Les calottes polaires Isostasie Champ de température

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1 1 M2R STUE / Cours «Neige et Glace» Les calottes polaires Isostasie Champ de température F. Parrenin Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'environnement Grenoble

2 2 L'isostasie sous-glaciaire Rigidité de la lithosphère (influence d'une charge à jusqu'à qq centaines de kilomètres) Fluage de l'asthénosphère Sous le poids des calottes, la croûte s'enfonce à peu près 1/3 de l'épaisseur de glace Cela prend plusieurs milliers d'années (~3 ka)

3 3 Effet de l'isostasie Influence la position de la ligne d'échouage Cette ligne d'échouage peut donc varier bien après que la charge glaciaire ait été modifiée Lorsque les calottes fondent, leur socle est momentanément plus bas donc les calottes sont instables (température plus élevée et pression hydraulique plus importante)

4 4 Modèles de Terre sphériques, viscoelastiques, autogravitants, unitaires CF. E. Le Meur, thèse, 1996.

5 5 Modèles simplifiés à deux composantes

6 6 Le modèle «relaxé régionalisé» Déflexion de la plaque lithosphérique Dumas, thèse, 2002.

7 7 Le modèle «relaxé régionalisé» Fluage de l'asthénosphère Dumas, thèse, 2002.

8 8 Champ de température Température=Température de surface advectio n diffusion production de chaleur par déformation Base tempérée (Fonte/regel) Température=Température de fusion Base froide Socle rocheux Flux=flux géothermique

9 9 Les différents types de glaciers Glaciers froids toute la glace est en dessous du point de fusion ou le point de fusion est atteint juste à la base Glacier polythermal une couche basale est au point de fusion Glacier tempéré Toute la glace est au point de fusion sauf une couche de surface qui est tempérée

10 10 Équation de la chaleur Dans la glace : T c g g =div K g grad T c g g v grad T Q g t Variation de température flux conductif Dans le socle : source de chaleur flux advectif T c s s =div K s grad T Q s t

11 11 Chaleur Conditions aux limites En surface : T =T f A la base de la glace : base froide, égalité des flux à l'interface : K g grad g T n =K s grad s T n base tempérée ou au contact de l'océan, température de fusion : T =T f T f dépend de la température L'excès de chaleur est alors transformé en fusion : A la base du socle : T Ks =flux géothermique z

12 12 Le flux géothermique en Antarctique Dépend de l'âge de la croûte Plus élevé en Antarctique de l'ouest Cf. Shapiro and Ritzwoller, EPSL, 2004

13 Le flux géothermique dans l'hn 13 Cf. Shapiro and Ritzwoller, 2004

14 14 Temp. de surface en Antarctique

15 15 Temp. de surface au Groenland

16 Les paramètres thermiques Yen, CRREL report, Capacité thermique Chaleur latente de fusion Conductivité thermique Diffusivité thermique 16 0 C -50 C c J kg-1 K kj kg K W m-1 K k=k/ρc 10-6 m2 s dépendance en température : c= T 3 K =9.828 exp T dépendance en densité : (limites haute et basse) K = Ki K= 3 i 3 Van Dusen (1929) Schwerdtfeger (1963)

17 Température de fusion Pour la glace pure : T =T 0 p T0=273.16K=0.01 C : point triple de l'eau (à P0=0.6 kpa) β=7.42x10-5 K/kPa p=p-p0 : différence par rapport à la pression du pt triple Avec de l'air dissout : β'=9.8x10-5 K/Pa ou Avec des impuretés : T =T 0 ' p 8.7x10-4 K/m An T =T 0 ' p W A=1.86 K kg/mol n=concentration en sel (mol/kg) W=fraction massique d'eau 17 Paterson, 1994

18 18 Température dans les trous de forage Paterson, 1994

19 Autres profils de température GRIP et DYE-3, Groenland courbes bleues = mesures courbes rouges = modélisation en état stationnaire. Dahl-Jensen et al., Science, Dôme C, Antarctique Essentiellement de la diffusion 19

20 Temp. de surface à partir du profil 20 Principe : On teste des milliers de scénarios (temp. de surface + flux géothermique) On sélectionne ceux qui sont en accord avec les mesures

21 Reconstructions à GRIP (Groenland) 21 Histogramme s de probabilité Dahl-Jensen, Science, 1998

22 Reconstructions à GRIP (Groenland) Dahl-Jensen, Science,

23 Reconstructions à GRIP (Groenland) Dahl-Jensen, Science,

24 Diffusion de la chaleur Hypothèse : température sinusoïdale en surface T 0, t =T s sin t T z, t =T s exp z / 2 k sin t z / 2 k Vitesse de propagation : 2 k 1 /2 Profondeur P(a) z(m) w (m/an) Δt (a) 24 de propagation d'une onde cyclique :

25 Temp. dans le névé au Groenland 25 Paterson, 1994.

26 26 Effet de la fusion en surface Paterson, 1994.