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La banquise : plus « fragile » qu’on
ne le croît
Jérôme Weiss
Directeur de Recherches au CNRS, laboratoire de glaciologie
et de géophysique de l'environnement (LGGE) à Grenoble,
membre du Comité d'experts du Cercle Polaire
La fine pellicule de glace recouvrant les océans
dans les régions polaires, la banquise, joue un rôle
essentiel dans le climat de ces régions comme de notre planète
en général. Cette banquise constitue un isolant très
efficace entre l’océan et l’atmosphère
: son extension spatiale, son épaisseur ou la présence
de chenaux libres de glace en son sein contrôlent ainsi les
flux d’énergie entre ces deux milieux. C’est
la raison pour laquelle les modélisations climatiques globales
intègrent systématiquement un modèle de banquise,
lui-même constitué d’une composante thermodynamique
(fonte, regel, bilan d’énergie) et d’une composante
mécanique. Cette dernière est essentielle car elle
détermine la dynamique de la banquise, et donc en partie
le bilan de masse de glace par l’intermédiaire de l’évacuation
de glace vers des latitudes plus tempérées, ou encore
la densité de chenaux libres de glace.
Les modèles de banquise utilisés actuellement considèrent
la banquise, du point de vue du comportement mécanique, comme
une couche fluide visqueuse et continue (mais d’épaisseur
variable). Cette approche est, de prime abord, assez contradictoire
avec l’impression de l’explorateur polaire voyageant
sur une plaque de glace fracturée. Elle est remise également
en cause par l’analyse récente de données satellitaires
et de terrain qui indiquent que la banquise se comporte comme une
plaque de glace rigide se fracturant sans cesse. Dans cet article,
nous présenterons les principales caractéristiques
de la mécanique et la dynamique de la banquise, nous verrons
en quoi ces observations remettent en cause notre façon de
modéliser la banquise, et quelles peuvent être les
conséquences de ce comportement mécanique sur les
échanges entre l’océan et l’atmosphère,
et donc, in fine, sur le climat de notre planète.
Les pôles, dernières « Terrae incognita »
de la planète, ont depuis longtemps fasciné les hommes.
Mais alors que l’épopée de la découverte
du pôle Sud en 1911, la rivalité entre Amundsen et
Scott et son issue fatale pour l’explorateur anglais font
partie de l’imaginaire collectif, l’exploration du pôle
Nord est bizarrement moins connue. Inspiré par l'expérience
du navire La Jeanette écrasé par la banquise
au nord de la Sibérie en 1881, et dont des débris
seront retrouvés trois ans plus tard à l'extrémité
Sud-Ouest du Groenland, l’explorateur norvégien Fridtjof
Nansen conçoit vers la fin du XIXe siècle un projet
visionnaire de dérive transpolaire devant lui permettre,
en partant des îles de la Nouvelle Sibérie, de dériver
vers le Nord-ouest pour s’approcher du pôle. Son navire,
le Fram, qui donnera plus tard son nom au détroit
séparant le Groenland de l’Europe du Nord et du Svalbard,
se fait prendre par les glaces en septembre 1893, puis commence
sa dérive. Malgré une progression tortueuse et intermittente,
après deux hivernages, Le Fram s’est approché
du pôle et se trouve à 84°4’ de latitude
nord. Nansen et un compagnon quittent alors le navire en mars 1895
pour tenter de rejoindre le pôle à pied et en traîneaux
à chiens. Mais leur progression est ralentie par les crêtes
de compression à franchir ou les chenaux libres de glace
à contourner. Début avril, le résultat est
décevant : les explorateurs sont emportés vers le
sud par la banquise dérivante plus vite qu’ils ne peuvent
avancer. Nansen abandonne alors son projet et fait marche arrière.
Lui, son équipage et son navire arriveront sains et saufs
en Norvège après 3 ans d’expédition.
Cette épopée de la fin du XIXe siècle nous
apprend déjà beaucoup sur la nature et le comportement
de la banquise, cette mince couche de glace, parsemée de
fractures, en évolution et mouvement complexe sous l’effet
des vents et des courants marins. Les vitesses de dérive
de la banquise sont très variables : l’explorateur
restant sur son navire enchâssé dans les glaces pourra
faire du « sur place » pendant plusieurs jours, avant
de se déplacer subitement à des vitesses pouvant atteindre
parfois la dizaine de km par jour. Cette intermittence est une des
caractéristiques fondamentales de la dynamique de la banquise.
