M2R STUE / Cours « Neige et Glace »

Les calottes polairesIntroduction

F. Parrenin

Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'EnvironnementGrenoble

Le Groenland

1.71 millions de km2 équivalent 7.2 m de niveau des mers calotte terrestre

L’AntarctiqueL’Antarctique

12.37 millions de km2 équivalent 61.1 m de niveau des mers calotte marine – 2 grandes plate-formes

Les calottes du passé

Il y a 770 millions d’années (neoproterozoic)

Hypothèse de la « Snowball Earth »

Au Carbonifère (Pangée) il y a 300 millions d’années

Au dernier maximum glaciaire (21 000 ans) Le Laurentide sur l’Amérique du

Nord La Fennoscandie sur l’Eurasie

Les calottes de l’hémisphère nord lors du dernier maximum glaciaire

La Terre actuelle

Intérêts et caractéristiques des calottes polaires

Réservoir essentiel de l’eau douce sur Terre (98%).

Composant majeur du système climatique (albédo, topographie, eaux de fonte ... )

Niveau des mers actuellement : +70 m au Dernier Maximum Glaciaire : +190 m

Echelles de temps très variées : de la journée (neige) à 10 ka (toujours pas en équilibre depuis le DMG)

Types de calottes

Bord terrestre :

•Forcément en zone d’ablation

• Ex. Groenland,

• Instabilité des petites calottes

Calotte marine :

Se termine dans la mer par un ice-shelf => icebergs

Ex. Antarctique

Mécanismes en jeu dans l’évolution des calottes

DENSIFICATION

FUSIONHYDROLOGIE SOUS GLACIAIRE

Densification de la neige en glace

compression progressivedes bulles

fermeture des bulles

déformation des grainsdominante

glissement des grainsdominant

densité de surface typiquement 0.35dépend du type de surface

densification rapide

densification lente

densité dépend de la structure des pores

Δâge

L'isostasie sous-glaciaire

● Sous le poids des calottes, la croûte s'enfonce● à peu près 1/3 de l'épaisseur de glace (~3 ka)● Cela prend plusieurs milliers d'années

Lithosphère élastique

Manteau visqueux

Calotte polaire

Champ de température

Socle rocheux

Base tempérée(Fonte/regel)

advectiondiffusion

Base froide

production de chaleur par déformation

Flux=flux géothermiqueTempérature=Températurede fusion

Température=Température de surface

Divers mécanismes d’écoulementcalotte posée

A : déformation sous l’action de la contrainte de cisaillement

B : glissement sur l’interface glace-socle

C : déformation du sédiment sous-glaciaire

Vitesses de bilan - Antarctique

Testut, thèse, 2002.

● Vitesses moyennes● Fait apparaître des

fleuves de glace● Ice-streams en anglais● Représentent 15% de la

côté, mais évacuent 90% de la glace

● Comportement irrégulier

Hydrologie sous-glaciaire

● Lubrifie la base● L'eau est produite par fusion● L'eau peut venir de la surface lorsqu'il y a ablation● Lien pression d’eau - niveau des mers

Zwally et al., Science, 2002

Lacs sous-glaciaires

● Détectés par échos radar.

● Impact sur l'écoulement

● Y a-t-il de la vie ?● D’après Dowdeswell

et Siegert, 2002

Les plate-formes et leur écoulement● Ice-shelf en anglais● Importants lorsqu'il y a

confinement

Ice-shelves et icebergs

Wilkes land

Iceberg B15A dans la mer de Ross

L'effet d’arc-boutant des ice-shelves● Ex : le Ross ice-shelf avec l'Antarctique de l'Ouest

Les diverses approches pour comprendre les calottes polaires

Observations actuelles Statiques (ex. la topo à un instant donné) Dynamiques (les variations observables)

Les données du passé Géomorphologie Données issues des carottages

La modélisation numérique

Les observations par satellitestopographie de surface● très bien connue au centre (~1m)● moins bien sur la côte (pente plus forte)●Cf. compilation BEDMAP

Vitesses de surface● Par corrélation d'image ou interférométrie ● Couverture disparate●Cf. projet VELMAP

Vitesses dans le glacier Lambert par interférométrie (Legrésy, 2003)

Les données terrain

Vitesses dans la région de Dôme Cobtenue par mesures GPS

Les données radar● Couches internes (isochrones)● Épaisseur de glace● Couverture disparate● Peut détecter la présence

d'eau à la base● Compilation socle : BEDMAP

Informations issues des forages profondsComposition isotopique

Température/accumulationdans le passé

Profil de température

2990 m

3000 m

100 m

microstructure

Histoire de la déformation

Conditions basales,flux géothermiquetempérature de surf.,...

Les données géomorphologiques

Hatestrand, thèse

● Présence de calotte,● Direction de l'écoulement● Synthèse du projet

QUEEN

Les modèles thermo-mécanique● Les modèles globaux grande échelle

– ex : le modèle GRISLI développé au LGGE● Prise en compte des ice-streams et ice-shelves● Résolution mécanique simplifiée (Cf. couche mince...)● résolution de base de 40 km + raffinement de grille● Permet des simulations sur plusieurs 100 ka

– qq autres modèles équivalent dans le monde● Les modèles locaux

– modèles « cinématique » pour l'interprétation des forages– modèles locaux complets (ex : ELMER-ICE au LGGE)

● résolution thermomécanique complète● Trop coûteux en temps de calcul pour des simulations longues

Les enjeux de l'étude des calottes

● Interprétations des forages profonds– datation (glace et gaz)– origine de la glace

● Les reconstructions des calottes passées– Tester les modèles de climat

● Bilan de masse actuel– niveau des mers– impact sur la circulation thermohaline

● Étude des environnements sous-glaciaire

Interprétation des forages

Socle rocheux

TS

TIAccu

δD

h

h×Th

Fonte et glissement

● Âge de la glace● Âge du gaz● Fonction

d'amincissement● Origine spatiale de la

glace

a z =∫0z 1Accu z ' Th z '

dz '

Les forages profonds réalisés

DML

Taylor Dome

Talos Dome

Sipple Dome

BerknerNorthGRIP

Paleoclimate Modelling Intercomparison Project 2

● Ocean Atmosphere Vegetation GCMs● Mid-Holocene (6 ka); Early Holocene (10 ka)● LGM (21 ka); Early Glacial (115 ka)● Freshwater fluxes experiments

http://pmip2.lsce.ipsl.fr/

Contributions to sea level rise

● Principalement expansion thermique et fonte des glaciers● Fonte des calottes secondaires jusqu'à présent,

mais dans le futur ?

IPCC, 2007, TS

Ice sheets elevation changes

● G: thinning at the coast, thickening in the centre● A: thinning mainly in West Antarctica

IPCC, 2007, TS

Présence de vie dans le lac Vostok ?

● Glace de regel à la base du glacier

● Cette glace a été forée● Quelques bactéries

semblent avoir été détectées

● Cf. revue Petit et al., Lectures in Astrobiology.

Plan du cours

● Le névé – de la neige à la glace● L'isostasie● Le champ de température● L'hydrologie sous-glaciaire● Déformation/écoulement de la glace● Rétroactions internes et climat/calottes● Bilan de masse actuel● Reconstruction des calottes passées