Brucker,  Ludovic

Forster, Richard

Gogineni, Prasad

Koenig, Lora S.

Legchenko, Anatoly

Miege, Clement

Miller, Olivia

Montgomery, Lynn

Paden, John

Schmerr, Nicholas

Solomon, Kip

NASA Technical Reports Server

Firn	  aquifer	  study	  near	  Helheim	  Glacier	  based	  on	  
geophysical	  methods	  and	  in	  situ	  measurements	  
Clément	  Miège	  
Richard	  Forster	  	  
Olivia	  Miller	  
Kip	  Solomon	  
	  
Lora	  Koenig	  
	  
Anatoly	  Legchenko	  
	  
Nicholas	  Schmerr	  
Lynn	  Montgomery	  
	  
Ludovic	  Brucker	  	  
	  
Prasad	  Gogineni	  
John	  Paden	  
MODIS,	  2015	  
https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20160005283 2019-08-31T03:23:05+00:00Z
Fountain	  and	  Walder,	  
1998	  Firn	  aquifers:	  
§  develop	  at	  depth	  above	  the	  ﬁrn/ice	  transiHon	  
§  sensiHve	  to	  surface	  melt	  variaHons	  
§  store	  meltwater	  and	  delay	  runoﬀ	  
§  are	  seasonal	  to	  mulH-­‐year	  features	  
	  	  IntroducHon	  	  	  	  	  	  	  	  Study	  site	  	  	  	  	  	  	  	  Methods	  	  	  	  	  	  	  	  Results	  	  	  	  	  	  	  	  Conclusions	  
GSSI	  ground	  
radar	  (400	  MHz)	  
OIB	  AccumulaHon	  
Radar	  (750	  MHz)	  
Greenland	  ﬁrn	  aquifer	  
detecHons:	  
2-­‐may-­‐2011	  
19-­‐apr-­‐2011	  
	  	  IntroducHon	  	  	  	  	  	  	  	  Study	  site	  	  	  	  	  	  	  	  Methods	  	  	  	  	  	  	  	  Results	  	  	  	  	  	  	  	  Conclusions	  
	  	  IntroducHon	  	  	  	  	  	  	  	  Study	  site	  	  	  	  	  	  	  	  Methods	  	  	  	  	  	  	  	  Results	  	  	  	  	  	  	  	  Conclusions	  
OIB	  with	  AccumulaHon	  Radar	  onboard	  allows	  precise	  detecHon	  of	  ﬁrn	  aquifers	  
Total	  area:	  
21,900	  km2	  
	  	  IntroducHon	  	  	  	  	  	  	  	  Study	  site	  	  	  	  	  	  	  	  Methods	  	  	  	  	  	  	  	  Results	  	  	  	  	  	  	  	  Conclusions	  
Total	  area:	  
21,900	  km2	  
OIB	  with	  AccumulaHon	  Radar	  onboard	  allows	  precise	  detecHon	  of	  ﬁrn	  aquifers	  
Photo:	  E.	  Burgess	  
ObjecHves	  of	  this	  study:	  
	  
§  Characterize	  ﬁrn	  aquifer	  evoluHon	  for	  the	  last	  2	  decades	  
	  
§  Constrain	  aquifer	  water	  volume	  	  
	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  and	  its	  variaHons	  in	  space	  and	  Hme	  
	  
§  Determine	  water	  residence	  Hme	  	  
	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  and	  ﬂow	  rate	  through	  the	  aquifer	  
	  
§  IdenHfy	  pathways,	  connecHons	  	  
	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  and	  water	  contribuHon	  to	  englacial	  hydrology	  
	  	  IntroducHon	  	  	  	  	  	  	  	  Study	  site	  	  	  	  	  	  	  	  Methods	  	  	  	  	  	  	  	  Results	  	  	  	  	  	  	  	  Conclusions	  
Study	  site:	  
Upstream	  of	  Helheim	  
Glacier,	  SE	  Greenland	  
	  