Ces mouvements incessants sont à l’origine d’efforts
mécaniques importants pouvant broyer un navire pris dans
les glaces.
Figure 1 : Le Fram pris par les glaces
à la fin du XIXe siècle
Au delà de la fascination bien naturelle que cet océan
gelé peut exercer sur chacun de nous, la banquise fait l’objet
d’une attention soutenue depuis quelques décennies
de la part des scientifiques du fait de son rôle capital dans
le climat de la Terre. En effet, la banquise est un isolant très
efficace : les échanges d’énergie entre l’océan
et l’atmosphère chutent très rapidement dès
que l’épaisseur de glace dépasse quelques dizaines
de cm. Ceci contrôle d’ailleurs la vitesse de croissance
de la banquise : plus la glace est épaisse et moins elle
se forme rapidement, la couche de glace bloquant rapidement les
flux thermiques entre une atmosphère froide et l’eau
de mer à l’équilibre thermodynamique avec la
glace, soit autour de –1.8°C. C’est pourquoi une
banquise se formant au cours d’un hiver, appelée banquise
annuelle, ne dépassera guère 1 mètre d’épaisseur
au maximum. Dans des régions limitées le long des
côtes de l’Antarctique, ainsi que dans une large part
de l’Océan Arctique, la banquise ne disparaît
pas en été. On parle alors de glace pluriannuelle,
ou pérenne, qui peut atteindre 3 à 4 m d’épaisseur.
Le rôle d’isolant de la banquise est essentiel et rend
capital la compréhension des mécanismes de formation
et d’ouverture de fractures et de chenaux (Figures 2 et 3).
Figure 2 : De nouvelles fractures
apparues au sein de la banquise. Ces fractures assombrissent localement
l’océan Arctique et favorisent les échanges
entre l’océan et l’atmosphère. Cliché
aérien. (Florent Dominé, LGGE-CNRS)
A titre d’exemple, pour une banquise comportant 0.5% de surface
d’eau libre ou de glace très fine et transparente,
comme par exemple au niveau de fractures récemment formées,
la moitié des échanges d’énergie entre
l’océan et l’atmosphère s’effectueront
au niveau de ces 0.5% de la surface.
Figure 3 : Banquise arctique au voisinage
du pôle nord. L’image, faisant plus de 600 km de côté,
révèle un réseau de gigantesques fractures.
Les formes irrégulières en bas à droite sont
des nuages. (NASA)
La présence de banquise modifie donc de manière drastique
la « couleur » de l’océan en le rendant
beaucoup plus blanc. De ce fait, une part bien plus grande de l’énergie
solaire incidente est réfléchie, et ne sera donc pas
absorbée par l’océan : on dit que l’albédo,
ou le pouvoir réfléchissant, augmente. Dans un contexte
de réchauffement climatique, particulièrement intense
dans l’Arctique, des boucles de rétroaction positives,
favorisant la fonte de la glace, peuvent se mettre en place (Figure
4).
Figure 4 : Boucle simplifiée
de rétroaction impliquant l’albédo de la surface
de l’océan et le processus de fracturation de la banquise.
(Jérôme Weiss, LGGE-CNRS)
Ainsi, une diminution de l’épaisseur comme de la concentration
de glace de mer rend l’océan plus « sombre ».
Cette diminution de l’albédo entraînera en été
une augmentation de l’absorption d’énergie solaire
par l’océan. Ce phénomène, pour la banquise,
favorise la fonte estivale, retarde le regel en début d’hiver,
entraîne une diminution de son épaisseur et donc de
sa résistance mécanique, augmentant ainsi la fracturation
et la dynamique, et par voie de conséquence la fraction d’eau
libre de la surface couverte par la banquise. Ces processus imbriqués
très complexes rendent la banquise très sensible aux
changements climatiques, et inversement. On estime ainsi que cette
boucle de rétroaction faisant intervenir l’albédo
pourrait expliquer en grande partie le fait que le réchauffement
climatique soit si intense dans l’Arctique, en liaison avec
une accélération probable de la disparition de la
banquise dans l’hémisphère nord au cours du
XXIe siècle et un possible « emballement » des
phénomènes (voir aussi l’article de M.N. Houssais
à ce propos).
Du fait de son importance dans le climat de la Terre, les modèles
climatiques développés depuis quelques décennies
pour estimer les avenirs possibles ont, dès le départ,
intégré une composante « banquise ». Ces
modèles sont construits autour d’une superposition
verticale de couches aux propriétés physiques bien
distinctes et censées représenter de manière
la plus fidèle possible les enveloppes superficielles de
notre planète: océan, banquise, atmosphère...
