La glace terrestre du Groenland et de l'Antarctique est une composante très dynamique de la cryosphère qui contribue significativement à l'élévation du niveau de la mer. Elle englobe à la fois les calottes polaires et les glaciers périphériques qui les entourent. En réaction au changement climatique, la glace terrestre répond de façon très contrastée spatialement.
Trois principales méthodes de télédétection ont été utilisées pour estimer les variations de masse de glace au Groenland et en Antarctique : la gravimétrie, la méthode de différenciation d’altitude et la méthode du bilan de masse.
Cependant, un écart important subsiste entre les résultats obtenus. Parmi ces techniques, la méthode de différenciation d’altitude, basée sur l’altimétrie satellite radar ou laser, présente une résolution de 1 km au mieux, trop grossière pour reproduire correctement les zones montagneuses du Groenland et de l’Antarctique. Pour contourner cette limite, ce travail de thèse se propose donc de fournir une nouvelle estimation des variations de masse de glace sur la Péninsule Antarctique (2007-2021) et au Groenland (2007-2020) en s'appuyant sur des modèles numériques de terrain (MNT) à haute résolution (30×30 m) et l’altimétrie laser.
L'archive SPOT5-HRS, accessible publiquement depuis 2021, constitue un jeu de données d’images stéréoscopiques très prometteur mais peu exploité à ce jour. En particulier, le programme SPIRIT (Korona et al., 2009) a réalisé au milieu des années 2000 des acquisitions spécifiques sur les marges du Groenland et de l’Antarctique qui n’ont pas encore fait l’objet d’un traitement exhaustif.
Nous combinons ainsi 476 MNTs dérivés de ces images satellites (2006-2008) et 2 525 MNTs du jeu de données REMA (2020-2022; Howat et al., 2019) afin de cartographier les changements d’altitude sur l’ensemble de la Péninsule Antarctique. Sur les marges du Groenland, nous générons 367 MNTs à partir des images SPOT5-HRS, que nous complétons par 199 MNTs ASTER couvrant les parties Nord et Est, entre 2007 et 2008. Nous les comparons à 15 656 MNTs issus de l’ArcticDEM (2019-2021; Porter et al., 2022) afin de calculer des cartes de différence d’altitude. Nous ajustons verticalement les MNTs à l’aide de mesures altimétriques laser ICESat/-2 quasi-coïncidentes. Ces cartes de changement d’altitude couvrent 70% de la calotte polaire de la Péninsule Antarctique et 60% de ses glaciers périphériques, ainsi que 53% des marges de la calotte polaire groenlandaise et 58% de ses glaciers périphériques. Elles incluent des régions peu étudiées jusqu'ici et révèlent des motifs spatiaux complexes. Afin d'obtenir des cartes complètes de changement d'altitude, nous appliquons une interpolation hypsométrique. Dans le centre du Groenland, nous la complétons par les cartes de changement d'altitude issues des points de recoupement ICESat/-2. Des modèles reproduisant les changements du contenu en air du névé et la déformation de la Terre solide sont enfin intégrés afin d'isoler les changement liés à la glace.
Après correction, nous observons qu’entre 2007 et 2021, la calotte polaire de la Péninsule Antarctique a perdu 27 ± 9 Gt/a et ses glaciers périphériques 14 ± 2 Gt/a. Pour la calotte polaire, notre nouvelle estimation est quatre à cinq fois plus négative que celle obtenue dans IMBIE (Otosaka et al., 2023) par altimétrie (-5 ± 2 Gt/a de 2007 à 2019) et correspond mieux aux résultats des autres méthodes. Sur le Groenland, nous obtenons un changement de masse de -226 ± 46 Gt/a pour la calotte polaire et de -29 ± 4 Gt/a pour les glaciers périphériques sur la période 2007-2020. Cette valeur est cohérente avec les estimations IMBIE, à nouveau légèrement plus négative que l’estimation altimétrique (-214 ± 16 Gt/a de 2007 à 2019). Ce travail souligne ainsi l’importance de déterminer avec précision les changement d’altitude à fine échelle dans des zones côtières des glaciers et calottes polaires, particulièrement complexes et dynamiques. |
Land ice in Greenland and Antarctica is a highly dynamic component of the cryosphere that significantly contributes to sea-level rise. It encompasses both the ice sheets and the surrounding peripheral glaciers, which exhibit spatially contrasted responses to the ongoing anthropogenic climate changes. Three main remote sensing methods have tried to estimate the mass changes of land ice in Greenland and Antarctica over the past decades, known as gravimetry, the elevation-differencing method and the mass budget method. However, a large spread remains between the mass changes obtained, even over smaller regions such as the Antarctic Peninsula. Among these techniques, the elevation-differencing method based on satellite (radar or laser) altimetry has a resolution of, at best, 1 km, which is too coarse to resolve the mountainous areas of Greenland and Antarctica. Therefore, the aim of this PhD work is to provide a new estimate of mass changes across the Antarctic Peninsula (2007-2021) and Greenland (2007-2020) based on high resolution digital elevation models (DEMs; 30×30 m) and laser altimetry.
The SPOT5-HRS archive, publicly acessible since 2021, constitutes a promising dataset of stereoscopic images largely unexploited so far. In particular, the SPIRIT program citep{koronaspirit2009} conducted specific acquisitions on the margins of Greenland and Antarctica in the mid-2000s that have not yet been extensively processed.
We thus combine 476 DEMs derived from SPOT5-HRS satellite images (2006-2008) and 2,525 DEMs of the Reference Elevation Model of Antarctica (2020-2022; Howat et al., 2019) to map elevation changes for the entire Antarctica Peninsula. Over Greenland margins, we generate 367 DEMs from the SPOT5-HRS archive that we complement with 199 ASTER DEMs on the northern and eastern parts, between 2007 and 2008. We compare them with 15 656 DEMs from the ArcticDEM (2019-2021; Porter et al., 2022) to calculate elevation difference maps. We coregister all DEMs to a reference DEM based on TanDEM-X acquisitions and vertically adjust them using near-coincident ICESat/-2 laser altimetry measurements. Our elevation change observations based on DEMs cover 70% of the Antarctica Peninsula Ice Sheet and 60% of its peripheral glaciers, and 53% of the Greenland Ice Sheet margins and 58% of its peripheral glaciers. They include regions poorly studied to date, and reveal a spatially complex pattern of elevation changes.
To get complete elevation change maps, we apply an hypsometric interpolation that we supplement with laser altimetry elevation changes derived from ICESat/ICESat-2 cross-over points in the central areas of Greenland. Different models of firn air content and solid-Earth viscoelastic response are considered to isolate ice elevation changes from the observed changes.
After correction, we find that between 2007 and 2021, the Antarctica Peninsula Ice Sheet lost 27 ± 9 Gt/a while its peripheral glaciers lost 14 ± 2 Gt/a. For the ice sheet, our new estimate is four to five times more negative than the one obtained in IMBIE (Otosaka et al., 2023) using altimetry data (-5 ± 2 Gt/a from 2007 to 2019) and in better agreement with gravimetry and the mass budget method. Regarding Greenland, we find a negative mass change of -226 ± 46 Gt/a for the ice sheet and of -29 ± 4 Gt/a for the peripheral glaciers over 2007-2020. This value is in range with the IMBIE estimates from the three methods, again slightly more negative than the altimetry estimate (-214 ± 16 Gt/a from 2007 to 2019). Our study thus highlights the importance of resolving fine scale elevation changes of glaciers and ice sheets in complex, dynamic coastal areas. |