Les chercheurs en technologie de la Géorgie ont développé une formule mathématique pour prédire la taille des lacs qui se forment sur la fonte des calottes glaciaires – dépassant leur profondeur et leur portée sont liées à la topographie de la calotte glaciaire elle-même.
L'équipe a exploité la physique, les simulations de modèles et l'imagerie satellite pour développer des équations mathématiques simples qui peuvent facilement être intégrées dans les modèles climatiques existants. Il s'agit d'un outil premier de son genre qui améliore déjà les modèles climatiques.
« Les lacs de fonte jouent un rôle important dans la stabilité des calotations glaciaires, mais auparavant, il n'y avait aucune contrainte sur ce à quoi nous nous attendons à ce que leur taille maximale soit en Antarctique », explique Danielle Grau, en chef de l'étude, un doctorat. Élève à l'école de la Terre et des sciences atmosphériques. « J'ai été intrigué par l'idée de quantifier le rôle que nous pouvions nous attendre à ce qu'ils jouent à l'avenir. »
L'article, «prédire la profondeur moyenne et la fraction de zone des lacs de fusion supraglaciaire antarctique avec des paramétrisations basés sur la physique», est publié dans Communications de la nature.
En plus de Grau, l'équipe de recherche comprend l'école de la Terre et de l'atmosphère, le professeur Alexander Robel, qui est conseiller de Grau, et Azeez Hussain (Phys 2025).
Leurs prédictions montrent que la majorité de ces lacs seront inférieurs à un mètre de profondeur et s'étendent jusqu'à 40% de la surface de la calotte glaciaire.
« De nombreux modèles n'incluent aucune donnée sur les lacs à la surface des calottes glaciaires, tandis que d'autres simulent ces lacs de fusion qui poussent jusqu'à ce que la glace s'effondre », explique Robel.
« Nos résultats montrent que la réalité est quelque part entre les deux – et que la taille maximale de ces lacs peut être prédite en utilisant ces nouvelles équations. Cela nous donne des nombres réels et concrets à utiliser dans les modèles climatiques. »
Du projet d'été à la découverte par satellite
GRAU a commencé à travailler sur le projet en tant qu'étudiant de premier cycle lorsqu'elle a postulé pour un programme de recherche d'été pour les étudiants de premier cycle organisé par la School of Earth and Atmospheric Sciences.
Inspiré par la recherche sur le lac terrestre, Grau et Robel ont étudié «l'auto-affinité» de la calotte glaciaire antarctique – une propriété associée à la rugosité de surface à différentes échelles. Par exemple, un paysage comme le parc national de Badlands, avec de nombreuses collines roulants d'une large gamme de tailles, aurait une auto-affinité différente de celle d'une prairie plate avec trois grands volcans.
« Une étude précédente avait utilisé cette propriété pour prédire la taille des lacs et des étangs terrestres, et nous étions curieux de savoir si nous pouvions utiliser une approche similaire pour les lacs supraglaciaires en Antarctique », explique Grau. « Établir que la calotte glaciaire antarctique a également cette propriété a été la première étape dans la poursuite de cette recherche plus en profondeur. »
Les mathématiques de la fonte
Grau a poursuivi l'enquête en tant que doctorat. Étudiant dans le laboratoire de Robel. Ensemble, ils ont démêlé la physique de la façon dont les eaux de fonte se déplacent à travers la surface de la glace, concevant un «glacier dans un ordinateur» qui imite l'accumulation et le mouvement des eaux de fonte à travers diverses topographies.
« Nous avons conçu un algorithme et l'avons intégré à un modèle que le groupe GT Ice & Climate a utilisé dans le passé », explique Grau.
« À partir de cela, nous avons pu voir comment les lacs se formeraient sur différentes surfaces à travers des milliers de scénarios. C'était le fondement des équations mathématiques que j'ai développées, qui peuvent prédire la profondeur du lac et la surface du lac basée sur la propriété d'auto-affinité. »
Pour vérifier leurs résultats, Grau a enrôlé l'aide de Hussain – alors un premier cycle à la School of Physics – pour examiner les données satellites du programme satellite Landsat (qui capture la photographie détaillée de la surface de la Terre depuis l'espace) pour mesurer les lacs supraglaciaires existants et la topographie de surface.
« C'était excitant de voir comment nos prédictions se sont alignées avec ce que nous voyions dans l'imagerie satellite », explique Robel. « Cela montre que notre solution est une avenue en béton pour que les modèles climatiques incorporent de manière réaliste des lacs supraglaciaires. »
Grau travaille déjà pour incorporer les équations de l'équipe dans un modèle atmosphérique utilisé par la NASA en plus d'un modèle de calotte glaciaire développé par le Laboratoire de propulsion de jet de la NASA et le Dartmouth College.
« En transformant des modèles complexes et des données satellites en équations prédictives simples, nous donnons aux modèles climatiques un nouvel objectif pour voir l'avenir », dit-elle.
« C'est un petit morceau du puzzle, mais qui nous aide à comprendre comment les calottes glaciaires réagissent à un monde réchauffant. »