Background:	  Landsat	  8	  (USGS)	  
	  	  IntroducHon	  	  	  	  	  	  	  	  Study	  site	  	  	  	  	  	  	  	  Methods	  	  	  	  	  	  	  	  Results	  	  	  	  	  	  	  	  Conclusions	  
Background:	  Landsat	  8	  (USGS)	  
April	  2015:	  
August	  2015:	  
	  	  IntroducHon	  	  	  	  	  	  	  	  Study	  site	  	  	  	  	  	  	  	  Methods	  	  	  	  	  	  	  	  Results	  	  	  	  	  	  	  	  Conclusions	  
Study	  site:	  
Upstream	  of	  Helheim	  
Glacier,	  SE	  Greenland	  
	  
	  	  IntroducHon	  	  	  	  	  	  	  	  Study	  site	  	  	  	  	  	  	  	  Methods	  	  	  	  	  	  	  	  Results	  	  	  	  	  	  	  	  Conclusions	  
ObjecHves:	  	  
-­‐  aquifer	  extent	  mapping	  
-­‐  aquifer	  temporal	  progression	  
-­‐  water-­‐table	  elevaHon	  changes	  
-­‐  relate	  to	  volume	  changes	  
Geophysical	  invesLgaLons:	  
-­‐  Ground	  and	  OIB	  radars	  
-­‐  MagneHc	  resonance	  
soundings	  (MRS)	  (LTHE,	  
Grenoble)	  
80	  m	  
Worldview	  image	  (DigitalGlobe©)	  
ObjecHve:	  
-­‐  Integrated	  water	  volume	  to	  40	  m	  
Photo:	  L.	  Montgomery	  
	  	  IntroducHon	  	  	  	  	  	  	  	  Study	  site	  	  	  	  	  	  	  	  Methods	  	  	  	  	  	  	  	  Results	  	  	  	  	  	  	  	  Conclusions	  
ObjecHves:	  	  
-­‐  aquifer	  extent	  mapping	  
-­‐  aquifer	  temporal	  progression	  
-­‐  water-­‐table	  elevaHon	  changes	  
-­‐  relate	  to	  volume	  changes	  
Geophysical	  invesLgaLons:	  
-­‐  Ground	  and	  OIB	  radars	  
Geophysical	  invesLgaLons:	  
-­‐  Ground	  and	  OIB	  radars	  
-­‐  MagneHc	  resonance	  soundings	  
-­‐  Seismic	  refracHon	  (Univ.	  Maryland)	  
ObjecHves:	  
-­‐  VerHcal	  straHgraphy	  
-­‐  Velocity	  structure	  -­‐>	  variaHons	  in	  water	  volume	  through	  the	  aquifer	  
Photo:	  L.	  Montgomery	  
Survey	  line:	  
	  	  IntroducHon	  	  	  	  	  	  	  	  Study	  site	  	  	  	  	  	  	  	  Methods	  	  	  	  	  	  	  	  Results	  	  	  	  	  	  	  	  Conclusions	  
Geophysical	  invesLgaLons:	  
-­‐  Ground	  and	  OIB	  radars	  
-­‐  MR	  soundings	  
-­‐  Seismic	  refracHon	  
	  
In	  situ	  measurements:	  
-­‐  Firn/ice	  densiHes	  
-­‐  Hydraulic	  conducHviHes	  	  
-­‐  Water	  daHng	  (CFCs,	  TriHum,	  
noble	  gases)	  
ObjecHves:	  
-­‐  VerHcal	  structure	  
-­‐  Water	  age	  
-­‐  Water	  residence	  Hme	  
-­‐  Flow	  rates	  
	  
