Why the Paleo Svalbard-Barents Sea Ice Sheet

The paleo Svalbard-Barents Sea Ice Sheet (SBSIS) complex is considered the best available past analogue to develop future projections for the present-day West Antarctic Ice Sheet, whose loss of stability is the major uncertainty in projecting future global sea level changes. Indeed, reconstructions of the Barents Sea paleo bathymetry suggest a similar background for climate evolution as for the West Antarctica. The Barents Sea was much shallower and partly emerged until the Late Pliocene (Butt et al., 2002; Laberg et al., 2012; Zieba et al., 2017), and gradually deepened due to substrate erosion during past glaciation until most of the SBSIS became marine-based (Laberg et al., 2010). In analogy with the modern West Antarctica, the SBSIS became more vulnerable to warm oceanic current (the North Atlantic Current) intrusion on the shallow continental shelf causing rapid melting and frequent instabilities of its grounding line, also amplified by the contemporaneous progressive sea level rise. The effects of such ice sheet destabilisation was a fast inland retreat of the ice front through collapses of large portions of the ice sheet and surge to the ocean causing pronounced sea level jumps (meltwater pulses).

Il paleo Svalbard-Barents Sea Ice Sheet (SBSIS) è considerato dai modellisti il miglior analogo su cui sviluppare le proiezioni future di stabilità dell'attuale calotta glaciale dell'Antartide occidentale che rappresenta il principale punto critico di incertezza per la costruzione di proiezioni future sul cambiamento globale del livello del mare. Fino al tardo Pliocene (circa 3 Milioni di anni fa), il Mare di Barents era meno profondo e in parte emerso (Butt et al., 2002; Laberg et al., 2012; Zieba et al., 2017). Successivamente, si è approfondito a causa della graduale erosione del substrato avvenuta durante le passate glaciazioni che hanno causato la progressiva trasformazione della base della calotta da substrato continentale a marino (Laberg et al., 2010). Analogamente alla moderna calotta dell'Antartide occidentale che è su base marina, il SBSIS diventò più vulnerabile all'intrusione di correnti oceaniche calde sulla piattaforma continentale poco profonda causando un suo rapido scioglimento, accompagnato da frequenti fenomeni di instabilità del fronte glaciale grazie anche al contemporaneo, progressivo innalzamento del livello del mare. Gli effetti di tali destabilizzazioni della calotta glaciale sono rappresentati da rapidi e improvvisi ritiri nell'entroterra del fronte glaciale avvenuti attraverso il collasso di ampie porzioni della calotta glaciale seguiti da uno scorrimento rapido verso l'oceano dell'intera massa glaciale che hanno causato consistenti innalzamenti globali del livello del mare (meltwater pulses).

Learning from the past to predict the future

The history of the dynamics of the paleo SBSIS is recorded in the marine sedimentary archive through massive IRD delivery and extensive freshwater discharge along the Svalbard margin during warm intervals (e.g. DO events and meltwater pulses, Lucchi et al., 2013, 2015, 2018). At the same time, prominent release of fresh water is thought to have interfered with the characteristics of water masses and the oceanic circulation inducing slow down of the global thermohaline circulation, eventually triggering the onset of cold periods (Rahmstorf et al., 2015; Golledge et al., 2019, Turney et al., 2020).

It is, therefore, of utmost importance to gain information on past ice sheet dynamics, climatic interconnections and forcing mechanisms related to the Late Pleistocene evolution of the paleo SBSIS as the best analogue for modern marine-based ice sheets, jeopardised by the present global warming.

La storia della dinamica della calotta glaciale del paleo-SBSIS è registrata nell'archivio sedimentario marino attraverso il massiccio rilascio di depositi trasportati da icebergs (Ice Rafted Debris, IRD) e imponenti eventi di fusione glaciale avvenuti lungo il margine delle Svalbard durante i periodi caldi (es. gli eventi Dansgaard-Oeschger e meltwater pulses, Lucchi et al., 2013, 2015, 2018). Si pensa che nel passato, prominenti eventi di rilascio di acqua dolce di fusione glaciale possano aver interferito con le caratteristiche delle masse d'acqua e circolazione oceanica, inducendo un rallentamento della circolazione termoalina globale, innescando l'inizio di periodi freddi (Rahmstorf et al., 2015; Golledge et al., 2019, Turney et al., 2020).