Les modèles actuels décomposent bien entendu l’océan
comme l’atmosphère en plusieurs couches aux propriétés
distinctes. Ces couches sont en interaction dynamique entres-elles
: la dynamique de la banquise sera dictée de façon
significative par la circulation atmosphérique alors que
l’océan jouera plutôt le rôle d’amortisseur
aux mouvements de la glace de mer. Les échanges d’énergie
entre l’atmosphère et l’océan dépendront
de la concentration et l’épaisseur de la banquise,
etc. La difficulté essentielle est bien sur de modéliser
de la façon la plus réaliste possible tous ces mécanismes
d’interaction. Les premiers modèles conceptuels du
climat étaient unidimensionnels, considérant uniquement
les interactions verticales entre couches le long d’une colonne
supposée représentative de la Terre dans son ensemble.
Les modélisations climatiques modernes comme celles utilisées
dans le cadre du GIEC (Groupe d’experts Intergouvernemental
sur l’Evolution du Climat) pour simuler le futur du climat
de la Terre sont tridimensionnelles et découpent la totalité
des enveloppes superficielles de la Terre en « boîtes
» d’épaisseur variable (celle des couches citées
plus haut) et d’extension horizontale autour de la centaine
de kilomètres, mais avec une augmentation probable de la
résolution spatiale vers la dizaine de kilomètres
dans les prochaines années en fonction de l’amélioration
des capacités de calcul (Figure 5). Dans ce cas, les interactions
entre boîtes sont à la fois verticales et horizontales.
Figure 5. découpage en boîtes
tridimensionnelles des couches fluides (atmosphère, océan,
..) de la surface terrestre dans un modéle climatique.
Dans les modèles climatiques les plus primitifs, la banquise
était considérée comme une couche uniforme
d’épaisseur constante dont l’extension spatiale
et l’épaisseur n’évoluait qu’en
fonction de processus thermodynamiques, essentiellement fonte et
regel dépendant des fluctuations de température de
l’air ou des couches supérieures de l’océan.
De par leur construction, ces modèles sont donc incapables
de reproduire les boucles de rétroaction positives évoquées
plus haut (Figure 4) qui mettent en jeu une évolution des
propriétés mécaniques de la banquise. De ce
fait, dès les années 80, les chercheurs ont commencé
à proposer des modèles où processus thermodynamiques
d’une part, mécaniques et dynamiques d’autre
part, sont couplés. A titre d’exemple, la résistance
mécanique de la glace dépendra de l’épaisseur
de la glace de mer ainsi que de la fraction d’eau libre en
son sein, deux paramètres évoluant également
en fonction des conditions de température de l’atmosphère.
Cette composante « glace de mer » des modèles
climatiques a conceptuellement relativement peu évolué
depuis ces trente dernières années, au moins pour
la partie mécanique : la banquise est considérée
comme une couche continue au comportement visqueux pouvant également
s’écouler localement de manière plastique lorsque
les efforts internes (les « contraintes ») dépassent
un certain seuil de résistance. Ce cadre conceptuel a l’avantage
de permettre un couplage « aisé » entre la banquise
et les autres couches fluides comme l’océan ou l’atmosphère,
mais pourra paraître bien étrange à l’explorateur
polaire skiant sur une plaque rigide et devant contourner fractures
et crêtes de compression entravant sa progression. En fait,
les concepteurs de ces modèles de glace de mer étaient
en partie conscients de ce paradoxe et de l’importance des
fractures dans la dynamique de la banquise, mais postulaient qu’aux
grandes échelles de temps (au-delà de quelques jours)
et d’espace (au-delà de 10 km), la banquise se comporte
effectivement comme un fluide visqueux. Des analyses récentes
de données expérimentales remettent en cause de manière
radicale cette hypothèse.
Même si les régions polaires restent pour une bonne
part des Terrae Incognita, des observations satellitaires comme
de terrain sont venues enrichir notre connaissance de la banquise,
en particulier dans l’Arctique, au cours de cette dernière
décennie. Les mouvements et la déformation peuvent
être mesurés à partir d’images satellite
successives ou de la dérive de bouées enchâssées
dans la glace (Figures 6 à 8).
