La nouvelle menace du réchauffement climatique : la bombe à carbone du pergélisol arctique

À mesure que l’Arctique se réchauffe, la croissance des rivières pourrait libérer des émissions de carbone équivalentes à celles de millions de véhicules.

Des découvertes récentes à Dartmouth révèlent des preuves inédites selon lesquelles le pergélisol de l’Arctique influence de manière significative les systèmes fluviaux de la région. Cette étude, publiée dans le Actes de l’Académie nationale des sciencessouligne comment le pergélisol – une couche dense de sol qui reste gelée pendant au moins deux ans – fait couler les rivières de l’Arctique dans des vallées plus étroites et moins profondes que leurs homologues du sud.

Mais le pergélisol constitue également un réservoir de plus en plus fragile contenant de grandes quantités de carbone. Alors que le changement climatique affaiblit le pergélisol arctique, les chercheurs calculent que tous les 1,8 degrés Fahrenheit (1 degré Celsius) du réchauffement climatique pourrait libérer autant de carbone que 35 millions de voitures en émettent en un an, à mesure que les voies navigables polaires se dilatent et remuent le sol en train de dégeler.

Dynamique du paysage et motivation de la recherche

« La surface entière de la Terre est dans une guerre acharnée entre des processus tels que les pentes des collines qui lissent le paysage et des forces telles que les rivières qui les découpent », a déclaré la première auteure Joanmarie Del Vecchio, qui a dirigé l’étude en tant que boursière postdoctorale Neukom à l’Université de New York. Dartmouth avec ses conseillers et co-auteurs de l’étude Marisa Palucis, professeur adjoint de sciences de la terre et professeur d’ingénierie Colin Meyer.

« Nous comprenons la physique à un niveau fondamental, mais lorsque les choses commencent à geler et à dégeler, il est difficile de prédire quel camp va gagner », a déclaré Del Vecchio. « Si les pentes gagnent, elles enfouiront tout le carbone emprisonné dans le sol. Mais si les choses se réchauffent et que les canaux des rivières commencent soudainement à gagner du terrain, nous allons voir une grande quantité de carbone être rejetée dans l’atmosphère. Cela créera probablement cette boucle de rétroaction du réchauffement qui entraînera la libération de davantage de gaz à effet de serre.

Les chercheurs de Dartmouth ont cherché à comprendre pourquoi les bassins versants de l’Arctique ont tendance à avoir moins de superficie fluviale que les bassins versants des climats plus chauds. La première auteure, Joanmarie Del Vecchio (photo), a conçu l’étude alors qu’elle effectuait un travail de terrain en Alaska après avoir grimpé depuis son chantier au bord de la rivière et contemplé une vue sur les pentes abruptes des montagnes, non interrompues par des rivières ou des ruisseaux. Crédit : Mulu Fratkin

Les chercheurs ont cherché à comprendre pourquoi les bassins versants de l’Arctique – la superficie totale de drainage d’une rivière et de ses voies navigables connectées – ont tendance à avoir moins de superficie fluviale que les bassins versants des climats plus chauds, qui peuvent avoir de vastes affluents qui s’étendent sur le paysage. Del Vecchio, maintenant chercheur invité à Dartmouth et professeur adjoint au College of William and Mary, a conçu l’étude en 2019 alors qu’il menait des travaux sur le terrain en Alaska. Elle a grimpé depuis son chantier au bord de la rivière et a contemplé une vue sur les pentes abruptes des montagnes, sans rivières ni ruisseaux.

« Il semblait que les pentes gagnaient et que les chaînes perdaient », a déclaré Del Vecchio. « Nous voulions tester si la température façonnait ce paysage. Nous sommes très chanceux d’avoir pu produire autant de données de surface et d’altitude numériques au cours des dernières années. Nous n’aurions pas pu réaliser cette étude il y a quelques années.

Résultats et analyse de l’étude

Les chercheurs ont examiné la profondeur, la topographie et les conditions du sol de plus de 69 000 bassins versants à travers l’hémisphère nord – depuis juste au-dessus du tropique du Cancer jusqu’au pôle Nord – à l’aide de données satellitaires et climatiques. Ils ont mesuré le pourcentage de terres occupées par le réseau de canaux de chaque rivière dans son bassin versant, ainsi que la pente des vallées fluviales.

Quarante-sept pour cent des bassins versants analysés sont façonnés par le pergélisol. Comparées aux bassins versants tempérés, leurs vallées fluviales sont plus profondes et plus escarpées, et environ 20 % de moins du paysage environnant est occupé par des canaux. Ces similitudes subsistent malgré les différences dans l’histoire glaciaire, la pente topographique de fond, les précipitations annuelles et d’autres facteurs qui autrement régiraient la poussée et l’attraction de l’eau et de la terre, rapportent les chercheurs. Les bassins versants de l’Arctique sont façonnés par la seule chose qu’ils ont en commun : le pergélisol.

