En profondeur : les découvertes troublantes sous l’amincissement des calottes glaciaires de l’Antarctique

Une théorie récente illustre le mécanisme par lequel l’eau sous les glaciers peut monter en flèche, créant ainsi un cycle de rétroaction dangereux.

Deux chercheurs de Georgia Tech, Alex Robel et Shi Joyce Sim, ont collaboré à un nouveau modèle sur la façon dont l’eau se déplace sous les glaciers. La nouvelle théorie montre que le volume d’eau s’écoulant sous ces masses de glace et se déversant dans l’océan pourrait être le double des estimations précédentes. Cette augmentation significative du débit d’eau sous-glaciaire pourrait accélérer la fonte des glaciers, contribuer à l’élévation du niveau de la mer et provoquer des perturbations écologiques.

Leurs recherches ont été récemment publiées dans la revue Avancées scientifiques.

Bien qu’il existe des méthodes préexistantes pour comprendre l’écoulement sous-glaciaire, ces techniques impliquent des calculs fastidieux. En revanche, Robel et Sim ont développé une équation simple qui permet de prédire la rapidité de l’exfiltration et du rejet des eaux souterraines des aquifères sous les calottes glaciaires, en utilisant des mesures satellitaires de l’Antarctique au cours des deux dernières décennies.

« En langage mathématique, on dirait que nous avons une solution fermée », explique Robel, professeur adjoint à l’École des sciences de la Terre et de l’atmosphère. « Auparavant, les gens exécutaient un modèle hydromécanique, qui devait être appliqué à chaque point sous l’Antarctique, puis s’étendait sur une longue période. » Étant donné que la nouvelle théorie des chercheurs est une équation mathématiquement simple plutôt qu’un modèle, « l’intégralité de notre prédiction peut être effectuée en une fraction de seconde sur un ordinateur portable », explique Robel.

Robel ajoute que même s’il existe un précédent pour développer ce type de théories pour des types de modèles similaires, cette théorie est spécifique dans la mesure où elle concerne les conditions aux limites particulières et d’autres conditions qui existent sous les calottes glaciaires. « Il s’agit, à notre connaissance, de la première théorie mathématiquement simple qui décrit l’exfiltration et l’infiltration sous les calottes glaciaires. »

« C’est vraiment bien de pouvoir obtenir un modèle très simple pour décrire un processus, puis d’être capable de prédire ce qui pourrait se produire, en particulier en utilisant les riches données dont nous disposons aujourd’hui. C’est incroyable », ajoute Sim, chercheur scientifique à l’École des sciences de la Terre et de l’atmosphère. « Voir les résultats était assez surprenant. »

L’un des principaux arguments de l’article souligne la source potentiellement importante d’eau sous-glaciaire – peut-être jusqu’au double de la quantité précédemment estimée – qui pourrait affecter la rapidité avec laquelle la glace s’écoule et la vitesse à laquelle la glace fond à sa base. Robel et Sim espèrent que les prédictions rendues possibles par cette théorie pourront être intégrées aux modèles de calotte glaciaire que les scientifiques utilisent pour prédire les changements futurs de la calotte glaciaire et l’élévation du niveau de la mer.

Un cycle de feedback dangereux

Les aquifères sont des zones souterraines de roches poreuses ou de sédiments riches en eaux souterraines. « Si vous soulagez les aquifères comme il y en a sous une grande partie de l’Antarctique, l’eau commencera à s’écouler des sédiments », explique Robel, faisant référence à un diagramme créé par Sim. Bien que ce processus, connu sous le nom d’exfiltration, ait déjà été étudié, l’accent a été mis sur les longues échelles de temps des cycles interglaciaires, qui couvrent des dizaines de milliers d’années.

Il y a eu moins de travaux sur les calottes glaciaires modernes, en particulier sur la rapidité avec laquelle l’exfiltration pourrait se produire sous les parties amincissantes de la calotte glaciaire antarctique actuelle. Cependant, en utilisant des données satellitaires récentes et leur nouvelle théorie, l’équipe a pu prédire à quoi pourrait ressembler l’exfiltration sous ces calottes glaciaires modernes.

« Il existe un large éventail de prédictions possibles », explique Robel. « Mais dans cette fourchette de prévisions, il existe une possibilité très réelle que les eaux souterraines s’écoulent de l’aquifère à une vitesse qui en ferait la majorité, ou presque, la majorité de l’eau qui se trouve sous la calotte glaciaire. »

Si ces paramètres sont corrects, cela signifierait qu’il y aurait deux fois plus d’eau entrant dans l’interface sous-glaciaire que ne le supposaient les estimations précédentes.

Les calottes glaciaires agissent comme une couverture, reposant sur la terre chaude et emprisonnant la chaleur au fond, loin de l’atmosphère froide de l’Antarctique – ce qui signifie que l’endroit le plus chaud de la calotte glaciaire de l’Antarctique se trouve au bas d’une calotte, pas à la surface. À mesure qu’une calotte glaciaire s’amincit, les eaux souterraines plus chaudes peuvent s’exfiltrer plus facilement, et ce gradient de chaleur peut accélérer la fonte de la calotte glaciaire.

« Lorsque l’atmosphère se réchauffe, il faut des dizaines de milliers d’années pour que ce signal se diffuse à travers une calotte glaciaire de la taille de l’épaisseur de la calotte glaciaire de l’Antarctique », explique Robel. « Mais ce processus d’exfiltration est une réponse à l’amincissement déjà en cours de la calotte glaciaire, et c’est une réponse immédiate à l’heure actuelle. »

De larges implications

Au-delà de l’élévation du niveau de la mer, cette exfiltration et cette fonte supplémentaires ont d’autres implications. Certains des endroits où la productivité marine est la plus riche au monde se trouvent au large des côtes de l’Antarctique, et être capable de mieux prédire l’exfiltration et la fonte pourrait aider les biologistes marins à mieux comprendre où se produit la productivité marine et comment elle pourrait changer à l’avenir.

Robel espère également que ces travaux ouvriront la porte à davantage de collaborations avec des hydrologues des eaux souterraines qui pourraient appliquer leur expertise à la dynamique des calottes glaciaires, tandis que Sim souligne la nécessité de davantage de travaux sur le terrain.

« Intéresser les expérimentateurs et les observationnistes à essayer de nous aider à mieux limiter certaines des propriétés de ces sédiments chargés d’eau – ce serait très utile », dit Sim. « C’est notre plus grande inconnue à ce stade, et cela influence fortement les résultats. »

« Il est vraiment intéressant de voir à quel point il est possible d’extraire de la chaleur des profondeurs du système », ajoute-t-elle. « Il y a beaucoup d’eau qui pourrait extraire plus de chaleur, et je pense qu’il y a là un bilan thermique qui pourrait être intéressant à examiner. »

À l’avenir, la collaboration restera essentielle. « J’ai vraiment aimé parler de ces problèmes avec Joyce (Sim), » dit Rober, « parce que Joyce est une experte en flux de chaleur et en flux poreux à l’intérieur de la Terre, et ce sont des problèmes sur lesquels je n’avais jamais travaillé auparavant. C’était un aspect plutôt sympa de cette collaboration. Nous avons pu relier ces deux domaines sur lesquels elle travaille et sur lesquels je travaille.

L’étude a été financée par NASA quartier général.