,我们基于3D地球模型V3D重复预测SD.和PSU3D1情景下的WAIS崩溃图1 b(实线)但采用2 ka的熔体持续时间(同一图上的虚线线)。在LIG的气候模拟中通常观察到这一时间级(18)。在这种情况下,GMSL再次在4.78米处再次达到峰值,并且在熔体阶段结束时,与外部流量机制(0.91米)相关的GMSL的贡献已经达到了最终贡献的89%(1.02米)。

接下来,我们考虑基于WAIS坍塌情景PSU3D1的预测对采用的3D粘弹性地球模型(图6)。正如我们所指出的那样,地球模型V3DSD-和v3d.SD +是用V3D制作的吗SD.通过减小和增加峰值横向粘度变化的大小,分别叠加在背景1D粘度模型上的一半级。因此,在生成地球模型V3D时SD +,粘度值在V3DSD.高于背景1D模型的则增加,低于背景值的则减少。GMSL的预测对粘度场的这种扰动水平相对不敏感(图6)。当地球模型V3D时,敏感度更高RH.被认为。比较图2 b图2 e表明后者的粘度比PSU3D1场景中的熔体区域略高于前者(图2 f;另见图S1),结果是从外流动机制到GMSL的中等较慢的节奏贡献。

Fig. 6 Time series of GMSL after WAIS collapse for different Earth models and melt geometries.

(A) Evolution of GMSL for four simulations of sea level change driven by WAIS collapse scenario PSU3D1 (Fig. 2F) (17). Each simulation adopts a different viscoelastic Earth model. Solid, dashed, and dotted blue lines: Earth models V3DSD (Fig. 2, A and B), V3DSD+, and V3DSD–, respectively (see Sensitivity tests). Solid purple line: Earth model V3DRH (Fig. 2, D and E). (B) Evolution of GMSL due to uplift of marine-based sectors for five scenarios of WAIS collapse taken from (17), as labeled, and the 3D viscoelastic Earth model V3DSD (Fig. 2, A and B). The GMSL computed without the outflux mechanism (i.e., without uplift of exposed marine-based sectors) for each simulation is listed in the legend.

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图6 不同地球模型和熔体几何形态下WAIS坍塌后GMSL的时间序列。

一种)GMSL的演变为瓦斯崩溃情景PSU3D1驱动的四种海平面变化模拟图2 f)(17)。每个模拟采用不同的粘弹性地球模型。实线、虚线和虚线蓝线:地球模型V3DSD.图2,A和B.),V3DSD +和v3d.SD-分别(参见灵敏度测试)。纯紫线:地球模型V3DRH.图2,D和E)。(B.)由于海基区段上升而导致的GMSL的演变17),标有标记,3D粘弹性地球模型V3DSD.图2,A和B.)。在图例中列出了每个模拟的情况下,在没有outflux机制的情况下计算的GMSL(即,没有暴露的海洋为基础的扇区)。

最后,我们重复基于V3D的GMSL变化的计算SD.4种其他WAIS坍缩方案的地球模型(17)。图6 b示出了对来自Outflux机制的预测时间序列与每个场景中的每个场景的贡献以及几何PSU3D1的结果。的se results demonstrate, once again, that any scenario involving a near-full collapse of marine-based sectors of WAIS (e.g., PSU3D1, SICOPOLIS, and f.ETISh) will be characterized by a rapidly increasing contribution to GMSL from the outflux mechanism that peaks at ~1 m, or ~27 to 28% greater than each GMSL computed without this outflux. Expectedly, melt scenarios that only involve a partial collapse of WAIS (e.g., CISM and GRISLI) experience a smaller increase in GMSL associated with the outflux mechanism, for example, ~0.43 m or ~23% of the GMSL computed without accounting for uplift of any exposed, marine-based sectors of West Antarctica in the case of GRISLI. Analogous numbers for the CISM melt scenario are ~0.34 m or ~19%. Nevertheless, the time scale over which this contribution is established remains rapid and of the order ~1 ka.

