Influence of particulate matter on observed albedo reductions on Plaine Morte glacier, Swiss Alps

97 Pages·2011·2.34 MB·English

Infl uence of particulate matter on observed albedo
reductions on Plaine Morte glacier, Swiss Alps
Master’s Thesis
Faculty of Science
University of Bern
presented by
Eva Bühlmann
2011
Supervisor:
Prof. Dr. Margit Schwikowski
Paul Scherrer Institute and Oeschger Centre for Climate Change Research
Co-Supervisor:
Prof. Dr. Martin Hoelzle
Department of Geosciences,University of Fribourg
Advisor:
Pierre-Alain Herren
Paul Scherrer Institute and Oeschger Centre for Climate Change Research
II
Moulin on Plaine Morte glacier, Eva Bühlmann, 2010
III
IV
Table of contents
Table of contents
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .XI
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .XIII
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
1.1. State of knowledge and research motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2. Research questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3. Project design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4. Thesis outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2. Basic terms, concepts and processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
2.1. Energy balance and albedo of glaciers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2. Cryoconite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3. Atmospheric transport and deposition mechanisms of PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4. Sources of PM and their identifi cation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.5. Carbonaceous fraction of soot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3. Study site . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1. Geographical setting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2. Climate and meteorology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.3. Glaciology and hydrology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.4. Geology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4. Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.1. Fieldwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.1.1. Sampling procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.2. Albedo and spectral refl ectance measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.3. Sample extraction and preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.4. Standard snowpit analyses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4.4.1. Reconstruction of snowpack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4.4.2. Ion chromatography (IC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4.4.3. Isotope ratio mass spectrometry (IR-MS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.5. Mineral dust analyses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.5.1. X-ray diff raction (XRD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.5.2. Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.6. Analyses of potential darkening agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.6.1. Loss on ignition (LOI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.6.2. Microscopic assay of biogenic matter and microorganisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.6.3. Thermo-optical OC/EC analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.7. Data processing of albedo measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.7.1. Broadband albedo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.7.2. Spectral refl ectance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5. Results and interpretations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
V
Table of contents
5.1. Results of snowpack investigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5.1.1. Reconstruction of snowpack formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5.1.2. General characterisation of the snowpack on 1 June . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
5.1.3. Impurities in snowpack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5.2. Biogeochemical analysis of cryoconite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.3. Broadband albedo and spectral refl ectance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
6. Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6.1. Snowpack investigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6.1.1. Snowpack characterisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6.1.2. Identifi cation of dust events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
6.1.3. Budget of impurities in snow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6.2. Cryoconite composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.3. Eff ect on albedo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6.3.1. Modelled and measured albedo of snow surface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6.3.2. (Spectral) refl ectance of ice surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.4. Methodological uncertainties and improvement of study setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
7. Conclusions and outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.1. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.2. Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Appendix A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Appendix B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Appendix C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
VI
List of Figures
List of fi gures
Figure 1: Schematic depiction of the snow-albedo feedback mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Figure 2: Geographical setting of the study site . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Figure 3: Sample types and sampling situation during the fi eldwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Figure 4: Pictures of diff erent method tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Figure 5: Examples of the diff erent granule types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Figure 6: Snowpack reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Figure 7: Comparison of the two snowpits on 1 June and 6 July . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Figure 8: Concentrations of all ionic species . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Figure 9: Correlation matrix for major ions in snowpit 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Figure 10: XRD peak-patterns illustrating the fi lter and aluminum platelet disturbance . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Figure 11: Indicators for mineral dust within snowpit 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Figure 12: Trace element composition of the ash horizon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Figure 13: EC and biogenic matter occurrence in snowpit 1 and 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Figure 14: Pictures of surface darkening and diff erent surface types. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Figure 15: Comparison of ice sample and LLR XRD peak-pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Figure 16: Measured and corrected broadband albedo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Figure 17: Spectral refl ectance patterns in VIS and NIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Figure 18: Snowpit stratigraphy with diff erent dust markers, impurities and dust horizons . . . . . . . . . . . . . . 43
Figure 19: Biogeochemical composition of cryoconite from ice samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Figure 20: Measured broadband albedo in comparison to reference values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Figure 21: Pictures of clean ice with high liquid water content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Figure 22: Schematic drawing of the cryoconite induced albedo-feedback mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
List of tables
Table 1: Compilation of studies contributing to cryoconite investigations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Table 2: List of all sample types and the methods applied to them . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Table 3: Composition of cryoconite on ice samples and of LLR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Table 4: Results of the microscopic assay for all ice samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
VII
VIII
List of abbreviations
List of abbreviations
AWS Automated Weather Station
BC Black Carbon
BRDF Bi-Directional Refl ectance Function
DAPI 4‘ ,6-diamidino-5-phenylindole
EC Elemental Carbon
ELA Equilibrium Line Altitude
EPS Extracellular Polymeric Substances
IC Ion Chromatography
ICP-MS Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer
IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change
IR-MS Isotope Ratio Mass Spectrometery
LLR Local Loose Rock
LOI Loss on Ignition
m a.s.l. metres above sea level
m weq metre water equivalent
NIR Near Infrared Spectrum
OC Organic Carbon
PBL Planetary Boundary Layer
PM Particulate Matter
ppb parts per billion
ppm parts per million
PSI Paul Scherrer Institute
PTFE PolyTetraFluoroEthylene
REE Rare Earth Elements
RF Radiative Forcing
SDE Saharan Dust Event
SEM Scanning Electron Microscopy
SP2 Single Particle Soot Photometer
UTC Coordinated Universal Time
VIS Visible Spectrum
VSMOW Vienna Standard Mean Ocean Water
XRD X-ray Diff raction
λ Wave Length
μeq micro equivalent
IX
List of chemical denotations
List of chemical denotations
List of trace elements
C carbon
Ag silver
C H O sucrose
Al aluminum
12 22 11
CaCO calcite
Ba barium
3
CO carbon dioxide
Bi bismuth
2
H hydrogen
Ca calcium
HCl hydrochloric acid
Cd cadmium
HNO nitric acid
Co cobalt
3
LiF lithium fl uoride
Cr chromium
N molecular nitrogen
Cs cesium
2
Cu copper
Fe iron
List of ions
Li lithium
Ca2+ calcium
Mg magnesium
Cl- chloride
Mn manganese
CO 2- carbonate
3
Mo molybdenum
H+ hydrogen ion
Na sodium
K+ potassium
Ni nickel
Mg2+ magnesium
Pb lead
Na+ sodium
Rb rubidium
NH + ammonium
4
Sb antimony
NO - nitrate
3
Sr strontium
SO 2- sulphate
4
Th thorium
Ti titanium
List of rare earth elements (REE)
Tl thallium
Ce cerium
U uranium
Eu europium
V vanadium
La lanthanum
W tungsten
Nd neodymium
Zn zinc
Pr praseodyimum
Zr zirconium
Sc scandium

Sm samarium
Yb ytterbium
X