« Quelle que soit la façon dont nous l’avons découpé, les régions avec des canaux fluviaux plus grands et plus abondants sont plus chaudes avec une température moyenne plus élevée et moins de pergélisol », a déclaré Del Vecchio. « Il faut beaucoup plus d’eau pour creuser des vallées dans les zones de pergélisol. »

Le pouvoir du pergélisol à limiter l’empreinte des rivières arctiques lui permet également de stocker de grandes quantités de carbone dans la terre gelée, selon l’étude. Pour estimer le carbone qui serait libéré de ces bassins versants en raison du changement climatique, les chercheurs ont combiné la quantité de carbone stockée dans le pergélisol avec l’érosion du sol qui résulterait du dégel du sol et serait emportée par la propagation des rivières arctiques.

Impacts du changement climatique et préoccupations futures

Les recherches suggèrent que l’Arctique s’est réchauffé de plus de 3,6 degrés Fahrenheit (2 degrés Celsius) par rapport aux niveaux préindustriels, soit environ depuis 1850, a déclaré Del Vecchio. Les scientifiques estiment qu’un dégel progressif du pergélisol arctique pourrait libérer entre 22 et 432 milliards de tonnes de dioxyde de carbone d’ici 2100 si les émissions actuelles de gaz à effet de serre sont maîtrisées – et jusqu’à 550 milliards de tonnes dans le cas contraire, a-t-elle déclaré. L’Agence internationale de l’énergie estime que la consommation d’énergie en 2022 a rejeté plus de 36 milliards de tonnes de dioxyde de carbone dans l’atmosphère, un record sans précédent.

L’Arctique est adapté au froid depuis si longtemps que les scientifiques n’ont aucune idée de la quantité ni de la rapidité avec laquelle le carbone sera libéré si le pergélisol fondait plus rapidement, a déclaré Palucis, dont le groupe de recherche utilise l’Arctique comme substitut. pour Mars pour étudier les processus de surface de la planète rouge. « Même si l’Arctique a connu un réchauffement dans le passé, ce qui est effrayant, c’est la rapidité avec laquelle il se produit aujourd’hui. Le paysage doit réagir rapidement et cela peut être traumatisant », a-t-elle déclaré.

Palucis se souvient d’un voyage de recherche dans l’Arctique lorsqu’elle a vu un morceau de substrat rocheux de la taille d’un petit bâtiment se détacher d’une falaise. Le coupable de l’éclatement était un petit filet d’eau qui s’était infiltré dans la roche et l’avait fragilisée.

« Il s’agit d’un paysage adapté aux conditions plus froides, donc lorsque vous le modifiez, même une petite quantité d’eau s’écoulant à travers la roche suffit à provoquer un changement substantiel », a déclaré Palucis.

« Notre compréhension des paysages arctiques est plus ou moins la même que celle que nous avions avec les paysages tempérés il y a 100 ans », a-t-elle déclaré. « Cette étude est une première étape importante pour montrer que les modèles et les théories dont nous disposons pour les bassins versants tempérés ne peuvent tout simplement pas être appliqués aux régions polaires. C’est une toute nouvelle série de portes à franchir pour comprendre ces paysages.

Les carottes de sédiments collectées dans l’Arctique ont montré d’importants ruissellements de sol et des dépôts de carbone il y a environ 10 000 ans, suggérant une région beaucoup plus chaude qu’elle n’existe actuellement, a déclaré Del Vecchio. Aujourd’hui, des régions comme la Pennsylvanie et le centre de l’Atlantique des États-Unis, situées juste au sud de la partie la plus éloignée des glaciers de la période glaciaire, présagent de l’avenir de l’Arctique moderne.

« Nous avons des preuves du passé selon lesquelles beaucoup de sédiments ont été rejetés dans l’océan lors du réchauffement », a déclaré Del Vecchio. « Et maintenant, nous avons un instantané de notre article montrant que l’Arctique recevra davantage de canaux d’eau à mesure qu’il se réchauffe. Mais rien de tout cela n’équivaut à dire : « C’est ce qui se produit lorsque vous prenez un paysage froid et que vous augmentez la température très rapidement. » Je ne pense pas que nous sachions comment cela va changer.

L’étude a été financée par la National Science Foundation, la National Aeronautics and Space Administration, le Army Research Office et le Neukom Institute for Computational Science.