与未来融化情况的相关性

我们的研究结果对未来全球变暖的GMSL变化预测也有一定的参考价值。在以前的千年时间尺度预测中。,(5152)],在与坍塌事件持续时间相比较的时间尺度上,与WAIS完全坍塌相关的GMSL上升估计将被放大约1米。此外,结果在图。16.表明Outflux机制也可能在百年时间尺度上很重要。要考虑此问题,我们执行与冰板模型相关的海平变化的最终计算(36)在RCP 8.5温室气体浓度轨迹下AIS撤退的投影(3738)。模型仿真在1950年开始的900年持续时间,由于海洋冰盖不稳定,大部分WAIS撤退〜2500。仿真开始和结束时的冰厚度显示在图7图7 b, 分别。

Fig. 7 Projected GMSL change in response to AIS mass flux simulated with RCP 8.5 climate forcing.

(A and B) Ice geometry at the start and end of an ice sheet simulation forced by a high-emission (RCP 8.5) scenario with the PSU ice sheet model (36). The red line in (B) shows the perimeter of the ice in frame (A). (C) Solid line: Evolution of the total GMSL computed using this ice history and the 3D viscoelastic Earth model V3DSD (Fig. 2, A and B). Dashed line: GMSL rise when the outflux mechanism is not included. The inset focuses on the GMSL results within the period 2000–2100 CE.

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图7 利用RCP 8.5气候强迫模拟AIS质量通量,预测GMSL变化。

一种B.)在PSU冰原模型的高排放(RCP 8.5)情景下,冰原模拟开始和结束时的冰几何形状(36)。(b)中的红线显示框架(a)中的冰的周边。(C实线:利用冰的历史和三维粘弹性地球模型V3D计算的GMSL总量的演化SD.图2,A和B.)。虚线:不包括出流量机制时GMSL上升。插图侧重于2000-2100期间内的GMSL结果。

GMSL上升总量采用三维粘弹性地球模型V3D计算SD.图7 c,以及GMSL时间序列,如果不包括流出机制。模拟结束时,总GMSL值达到3.68 m,比没有地壳隆起和水外流的情况(3.09 m)高出约19% (0.59 m)图7 c关注21世纪的成果。在这个世纪里,在没有这种机制的情况下计算出的GMSL会被溢出机制放大18%。综合考虑冰物理气候强迫和冰和地球模型参数需要充分评估对未来GMSL这种效应的影响,我们的研究结果表明,即使是世纪GMSL变化的预测应该占的体积水赶出南极洲西部地壳反弹。

讨论

来自西南极洲的水通量的GMSL的额外贡献已经被忽视或显着低估了在LIG期间GMSL上升预算的讨论(19-22)在LIG期间,在LIG期间耦合气候冰片研究中引用的GMSL变化的值[例如,(1824)]。这表明,在LIG期间限制个别来源对GMSL峰值贡献的努力可能需要重新评估。我们也证明,流出机制对特定地点的相对海平面历史有重大影响(图5.)。对LIG的海平面建模中的信号的准确处理不仅需要越野的潜水部门被列入建模(9.-1218),同时也解释了大部分waiis下的浅层地幔中低粘度区域的成因。这些结论也适用于先前的间冰期,在这些间冰期AIS的海基部分不稳定(53),包括eais中的那些。

南极基岩地形的比较(图2 c)与3D地球模型V3D相关的粘度字段SD.和v3d.RH.图2,B, E)表明,东南极洲海基区,特别是Wilkes盆地和Aurora盆地,相对接近地幔浅层的低粘度区。为了进一步探讨这个问题,我们跟踪了在PSU3D1和SICOPOLIS两种情况下发生的EAIS融化事件(在这些计算中,任何来自WAIS的融化都被掩盖在这些情况下;图8)。PSU3D1和SICOPOLIS计算的GMSL上升值分别为1.44 m和6.40 m。暴露海区抬升累积的GMSL值分别为0.08 m和0.57 m。与WAIS坍塌情况相反,大量的流出与瞬时融化同时发生:PSU3D1和SICOPOLIS情况分别为0.05 m和0.28 m (图8)。此外,GMSL的随后升高比与WAIS折叠事件相关的预测较慢(例如,实线图。1),反映了东南极地下的浅地幔中的相对较少的极端粘度值。

Fig. 8 Time series of GMSL after EAIS collapse.