Figure 6 : Analyse des déformations
de la banquise à partir d’images satellite radar. La
comparaison d’images prises sur la même zone à
3 jours d’intervalle permet de déterminer l’intensité
des déformations subies par la banquise sur une grille de
10 x 10 km. Les éléments de grille en rouge se sont
peu déformés au cours des 3 jours considérés,
la déformation étant localisée au niveau des
éléments verts. Ces zones correspondent à des
fractures actives, mais on note également des fractures encore
visibles mais peu actives. La prise d’images dans le domaine
radar permet de s’affranchir de la couverture nuageuse comme
de la nuit polaire. (J. Weiss, LGGE-CNRS)
Figure 7 : Chaque année, des
bouées dérivantes sont lâchées sur la
banquise arctique par le programme international IABP afin de recueillir
des données météorologiques. Les trajectoires
de ces bouées peuvent également être utilisées
pour suivre la déformation de glace.
La durée de vie de ces bouées est variable, et peut
parfois être raccourcie en fonction de la curiosité
des hôtes de l’arctique ! (D.G. Barton, IABP)
Figure 8 : Trajectoires de dérive
de 6 bouées en mer de Beaufort en 1997, sur 1 mois. On constate
le caractère très tortueux des trajectoires. Le déplacement
relatif des bouées (leur « dispersion ») indiquent
la façon dont la région considérée s’est
déformé par cisaillement (schématisé
ici par une modification de la forme de l’ellipse). (P. Rampal,
LGGE-CNRS)
Les efforts internes ont quant à eux été mesurés
sur le terrain à partir de capteurs spécifiques. Récemment,
des analyses croisées de ces données démontrent
clairement que la banquise ne peut être considérée
comme un fluide visqueux, et ceci quelles que soient les échelles
de temps et d’espace envisagées. Sa dynamique est caractérisée
par une hétérogénéité spatiale
remarquable et une forte intermittence : la déformation s’effectue
au cours d’épisodes brefs et intenses, très
localisés dans l’espace, même si ces lieux de
dynamique intense fluctuent fortement au cours du temps. Ces évènements
correspondent en fait à des épisodes de fracturation
qui peuvent aller de l’ouverture d’une fracture locale
de quelques mètres jusqu’à l’activation
de failles gigantesques parcourant une large part du bassin Arctique
(Figures 2 et 3), clairement visibles sur les animations satellite
(voir p.ex. http://www.socc.ca/seaice/sea_ice_motion.cfm).
A cet égard, la déformation de la banquise ressemble
beaucoup plus à celle de la croûte terrestre qu’à
celle d’une couche visqueuse. Il est d’ailleurs tout
à fait possible d’enregistrer les « tremblements
de glace » résultant de tels épisodes, à
l’image des séismes terrestres. Une telle analyse sismologique
est actuellement en cours dans le cadre du programme européen
DAMOCLES et devrait nous permettre de mieux comprendre les processus
complexes à l’œuvre (Figure 9). Dans cette «
tectonique » des plaques de glace, se déroulant à
des échelles de temps bien plus rapides que dans la croûte
terrestre, les crêtes de compression apparaissent ainsi comme
des montagnes en miniatures.
Figure 9 : Installation d’un réseau
sismique et d’antennes GPS sur la banquise. Les antennes GPS
permettent de suivre les déplacements de la banquise avec
une précision centimétrique tandis que les sismographes
enregistrent les tremblements de glace associés à
la fracturation de la glace. (F. Delbart, IPEV)
Cette dynamique intermittente et hétérogène
entretient certaines analogies avec la turbulence des fluides: on
pourrait ainsi se demander si elle ne constitue pas simplement l’héritage
direct de la turbulence atmosphérique et/ou océanique,
les courants océaniques et surtout les vents étant
les principales forces motrices agissant sur la banquise. Une analyse
plus fine des données démontre qu’il n’en
est rien : la déformation de la banquise est accommodée
en quasi-totalité par le jeu de multiples fractures à
différentes échelles, activées lors de brefs
épisodes ouvrant des chenaux libres de glace qui pourront
se refermer par regel lorsque l’activité aura migré
vers d’autres régions. La composante visqueuse de la
déformation est négligeable. A cet égard, les
mésaventures des occupants de la base russe North-Pole en
2006, évacués d’urgence après qu’une
gigantesque faille ait subitement disloqué la banquise aux
alentours du camp, est significative. Toutefois, de tels évènements
brutaux ne doivent pas être considérés comme
alarmants vis à vis d’un réchauffement de l’Arctique,
mais plutôt comme des signatures « naturelles »
de la dynamique interne. Néanmoins, une diminution de l’épaisseur
moyenne des glaces de mer, déjà significative depuis
la fin du XXe siècle (voir l’article de M.N. Houssais),
aura pour conséquence de rendre la banquise encore plus fragile,
donc plus sensible à la fracturation et entraînant
ainsi éventuellement une accélération de la
dynamique associée. Le voyage en cours du voilier polaire
Tara (http://www.taraexpeditions.org/tara)
est peut-être un signe à cet égard : parti en
septembre 2006 sensiblement du même point que Le Fram 113
ans plus tôt, Le Tara a déjà dérivé
en Avril 2007 plus que le parcours effectué par le navire
de Nansen en 18 mois !