Cl
ea
r	  i
ce
	  la
ye
rs
	  	  
(b
el
ow
	  a
qu
ife
r	   ~
	  3
5	  
m
)	  
	  	  IntroducHon	  	  	  	  	  	  	  	  Study	  site	  	  	  	  	  	  	  	  Methods	  	  	  	  	  	  	  	  Results	  	  	  	  	  	  	  	  Conclusions	  
Sa
tu
ra
te
d	  
ﬁr
n	  
	  (w
ith
in
	  a
qu
ife
r	   ~
20
	  m
)	  
Geophysical	  invesLgaLons:	  
-­‐  Ground	  and	  OIB	  radars	  
-­‐  MR	  soundings	  
-­‐  Seismic	  refracHon	  
	  
In	  situ	  measurements:	  
-­‐  Firn/ice	  core	  extracHon	  	  	  	  
-­‐  Hydraulic	  conducHviHes	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  
-­‐  Water	  daHng	  
Monitoring:	  
-­‐  Firn	  and	  air	  temperatures	  
-­‐  Water	  level	  changes	  
-­‐  CompacHon	  rates	  (Univ.	  Colorado)	  
-­‐  Energy	  balance	  (Univ.	  Utrecht)	  
iWS	  from	  Univ.	  Utrecht	  
	  	  IntroducHon	  	  	  	  	  	  	  	  Study	  site	  	  	  	  	  	  	  	  Methods	  	  	  	  	  	  	  	  Results	  	  	  	  	  	  	  	  Conclusions	  
Firn	  aquifer	  progression:	  
Site	  1	  
	  	  IntroducHon	  	  	  	  	  	  	  	  Study	  site	  	  	  	  	  	  	  	  Methods	  	  	  	  	  	  	  	  Results	  	  	  	  	  	  	  	  Conclusions	  
-­‐  Aquifer	  extends	  to	  
higher	  elevaHons	  
past	  spring	  2008	  
	  
-­‐  Small	  drainage	  (2-­‐3	  
km)	  observed	  prior	  
to	  spring	  2013	  
-­‐  Aquifer	  progression	  
is	  related	  to	  surface	  
melt	  
-­‐  Younger	  aquifer	  at	  
Site	  1	  compared	  to	  
Site	  2	  
Site	  2	  
Melt	  duraHon	  (Mote	  2014)	  
RDS_2006	  
RDS_2012	  
-­‐  8	  magneHc	  
resonance	  soundings	  
-­‐  MRS	  water	  volume:	  
200	  to	  1500	  kg	  m-­‐2	  
-­‐  Water	  volume	  
higher	  in	  local	  
depression	  (slope	  
minima)	  
	  
-­‐  Radar	  depth	  to	  
water	  alone	  is	  not	  
suﬃcient	  to	  infer	  
volume	  
Water	  volume	  variaHons	  across	  a	  16-­‐km	  transect:	  
Site	  2	  
Site	  1	  
MRS	  
Radar	  
	  	  IntroducHon	  	  	  	  	  	  	  	  Study	  site	  	  	  	  	  	  	  	  Methods	  	  	  	  	  	  	  	  Results	  	  	  	  	  	  	  	  Conclusions	  
Firn-­‐aquifer	  verHcal	  structure:	  
Site	  1	  –	  April	  2015	   Site	  2	  –	  August	  2015	  
StraHgraphy:	  
Firn	  –	  ice	  layers	  –	  clear	  ice	  
bubbly	  ice	  –	  TransiHon	  
-­‐	  Progressive	  ﬁrn/ice	  transiHon	  at	  similar	  depths	  
-­‐	  Past	  aquifer	  imprints	  as	  clear-­‐ice	  layers	  	  
-­‐	  Temperate	  to	  colder	  ice	  transiHon	  at	  ~	  50	  m	  
	  	  IntroducHon	  	  	  	  	  	  	  	  Study	  site	  	  	  	  	  	  	  	  Methods	  	  	  	  	  	  	  	  Results	  	  	  	  	  	  	  	  Conclusions	  
Firn-­‐aquifer	  hydraulic	  conducHviHes:	  
	  	  IntroducHon	  	  	  	  	  	  	  	  Study	  site	  	  	  	  	  	  	  	  Methods	  	  	  	  	  	  	  	  Results	  	  	  	  	  	  	  	  Conclusions	  
IniHal	  hydrology	  results:	  	  
-­‐	  High	  hydraulic	  conducHviHes	  
	  
