The influence of post-depositional processes on the surface snow isotopic composition

Stable water isotopes are a very powerful tool for studying the global and regional hydrological cycle, being natural tracers that reflect the history of a water sample. In polar regions, the analysis of stable water isotopes in snow, firn, and ice makes it possible to infer past climate variability. The abundance of heavy water isotopes in solid hydrometeors is representative of atmospheric conditions (e.g., the temperature) present during water evaporation, vapor transport, and snow formation in the clouds. The assumption that the isotopic signal is preserved in ice cores and is representative of the temperature at the moment of precipitation formation has been widely used to retrieve climate variability on millennial time scales. However, several post-depositional processes between consecutive precipitation events can influence the snow surface isotopic composition (e.g., isotopic fractionation during snow sublimation and vapor deposition, or snow redistribution and metamorphism). It has been observed that estimates of temperature fluctuations based on stable water isotopes are not reliable in case of time scales shorter than 50 or 100 years. This limit prevents the use of isotope analysis for tracking ongoing and fast-evolving climate changes. The objective of this thesis is to provide a better understanding of the evolution over time of the surface snow isotopic signal between precipitation events. For this purpose, snow surface samples have been collected twice a day during a measurement campaign conducted in March 2022 on the Weissfluhjoch, in the Swiss Alps. To identify and distinguish the influence of simultaneous post-depositional processes, samples were collected on two relatively close sites where wind conditions are assumed to be different. In addition, the atmospheric vapor isotopic composition has been measured during the entire field campaign, and scans of the snow surface have been used to determine snow surface variations between consecutive sampling times. The results from the March 2022 campaign indicate that during periods with clear sky conditions and low temperatures, sublimation and deposition play a major role in driving the surface snow isotope evolution, with a diurnal cycle of enrichment and depletion between daytime and night-time hours, respectively. During periods with higher temperatures, other post-depositional processes, such as melt processes, snow metamorphism and compaction, dominate over sublimation and deposition and govern the evolution of the snowpack isotope composition.

Gli isotopi stabili dell'acqua sono uno strumento molto potente per lo studio del ciclo idrologico, sia a scala globale che regionale, in quanto traccianti naturali che riflettono la storia di un campione d'acqua. Nelle regioni polari l'analisi degli isotopi stabili nella neve, nel firn e nel ghiaccio ha permesso di ricostruire le variazioni climatiche avvenute in passato. L'abbondanza di isotopi pesanti nelle idrometeore solide è rappresentativa delle condizioni atmosferiche (e.g., della temperature) presenti durante l'evaporazione dell'acqua, il trasporto del vapore e la formazione di neve nelle nuvole. L'ipotesi che il segnale isotopico sia conservato nelle carote di ghiaccio e sia rappresentativo della temperatura presente al momento della formazione della precipitazione solida è stata ampiamente utilizzata per determinare la variabilità climatica su scale temporali millenarie. Tuttavia, tra due eventi di precipitazione consecutivi diversi processi post-deposizionali possono influenzare la composizione isotopica della superficie della neve (e.g., il frazionamento isotopico durante la sublimazione della neve e la deposizione del vapore, o la ridistribuzione e il metamorfismo della neve). È stato osservato che le stime delle fluttuazioni di temperatura basate sugli isotopi stabili dell'acqua non sono affidabili su scale temporali inferiori a 50 o 100 anni. Questo limite impedisce di sfruttare dell'analisi isotopica per tracciare i cambiamenti climatici in corso e in rapida evoluzione. L'obiettivo di questa tesi è fornire una migliore comprensione dell'evoluzione nel tempo del segnale isotopico nella neve superficiale tra eventi di precipitazione. A tal fine, sono stati raccolti campioni di neve superficiale due volte al giorno durante una campagna di misura condotta nel marzo 2022 sul Weissfluhjoch, nelle Alpi svizzere. Per distinguere gli effetti di processi post-deposizionali simultanei, i campioni sono stati raccolti in due siti relativamente vicini, dove si presume che gli effetti del vento siani diversi. Inoltre, la composizione isotopica del vapore atmosferico è stata misurata durante l'intera campagna e scansioni della superficie nevosa sono state utilizzate per determinare le variazioni avvenute sulla superficie nevosa tra tempi di campionamento consecutivi. I risultati della campagna di marzo 2022 indicano che durante periodi con cielo sereno e basse temperature, sublimazione e deposizione hanno un ruolo fondamentale nel determinare l'evoluzione degli isotopi nella neve in superficie, con un ciclo di arricchimento e impoverimento rispettivamente nelle ore diurne e notturne. Durante periodi con temperature più elevate, altri processi post-deposizionali, come la fusione o il metamorfismo della neve, dominano sugli effetti di sublimazione e deposizione e governano la composizione isotopica del manto nevoso.