Estimating volumes of capsizing iceberg : mechanical modeling of capsize constrained by seismic signals
Estimation des volumes d'icebergs qui se retournent: modélisation mécanique et analyse de signaux sismiques
Résumé
One main concern in climate science is to reduce uncertainties on sea level predictions. In particular,
these uncertainties depend on the quantification of the mass losses of polar ice caps including Greenland
ice sheet. Iceberg calving at Greenland glaciers accounts for up to half of ice losses at glacier termini.
Some icebergs detaching from Greenland glaciers have the height of the glacier and are thin so unstable
and capsize exerting a force on the glacier front which generates a seismic wave recorded at stations
in Greenland and further away. These seismic signals have been recorded for the last twenty-five years
by the permanent stations. The number of such events has increased and the spatial distribution has
evolved. What is the evolution of the volume of capsizing icebergs ?
Field data on capsizing icebergs are lacking, except for seismic data. Indeed, the database of seismic
signals gives continuous information about iceberg capsize events: we aim to extract information from
these data. The characteristics of seismic signals depend on the iceberg volume and the whole dynamic
of the capsizing iceberg [2]. The global aim of this work is to calculate the volum of capsizing icebergs.
To do this, we compare recorded seismic signals to synthetic seismic signals calculated using a model
of iceberg capsize. Therefore, we solve an inverse problem to obtain information on the dynamic of the
capsize and in particular an estimation of the volume of the iceberg.
Iceberg capsize dynamics depends on complex phenomena: iceberg-water interactions, iceberg-glacier
friction, glacier-sea floor friction, elasto-viscoplastic deformation of ice. Solving directly fluid flow, solid
motion, and contact equations even in two dimensions is very costly and can hardly be used to generate
catalogs and to solve inverse problem. Therefore, a simplified mechanical model of a capsizing iceberg
in water has been developed based on few assumptions. The proposed model, named SAFIM (semi-
analytical floating iceberg model) accounts for sea hydrodynamics only through hydrostatic pressure,
pressure drag, and added mass, and it has been validated based on a separate state-of-the-art Compu-
tational Fluid Dynamics code which can handle free surface and arbitrary iceberg configurations. The
error on the horizontal force exerted by the fluid on the iceberg capsizing in open ocean (with no contact
with the glacier) calculated with SAFIM goes from 4% to 20%, and the drag coefficient that minimizes
this error goes from 1 to 3, depending on the aspect ratio of the iceberg.
Une des questions principales en sciences du climat est l'amélioration de la précision des prédictions du niveau des océans. En particulier, les incertitudes dépendent de la quantification de la perte de masse des calottes polaires comme celle du Groenland. Le détachement d'icebergs au front des glaciers du Groenland représente jusqu'à la moitié des pertes de masses aux terminus de ces glaciers. Certains icebergs qui se détachent des glaciers du Groenland ont la même hauteur que le terminus du glacier, sont fins donc instables et se retournent proche du glacier. Ils exercent ainsi une force sur le glacier qui crée un signal sismique enregistré sur des stations situées au Groenland ou plus loin. Le nombre d'évènements de ce type a augmenté et la distribution spatiale de ces évènements a évoluée [1]. Qu'en est-il de l'évolution du volume de ces icebergs qui se retournent ? Les données de terrain sur ces évènements sont rares, à l'exception des données sismiques qui donnent des informations continues sur les évènements de retournement d'icebergs. Les caractéristiques du signal sismique dépendent du volume de l'iceberg et de toute la dynamique du retournement [2]. Le but ultime de ce travail est de calculer les volumes des icebergs qui se retournent. Pour ce faire, nous comparons des signaux sismiques enregistrés à des signaux sismiques synthétiques obtenus à l'aide d'un modèle mécanique de retournement d'iceberg [3]. Ainsi, nous résolvons un problème inverse pour obtenir des informations sur la dynamique du retournement et une estimation du volume des icebergs [4]. Nous nous intéressons, dans cet article, à la modélisation mécanique du retournement d'un iceberg. La dynamique du retournement d’un iceberg dépend de phénomènes complexes : les interactions entre l’iceberg, l’eau et le glacier, le frottement entre le glacier et le lit rocheux, la déformation élasto-viscoplastique de la glace. Résoudre les équations de la mécanique des fluides, du mouvement solide et les équations de contacts solides est très coûteux, même en deux dimensions, et peu adapté à la génération d’un catalogue pour résoudre un problème inverse. Ainsi, un modèle mécanique simplifié de retournement d’iceberg dans l’eau a été développé sous quelques hypothèses. Le modèle proposé, nommé SAFIM (modèle semi-analytique d’un iceberg flottant) tient compte de la dynamique des fluides via la pression
hydrostatique, une pression de traînée et des masses ajoutées. Ce modèle SAFIM a été validé à partir
d’un modèle de mécanique des fluides numérique ISIS-CFD qui résoud la dynamique d’un fluide à surface libre en interaction avec un solide. L’erreur sur la force horizontale du fluide sur l’iceberg qui se retourne dans un océan infini (sans contact avec le glacier) calculée avec SAFIM est de l’ordre de 4% à 20%, et le coefficient de traînée qui minimise cette erreur varie entre 1 et 3, en fonction du rapport d’aspect de l’iceberg.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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