-­‐	  Water	  will	  be	  replaced	  in	  the	  
aquifer	  between	  2-­‐20	  years	  
	  
-­‐	  CFCs	  indicate	  a	  rapid	  recharge	  
(verHcal	  percolaHon	  rates)	  
	  
-­‐	  TriHum	  shows	  age	  younger	  than	  
60	  years	  
Site	  1	  
Site	  2	  
Fo
un
ta
in
	  &
	  W
al
de
r,	  
19
98
	  
	  Water-­‐level	  changes	  since	  April	  2015:	  
-­‐  1	  month	  to	  bring	  water	  to	  the	  water	  table	  
-­‐  Water-­‐level	  increase	  conHnues	  amer	  surface	  melt	  shutdown	  
	  	  IntroducHon	  	  	  	  	  	  	  	  Study	  site	  	  	  	  	  	  	  	  Methods	  	  	  	  	  	  	  	  Results	  	  	  	  	  	  	  	  Conclusions	  
Site	  1	  
Site	  2	  
Agreement	  with	  a	  ﬂowline	  simulaHon	  at	  steady	  state:	  
-­‐  Both	  sites	  located	  in	  local	  discharge	  areas	  
	  	  IntroducHon	  	  	  	  	  	  	  	  Study	  site	  	  	  	  	  	  	  	  Methods	  	  	  	  	  	  	  	  Results	  	  	  	  	  	  	  	  Conclusions	  
Snow	  surface	  
Main	  ﬁndings:	  
-­‐  Firn	  aquifer	  inferred	  since	  1993,	  expand	  upstream	  amer	  2008	  
-­‐  Signiﬁcant	  water	  volume	  variability	  (200-­‐1500	  kg	  m-­‐2)	  over	  16	  km	  
-­‐  Water	  residence	  Hme:	  2-­‐20	  years	  
-­‐  Lateral	  ﬂow	  observed	  within	  the	  aquifer	  through	  the	  fall/winter	  
	  
Future	  work:	  
-­‐  Fieldwork	  during	  summer	  2016	  
-­‐  Simulate	  aquifer	  interannual	  changes,	  lateral	  water	  ﬂow	  and	  discharge	  
-­‐  Characterize	  connecHons	  to	  englacial	  hydrology	  
Thanks	  for	  your	  aZenLon!	  
Funding:	   Field	  support:	   Radars	  and	  GPS:	  
	  	  IntroducHon	  	  	  	  	  	  	  	  Study	  site	  	  	  	  	  	  	  	  Methods	  	  	  	  	  	  	  	  Results	  	  	  	  	  	  	  	  Conclusions	  

Radar	  depth	  sounder	  (MCoRDS)	  
195	  MHz	  (CReSIS)	  
AccumulaHon	  Radar	  (AR)	  	  
	  750	  MHz	  (CReSIS)	  
Water	  in	  the	  ﬁrn	  inferred	  
from	  missing	  bed	  echoes	  
Bright	  reﬂector	  corresponds	  
to	  the	  water	  table	  	  
-­‐  MagneHc	  resonance	  
soundings	  (MRS)	  (LTHE,	  
Grenoble)	  
80	  m	  
Worldview	  image	  (DigitalGlobe©)	  
Methods:	  
-­‐  Loop	  =	  transmiong	  /	  receiving	  antenna	  
-­‐  Pulse	  of	  alternaHng	  current	  	  
-­‐  Record	  magneHc	  resonance	  response	  
Photo:	  L.	  Montgomery	  



Firn Aquifer Study near Helheim Glacier Based on Geophysical Methods and In Situ Measurements

Firn Aquifer Study near Helheim Glacier Based on Geophysical Methods and In Situ Measurements

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

NASA Technical Reports Server