È, quindi, della massima importanza ottenere informazioni precise sulla dinamica ed evoluzione delle paleo calotte glaciali, sulle loro interconnessioni climatiche e sui possibili meccanismi forzanti responsabili dell'evoluzione tardo Pleistocenica del paleo SBSIS, in quanto analogo passato della moderna calotta dell'Antartide Occidentale, la cui stabilità é minacciata dall'attuale riscaldamento globale

The Fram Strait gateway

 The Fram Strait on the north polar area is the largest deep-sea open gateway through which water masses are exchanged between the North Atlantic and Arctic Oceans (Fig.1A). Here the warm North Atlantic Waters forming the West Spitsbergen Current (WSC) are advected northward across the eastern side of the Fram Strait (Fig.1B). The warm WSC is responsible for almost ice-free conditions in the west and north Svalbard during winter, exerting a strong control on Arctic climate (IPCC, 2019). At the same time, cold Arctic waters (East Greenland Current, Fig.1B) descend southward across the western side of the Fram Strait contributing to the maintenance of the Greenland ice cap.

Lo stretto di Fram nel Polo Nord, è il principale collegamento oceanico attraverso il quale le masse d'acqua profonde vengono scambiate tra il Nord Atlantico e l'Oceano Artico (Fig.1A). In quest'area le acque calde che formano la Corrente Nord Atlantica (Western Spitsbergen Current, WSC) sono spinte verso nord attraverso il lato orientale dello stretto di Fram (Fig.1B). La WSC è responsabile delle condizioni climatiche relativamente miti, durante l'inverno nelle Svalbard occidentali e settentrionali, esercitando un forte controllo sul clima artico (IPCC, 2019). Allo stesso tempo, le acque fredde artiche trasportate dalla Corrente della Groenlandia orientale (East Greenland Current, Fig.1B) scendono verso sud attraverso il lato occidentale dello stretto di Fram contribuendo al mantenimento della calotta glaciale della Groenlandia.

The action

The IRIDYA project proposes the integrated, cross-disciplinary study of a wealth of geological and geophysical data collected along the western margin of Svalbard (eastern side of Fram Strait). The geological record was strategically located along the main path of the WSC covering a transect of about 350 km between the NW Barents Sea and the Eastern side of the Fram Strait. The new acquisition is specifically designed to generate two across-slope transects on the Bellsund and Isfjorden sediment drifts allowing us to better constrain the interplay between ocean and cryosphere. Promising palaeoceanographic information obtained from the preliminary investigation of the former available geological record, led to the submission of an IODP proposal (Full-985, Lucchi et al., 2020) for the reconstruction of last 3.5 Ma climatic oscillations and related ice sheet dynamics. IRIDYA project was, therefore, meant to be an Italian preparatory action in support of future international ocean drilling.

Il progetto IRIDYA propone lo studio integrato e interdisciplinare di un ampio set di dati geologici e geofisici raccolti lungo il margine occidentale delle Svalbard (lato orientale dello Stretto di Fram). Il record geologico è stato posizionato strategicamente lungo il percorso principale del WSC coprendo un transetto di circa 350 km tra il Mare di Barents NW e il lato orientale dello Stretto di Fram. La nuova acquisizione è specificamente progettata per generare due transetti trasversali sui rilievi che formano il Bellsund e Isfjorden sediment drifts, consentendo di definire meglio l'interazione tra oceano e criosfera. Le promettenti informazioni paleoceanografiche ottenute dall'indagine preliminare eseguita sul registro geologico già disponibile, hanno portato alla presentazione di una proposta IODP (Full-985, Lucchi et al., 2020) per la ricostruzione delle oscillazioni climatiche avvenute negli ultimi 3,5 Ma (tardo Miocene) e della relativa dinamica della calotta glaciale. Il progetto IRIDYA rappresenta, pertanto, un'azione italiana preparatoria a sostegno della futura perforazioni oceaniche internazionale.