Partant du désaccord profond constaté entre les hypothèses
mécaniques de base des modèles de banquise et les
processus physiques observés, on peut se poser la question
de la performance des modèles climatiques en termes de simulation
de l’évolution de la banquise. Les modèles actuels
simulent de façon satisfaisante l’extension spatiale
des glaces de mer et le cycle saisonnier associé, ainsi que
les vitesses moyennes de dérive ou les grandes structures
caractérisant les mouvements de glace dans l’Arctique
comme le gyre de Beaufort, ou encore le courant transpolaire utilisé
par Nansen au cours de son épopée et évacuant
la glace du bassin arctique vers le sud et le détroit de
Fram. Ils sont par contre incapables de reproduire de manière
satisfaisante la déformation de la banquise, et particulièrement
l’intermittence temporelle et l’hétérogénéité
spatiale associées. Le désaccord s’accroît
régulièrement vers les petites échelles de
temps et d’espace, devenant ainsi de plus en plus pénalisant
avec l’amélioration de la résolution de ces
modèles. Etant donné les interactions nombreuses et
souvent étroites entre banquise et circulation atmosphérique
ou océanique, et donc finalement le climat de notre planète,
la question de l’importance de ces problèmes vis à
vis des prévisions climatiques se pose. Bien entendu, la
prévision d’une diminution drastique de l’étendue
comme de l’épaisseur des glaces de mer dans l’Arctique
au cours du XXIe siècle, au moins en été, ne
faire guère de doute au regard de la convergence d’appréciation
des différents modèles disponibles à ce sujet
(toutefois tous basés sur les mêmes hypothèses
mécaniques pour la banquise), ni au fait que ces prédictions
apparaissent comme le prolongement d’une tendance très
nette observée depuis en trentaine d’années.
Néanmoins, cette imperfection des modèles n’est
probablement pas neutre vis à vis de la modification des
échanges entre l’océan et l’atmosphère
ou de la boucle de rétroaction impliquant l’albédo
décrite plus haut (Figure 4). On a vu en effet que l’ouverture
de fractures, même sur une fraction très faible de
la surface englacée, pouvait modifier de manière fondamentale
ces échanges. A titre d’exemple, la plupart des modèles
climatiques actuels ne prévoient pas de diminution importante
de l’étendue de la banquise hivernale au cours de ce
siècle, la disparition de la banquise pluriannuelle étant
compensée en hiver par un regel accru, ce qui est assez contradictoire
avec une diminution déjà significative enregistrée
au cours des dernières décennies. Mais une banquise
plus jeune, donc moins épaisse, est certainement plus fragile
et donc vraisemblablement caractérisée par une dynamique
plus intense favorisant sa dislocation et une éventuelle
accélération de son évacuation vers l’Atlantique
Nord même au cœur de l’hiver. Tout ceci accroît
probablement l’incertitude sur la détermination des
échéances relatives à la disparition de la
banquise pluriannuelle, que certaines études imaginent très
proches, et cela même si le résultat final semble bien
inéluctable.
Comme on le voit, bien du travail reste à faire pour les
scientifiques auscultant ce fascinant milieu que constitue la banquise,
tant au niveau du recueil d’observations de qualité
comme de la modélisation de son comportement dans la machine
climatique. Mais, de manière assez unique dans le domaine
des sciences de la Terre, cet objectif ressemble d’une certaine
manière à une course contre la montre du fait de la
quasi-disparition programmée de l’objet étudié,
même si quelques « belles » années sont
probablement encore devant nous. Quoi qu’il en soit, l’aventure
imaginée il y a plus d’un siècle par Fridtjof
Nansen de rejoindre à pied (ou à skis) le pôle
Nord, réussie plus récemment par Jean-Louis Etienne,
pourrait un jour ou l’autre devenir mission impossible…
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