Evolution of GMSL due to uplift of marine-based sectors for two scenarios of EAIS collapse taken from (17), as labeled, and the 3D viscoelastic Earth model V3DSD (Fig. 2, A and B). The GMSL computed without the outflux mechanism (i.e., without uplift of exposed marine-based sectors) for each simulation is listed in the legend. All mass changes within WAIS for the two melt scenarios are masked out.

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图8 EAIS崩溃后GMSL的时间序列。

GMSL的演变因升高的海洋部门的部门,两种情况的EAIS崩溃所取自(17),标有标记,3D粘弹性地球模型V3DSD.图2,A和B.)。在图例中列出了每个模拟的情况下,在没有outflux机制的情况下计算的GMSL(即,没有暴露的海洋为基础的扇区)。两个熔体情景的WAIS内的所有质量变化都被屏蔽。

我们已经表明,在AIS的任何海基部门崩溃之后,GMSL的上升将被冰期后反弹驱动的水外流迅速放大。这一机制在南极洲西部尤其重要,在那里,LIG期间海洋区域的全面崩溃将导致GMSL额外上升约1米,或比文献中通常引用的值高出约30%。在我们的模拟中,这种贡献很大程度上建立在~ 1ka或更小的范围内(虚线、图1 b)融化事件结束的时间。然而,我们把这个时间尺度解释为一个上限,因为我们的计算不包括任何海洋板块的持续上升,以响应之前的冰期循环。即使在WAIS的海洋部门没有完全崩溃的时期,CISM和GRISLI崩溃情景的结果(图6 b)以及通过RCP 8.5场景强制投影,表明水出流量机制将是重要的。这些情况下的水驱排水的幅度和速率取决于海洋暴露的详细几何形状和潜在的地幔粘度结构。无论是世纪还是千年时间尺度,这一额外贡献都是GMSL,以及达到的快速时间尺度,是WAIS独特设置的结果:冰盖在基岩上接地,基于位于当地海洋的基岩上水平,它是由一个异常的热,低粘度的搭腔和薄层圈的下层。

材料和方法

海平面的计算

海平面的计算是基于一个重力自洽的冰期海平面理论,该理论准确地解释了所有的变形、重力和旋转效应,以及由于地面、海洋冰区的周长变化而导致的海岸线迁移(54-56)。我们的海平面结果是使用有限体积数值格式(47)解决了麦克风粘弹性地球模型的响应,在地幔粘度结构中具有3D可变性的麦克风粘弹性地球模型与任意表面大众装载历史。

对于这项研究,我们使用相同的代码(57)和类似的网格,但具有更大的区域细化。它首先以横向均匀构建,以尊重所有第一和二阶初步参考地球模型(PREM)接口(58)。它有横跨地幔和岩石圈的67个放射状层,总共有1700万个网格点。节点间距变化较大:从地表到Mohorovičić不连续面(MOHO)在24.4 km深度为12 ~ 15 km,从MOHO到220 km深度为~25 km,到核-幔边界为~50 km。更准确的映射的粘度和岩石圈厚度变化负载近场,一个mid-edge节点细化应用在表面覆盖的南极+ 49°之间向海的边缘有界和57°年代和扩展从表面到地幔的基础。这一改进使上述分辨率提高了一倍,在南极地区形成了133个径向层,全球共有2700万个网格节点。