High temporal resolution Very few studies so far had the possibility to investigate such high temporal resolution (sub-centennial/decadal) of the Arctic paleoceanographic and paleoclimatic archive recorded in marine sediments. There is a high need to recover expanded depositional archives to depict at great detail the timing of ice sheet response to past fast climatic oscillation, that can be used in comparison to the on-going and projected climate changes. IRIDYA will focus biogenic-rich, very-expanded and continuous contouritic sequences, ideal for paleo-reconstructions. Such records were strategically identified in an area that recorded both polar ice caps and oceanic circulation changes in the geological past and is sensitive to present-day environmental and climate changes.

Alta risoluzione temporale Pochissimi studi finora hanno avuto la possibilità di indagare una risoluzione temporale così elevata (sub-centenaria/decennale) dell'archivio paleoceanografico e paleoclimatico artico registrato nei sedimenti marini. C'è un'estrema necessità di recuperare archivi deposizionali espansi per descrivere in maggior dettaglio i tempi di risposta della calotta glaciale ad oscillazioni climatiche rapide avvenute nel passato che possano essere utilizzati per definire meglio la risposta delle attuali calotte glaciali ai cambiamenti climatici in corso e previsti. IRIDYA si concentrerà su sequenze contouritiche che sono ricche di materiale biogenico, molto espanse e continue, quindi ideali per le paleo-ricostruzioni. Tali record sono stati strategicamente identificati in un'area che ha registrato sia la dinamica delle paleo calotte polari sia i cambiamenti della circolazione oceanica nel passato geologico e che è sensibile ai cambiamenti ambientali e climatici odierni.

Correlation between marine and terrestrial record The exceptionally expanded marine depositional sequences of the recovered cores, will allow, for the first time at high resolution, a direct correlation with the ice core records from Greenland, for a comprehensive, inter-disciplinary view of the last glacial cycle climatic variability. Carrying a land-to-sea comparison has a high value to define the timing of response of the different components of the climate system, and this is particularly significant at the gate to the Arctic Ocean as unquestionably major player in the climatic evolution of the Northern Hemisphere (e.g. Overland et al., 2011, Mahajan et al., 2011).

Correlazione tra record marino e terrestre Le sequenze deposizionali marine eccezionalmente espanse ottenute dai carotaggi, consentiranno, per la prima volta con l'alta risoluzione che ci si prefigge, una correlazione diretta con i record di carote di ghiaccio della Groenlandia, per una visione completa e interdisciplinare dell'ultima grossa variabilità climatica associata all'ultimo ciclo glaciale. Effettuare un confronto terra-mare ha un alto valore per definire i tempi di risposta delle diverse componenti del sistema climatico e questo è particolarmente significativo alle porte dell'Oceano Artico come attore indiscutibilmente fondamentale nell'evoluzione climatica del Nord Emisfero (ad es. Overland et al., 2011, Mahajan et al., 2011)

A multi- and cross-disciplinary approach The multi-proxy investigation of sediment cores, and the cross- and inter-disciplinary framework envisaged for this proposal, requires an equivalent approach. IRIDYA will combine geophysical, sedimentary, geochemical, and micropaleontological data with numerical ice sheet simulations to provide a dynamical framework and a more comprehensive view of the evolution of the western margin of Svalbard (Eastern Fram Strait) during short-term, prominent climatic oscillation (i.e. meltwater pulses) spanning the last 60 ka.

Un approccio multi- e cross-disciplinare L'indagine multi-proxy delle carote di sedimenti e l'approccio cross- e inter-disciplinare previsto per la presente proposta di ricerca, richiedono un equivalente approccio. IRIDYA intersecherà i dati geofisici, sedimentari, geochimici e micropaleontologici con simulazioni numeriche della calotta glaciale per fornire un quadro dinamico e una visione più completa dell'evoluzione del margine occidentale delle Svalbard (area orientale dello Stretto di Fram) avvenute durante prominenti oscillazioni climatiche di breve termine (meltwater pulses) degli ultimi 60 mila anni.