Snow characteristics in Dronning Maud Land, Antarctica

Abstract

Snow cover is very sensitive to climate change and has a large feedback effect on the climate system due to the high albedo. Snow covers almost all surfaces in Antarctica and small changes in snow properties can mean large changes in absorbed radiation. In the ongoing discussion of climatic change, the mass balance of Antarctica has received increasing focus during recent decades, since its reaction to global warming strongly influences sea-level change.

The aim of the present work was to examine the spatial and temporal variations in the physical and chemical characteristics of surface snow and annual accumulation rates in western Dronning Maud Land, Antarctica. The data were collected along a 350-km-long transect from the coast to the plateau during the years 1999-2004 as a part of the Finnish Antarctic Research Programme (FINNARP). The research focused on the most recent annual accumulation in the coastal area.

The results show that the distance from the sea, and the moisture source, was the most predominant factor controlling the variations in both physical (conductivity, grain size, oxygen isotope ratio and accumulation) and chemical snow properties. The sea-salt and sulphur-containing components predominated in the coastal region. The local influences of nunataks and topographic highs were also visible on snow. The variations in all measured properties were wide within single sites mostly due to redistribution by winds and sastrugi topography, which reveals the importance of the spatially representative measurements. The mean accumulations occurred on the ice shelf, in the coastal region and on the plateau: 312 ± 28, 215 ± 43 and 92 ± 25 mm w.e., respectively. Depth hoar layers were usually found under the thin ice crust and were associated with a low dielectric constant and high concentrations of nitrate. Taking into account the vast size of the Antarctic ice sheet and its geographic characteristics, it is important to extend investigation of the distribution of surface snow properties and accumulation to provide well-documented data.

Lumen ja jään peittämät polaarialueet ovat tärkeitä maapallon vallitsevalle ilmastolle, ja niiden on havaittu olevan hyvin herkkiä ilmastonmuutokselle. Alueiden nykyinen viilentävä vaikutus johtuu niiden korkeasta heijastuskyvystä, sillä kuiva lumi heijastaa jopa 90 % tulevasta auringon säteilystä takaisin avaruuteen. Heijastuskyvyn muutokset vaikuttavat maapallon lämpötaseeseen ja ilmastoon. Mannerjäätiköt ovat myös valtava makean veden varasto ja muutokset niiden massatasapainossa vaikuttavat ilmastoon, merenpinnan korkeuteen ja merivirtoihin.

Lumi peittää lähes koko Etelämantereen pinta-alan ja lisäksi talvisaikaan mantereen ympärille muodostuvan merijään. Pintalumipeitteellä on suuri vaikutus Etelämantereen kylmään ilmastoon, ja se tekee mantereesta yhden päätekijän koko maapallon ilmastosysteemissä. Pintalumen ominaisuudet vaikuttavat Etelämantereen heijastuskykyyn sekä myös satelliittikaukokartoituksen avulla tehtyihin havaintoihin. Jotta pystyisimme paremmin käyttämään hyväksi satelliittien ja numeeristen mallien antamaa tietoa, on pintalumen ominaisuudet sekä niiden alueelliset erot selvitettävä paikan päällä tehtävin havainnoin. Mannerjäätikön pinnalle satava lumi edustaa vuosittaista lisäystä massataseeseen. Massatasapaino on tärkeä jäätikön suure, ja kertoo sen tilasta. Etelämanner tarjoaa maailman puhtaimmat olosuhteet tutkia lumen kemiallista koostumusta. Kemiallisten pitoisuuksien alueelliset vaihtelut antavat tärkeätä tietoa, kun selvitetään aerosolien kulkeutumista ja tulkitaan syväkairauksista saatua ilmastohistoriaa. Lumen fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet kytkeytyvät toisiinsa, ja vallitsevat meteorologiset olosuhteet vaikuttavat niihin voimakkaasti.

Tämä väitöskirjatyö käsittelee pintalumipeitteen fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia, niiden alueellisia ja ajallisia vaihteluita sekä vuosittaista lumikertymää läntisellä Kuningatar Maudin maalla, Etelämantereella. FINNARP-1999, 2000 ja 2003 retkikuntien aikana tehdyt kenttämittaukset käsittävät 350 kilometrin mittauslinjan rannikolta sisämaahan ja pinnankorkeuden nousun merenpinnan tasosta aina 2500 metriin. Lumipeitteen rakennetta ja ominaisuuksia havainnoitiin 1-2 metriä syvistä lumikuopista ja samalla luminäytteitä kerättiin myöhempiä analyysejä varten. Tulokset osoittavat, että etäisyys merestä ja kosteuslähteestä hallitsi monia lumen fysikaalisia (sähkönjohtokyky, kidekoko, happi-isotooppien suhde, lumikertymä) ja kemiallisia ominaisuuksia (natrium-, kloori-, magnesium- ja sulfaatti pitoisuudet). Paikallisten topografisten kohoumien ja nunatakkien (=jäätiköstä läpityöntyvien vuorenhuippujen) vaikutus oli myös havaittavissa mittaustuloksista. Pienelläkin alueella vaihtelut olivat paikoin merkittäviä ja johtuivat voimakkaiden tuulten vaikutuksesta. Lumikertymäksi mitattiin rannikon jäähyllyllä 312±28 mm (vesiarvona ilmoitettuna) ja rannikkovuoristojen eteläpuolella 92±25 mm. Vaihtuvat sääolosuhteet ja lumessa tapahtuvat muodonmuutosprosessit muokkaavat lumipeitteen kerrosrakennetta. Mittausalueella lumipeitteessä havaittiin monia syväkuurakerroksia tuulen ja auringon muodostaman ohuiden jääkerrosten alla ja niissä oli alhainen dielektrisyys arvo sekä korkea nitraatin pitoisuus.