三维粘弹性地球模型的建立

为了模拟固体地球的瞬时弹性变形,我们采用了PREM (58)。由于弹性模态的现实横向变化对GIA具有微不足道的影响,我们在所有模拟中使用这种纯粹的1D弹性结构。相比之下,粘度的横向变化对Gia产生了强烈影响,我们构建了两个单独的3D地球模型以说明这种敏感性。我们首先定义径向平均粘度结构,该结构包括96米的弹性岩石圈,厚度粘度为1×1020.PA S,较低的碎片粘度为5×1021从670公里延伸到地核-地幔边界。

研究中使用的主要3D地球模型(V3DSD.;图2 b)在正文中有描述。构建第二个模型(V3DRH.;图2 e),我们使用SL2013SV地震层析成像模型(2),其中包含大量的表面波约束,这些约束对上地幔的结构特别敏感。V.S.首先转化为温度,T.,使用(59)包括在实验室变形实验中观察到的心性痉挛的影响。岩石厚度被认为是1175的深度οc等温线(图2 d)(4.)。岩石圈以外的温度可以用(60),认为位错蠕变粘度η与温度呈指数关系 η = η 0. exp. [ - H T. - T. 0. R. T. 0. T. ] 其中η.0.是上述背景径向粘度分布,H= 682 kj / mol是一个恒定的激活焓,R.摩尔气体常数是多少T.0.是岩石圈外的径向平均的搭式温度(这密切关注1333οC ASIABAT)。这种转化率为南部南极半岛下方的上部地幔粘度,这与推断相一致(49),黏度比(1)在阿蒙森湾下。

在400 km以下,我们采用全地幔SEMUCB-WM1层析成像模型(61)。V.S.首先通过假设焦化成分和使用Perple_x Gibbs自由能量最小化软件(62)和热力学数据库(63)获得弹性模量。我们使用Q5径向衰减曲线校正Anelastic效果(64)和适当的较低的地幔固体(65)。使用扩散蠕变激活焓曲线()将所得温度变化转换成粘度变化(59)400到660公里,其次是下部地幔型材(66)。

补充材料

https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/

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参考和笔记

致谢: 资助:本研究由研究基金会Québec-Nature et technologies (L.P.)、Star-Friedman Challenge (L.P.和K.L.)、NSF研究生研究基金ge1144152和ge1745303 (E.M.P.)、John D.和Catherine T. MacArthur基金会(J.X.M.)、NASA赠款NNX17AE17G (J.X.M.、E.M.P.和M.J.H.)支持。美国国家科学基金会(NSF)拨款OCE-1702684 (to J.X.M.)、美国化学学会石油研究基金拨款59062-DNI8 (to M.J.H.)、哈佛大学(to l.p.、e.m.p.、k.l.、J.X.M.和M.J.H.)、俄勒冈州立大学(to J.R.C.)、自然科学与工程研究委员会(to N.G.)和加拿大研究主席计划(to N.G.)。作者的贡献:l.p.、e.m.p.、k.l.和J.X.M.领导了这项研究,并从其他所有作者那里获得了大量的信息。通过与J.R.C.和P.U.C.的讨论,kl与E.M.P.和N.G.一起建立了本文所述的三维粘弹性地球模型,并与M.J.H.一起对材料与方法中所述的模型进行了重新计算。kl .与L.P.和e.m.p.合作,进行了海平面模拟,他们与J.X.M.合作,在一维地球模型上进行基准计算。l.p., e.m.p.和J.X.M.撰写了原始文本,并根据所有其他合著者的输入进行了修改。利益争夺:作者们宣称他们没有相互竞争的利益。数据和材料可用性:评估论文中结论所需的所有数据均在论文和/或补充资料中,并可在以下网站获取http://doi.org/10.5281/zenodo.4602323。这里采用的规范已经在之前的许多研究中使用过。在弹性地球模型上重建海平面指纹所需的Fortran代码图4)可在同一个链接中获得。使用任何备用AIS历史记录或3D粘弹性地球模型的GMSL计算可以通过K.L.,代码的开发人员来运行。可以从作者请求与本文相关的其他数据。

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