A Positive Feedback between Iceberg Calving and Local Sea Level through Hydrostatic Pressure

기술 요약: 빙산 분리(Iceberg Calving)와 국지적 해수면 사이의 정수압을 통한 양의 피드백

문제 제기
최근 수십 년 동안 그린란드와 남극 빙하의 질량 손실이 가속화되었으며, 빙산 분리는 이러한 손실의 주요하면서도 아직 불분명한 구성 요소이다. 기존 연구들은 빙하의 질량 손실이 중력 감소와 지각 상승으로 인해 국지적 해수면 하강을 유발한다는 점을 확립해 왔으나, 이 현상은 전통적으로 안정화(음의) 피드백으로 간-주되어 왔다. 구체적으로, 해수면 하강은 접지선(grounding line)에서의 수심을 감소시켜 빙하 유동을 줄이고 후퇴를 늦춘다. 그러나 국지적 해수면 하강이 접지된 빙하 전면부(grounded calving fronts)의 정수압을 감소시켜 빙산 분리를 촉진할 수 있는 상충하는 양의 피드백 메커니즘의 가능성은 빙하 모델링에서 여전히 탐구되지 않은 채 남아 있었다. 본 연구는 특히 급격한 빙하 손실을 겪고 있는 아문센해 분지(Amundsen Sea Embayment, ASE)를 중심으로, 이러한 양의 피드백이 빙하의 진화에 미치는 규모와 영향력을 다룬다.

방법론
저자들은 ISSM(Ice-sheet and Sea-level System Model)을 활용하여 파인 아일랜드(Pine Island) 및 스웨이츠(Thwaites) 빙하를 포함한 ASE 지역 서남극 빙류의 미래 진화를 시뮬레이션하였다. 연구에는 두 가지 주요 실험적 접근 방식이 사용되었다:

1. 이상적인 섭동 실험(Idealized Perturbation Experiments): 연구팀은 빙하 전면부, 접지선, 그리고 ASE 전체 영역에 대해 공간적으로 균일하게 규정된 해수면 하강( -1 m에서 -2 m 범위)을 적용하였다. 이 실험들은 특정 경계에서의 해수면 변화에 대한 빙산 분리와 빙하 유동의 반응을 분리하여 관찰하였다. 빙산 분리 과정은 von Mises 빙산 분리 법칙을 사용하여 모델링되었는데, 여기서 분리율은 인장 응력에 의존하며, 이 응력은 국지적 해수면을 통한 정수압에 의해 암묵적으로 민감하게 반응한다.
2. 완전 결합 시뮬레이션(Fully Coupled Simulations): 본 연구는 ISSM 빙하 모델과 ISSM-SESAW 해수면 모델 간의 비동기적 결합을 구현하였다. ISSM-SESAW는 탄성 지구상에서 표면 질량 재분배에 대응하는 중력 및 변형의 자기 일관적(self-consistent) 상대적 해수면 변화를 계산한다. 이 시뮬레이션에서 빙하 모델의 빙 두께 변화는 해수면 모델의 하중 역할을 하며, 해수면 모델은 업데이트된 상대적 해수면장을 매년 빙하 모델로 다시 전달한다.

시뮬레이션은 200년 동안 실행되었으며, 해수면 섭동이 없는 결합되지 않은 대조군 시뮬레이션과 결과를 비교하였다.

주요 결과
본 연구는 국지적 해수면 하강과 접지된 전면부에서의 빙산 분리 사이의 뚜렷한 양의 피드백 루프를 확인하였다:

• 빙하 전면부 민감도: 이상적인 실험에서, 빙하 전면부에만 해수면 하강을 적용했을 때 빙하 선반(ice shelf)의 급격한 붕괴와 가속화된 후퇴가 유발되었다. 대조군과 비교했을 때, 빙하 전면부에 적용된 1 m, 5 m, 20 m의 해수면 하강은 200년 동안 총 빙하 손실을 각각 99%, 139%, 305% 증가시켰다. 이는 감소된 정수압이 종방향 인장 응력을 증가시켜 균열 전파와 빙산 분리를 촉진했기 때문이다.
• 접지선 vs. 빙하 전면부: 반대로, 동일한 해수면 하강을 접지선에만 적용했을 때는 대조군 대비 빙하 손실을 15% 감소시키는 안정화 효과를 보였다. 이상적인 설정에서 전체 영역에 적용했을 경우, 이러한 상충하는 효과들이 서로 상쇄되었다.
• 완전 결합 역학: 해수면 변화가 공간적으로 가변적이고 동적으로 계산되는 완전 결합 시뮬레이션에서는 양의 빙산 분리 피드백이 우세했다. 완전 결합 시뮬레이션은 결합되지 않은 대조군에 비해 200년 동안 86% 더 많은 빙하 손실을 초래했다. 이러한 증가는 빙하 전면부가 후퇴함에 따라 종종 접지(grounded) 상태가 되어, 국지적 해수면 하강에 의한 불안정한 정수압 감소에 직접적으로 노출되었기 때문에 발생했다.
• 공간적 분포: 해수면 변화의 순 영향은 그 공간적 분포에 크게 의존한다. 결합 모델에서 비균질한 해수면장은 안정화되는 접지선 피드백보다 불안정화되는 빙산 분리 피드백이 더 크게 작용하도록 하였다.

의의 및 주장
본 논문은 빙하 유동뿐만 아니라 빙산 분리에 국지적 해수면 변화를 결합하는 것이 빙하 변화와 미래 해수면 상승을 정확하게 예측하는 데 필수적이라고 주장한다. 저자들은 접지된 전면부에서의 해수면 하강과 빙산 분리 사이의 양의 피드백을 간과할 경우 빙하 질량 손실을 크게 과소평가할 수 있다고 결론짓는다.

연구는 접지선에서의 해수면 하강에 의한 안정화 효과는 잘 입증되어 있으나, 빙하 전면부에서의 불안정화 효과가 이전에 정량화되지 않은 중요한 메커니즘임을 강조한다. 저자들은 자신들의 결과가 von Mises 분리 매개변수화와 탄성(viscoelastic이 아닌) 지구 모델의 사용을 포함한 특정 모델 가정에 의존한다고 언급한다. 또한 향-후 연구에서 이러한 피드백이 더 복잡한 지구 구조 가정 및 다양한 분리 매개변수화 하에서 어떻게 상호작용하는지 평가해야 한다고 제안한다. 그러나 해당 모델 구성 내에서, 양의 빙산 분리-해수면 피드백은 아문센해 부문에서 음의 접지선 피드백보다 지배적인 것으로 나타났다.