La fonte de la banquise favorise-t elle le réchauffement de la mer et donc la fonte de la banquise?

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1 La fonte de la banquise favorise-t elle le réchauffement de la mer et donc la fonte de la banquise? On pourrait penser en première approche que la fonte de la banquise se traduisant par un apport liquide froid est de nature à refroidir les eaux océaniques de surface. En fait, les effets observés sont contraires à cela. La fonte de la banquise favorise le réchauffement de la mer qui ensuite accélère le processus de fusion des glaces marines. L expérience proposée a pour objectif d approfondir ces aspects et notamment les interactions entre rayonnement solaire, eau et banquise, à l aide d un modèle. La banquise : La banquise est de la glace de mer. Lorsque la température de l eau de mer descend en-dessous de 2 C, des cristaux commencent à se former en surface, puis la couche de glace s épaissit jusqu à atteindre deux à trois mètres, voire plus si elle est pluri annuelle. En arctique, la banquise correspond à une immense couche de glace très étendue (plusieurs millions de km²), mais très fine vis-à-vis de la profondeur de l océan, qui est de l ordre de 3000 à 4000 m. La surface de la banquise varie considérablement au cours d une année ainsi que le montrent les deux images ci-dessous issues de mesures effectuées par des satellites. Extension comparée de la banquise arctique le 1 er juin 2007 (à gauche) et le 27 août (à droite) de la même année. Trois mois séparent ces deux dates et permettent de mesurer l importance de la régression de la glace. Selon les années, l étendue de la banquise arctique varie entre 14 ou 15 millions de km², lors de son maximum d extension, début mars, et environ 5 millions de km² lors de son minimum d extension, début septembre. Pour l année 2007, la banquise avait fortement fondu pendant l été, sa surface passant de 12 millions de km² le 1 er juin à 4, 5 millions de km² fin août et 4,3 millions de km² à son minimum, vers le 15 septembre Le disque noir correspond à l absence de données. OSI-SAF ( 1

2 Etat de surface de la banquise : L image satellitaire ci-contre acquise au nord du Spitzberg par le satellite européen Envisat montre qu elle est organisée en plaques plus ou moins étendues, isolant parfois des zones d eau libre. Cet ensemble, soumis aux mouvements de la mer et au vent est mobile, peut évoluer rapidement et se disloquer, comme on peut le voir ici à la limite des eaux libres de glaces. La surface de la banquise est loin d être rigoureusement plane. Les plaques sont séparées soit par des crêtes de compression (dont certaines peuvent atteindre une dizaine de mètres de hauteur) lui donnant un aspect chaotique, soit par des fissures ou des zones d eau libre plus ou moins étendues (on parle alors de polynies) qui varient au gré de la saison, des courants et des vents. ESA - Envisat Fissures et chenaux : Ci-contre : A gauche, une fissure dans la glace. A droite : quelques jours plus tard, la fissure s est largement ouverte et un chenal est apparu. La situation est peu prévisible et son évolution incertaine. Les deux rives du chenal peuvent se rapprocher ou s écarter en fonction des conditions de vent. Ci-contre : Large chenal ouvert dans la banquise. Les trois photos précédentes ont été prises par Jean-Louis Etienne, lors de la mission banquise (dérive arctique), en Septième Continent. 2

3 Expérience L expérience proposée vise à faire comprendre le processus de régression rapide de la banquise pendant la saison estivale, lorsqu elle est soumise au rayonnement solaire. Matériel nécessaire : - un récipient transparent, d une contenance d environ 2 L : une cuvette, si possible de forme carrée - une plaque de contrecollé de 3 ou 5 mm d épaisseur, destinée à simuler la banquise, découpée aux dimensions de la cuvette moins 5 mm sur chacun des côtés. - un thermomètre numérique à sonde extérieure (ou un thermomètre à liquide, lesté pour rester immergé) - un minuteur - une source de lumière (lampe à incandescence, de l ordre de 50 W). L idéal est de disposer d une ampoule de phare de voiture ancien modèle, alimentée en 12 V. On peut également utiliser une lampe de TP, type lampe de bureau, mais éviter si possible un dispositif alimenté en 220 V, pour des raisons de sécurité (dans ce cas, seul le professeur peut réaliser l expérience). Ne jamais manipuler le montage électrique ou l interrupeur avec les doigts mouillés ou humides. Etude qualitative ; mode opératoire : L expérience s effectue en deux phases : 1) Verser 0,5 L d eau dans la cuvette ; agiter, immerger la sonde du thermomètre et noter la température initiale de l eau. - allumer la source de lumière et déclencher le minuteur. - au bout de 15 minutes, puis de 30 minutes, noter la température de l eau. 2) réitérer la même expérience, mais en ayant pris soin de disposer la plaque de contrecollé qui flotte à la surface de l eau (renouveler l eau, pour que sa température initiale soit quasiment identique à celle de la situation précédente). En fin d expérience, on constate que l élevation de température de l eau est maximale dans le cas n 1, c'est-à-dire lorsque la surface libre de l eau est directement atteinte par le rayonnement. 3

4 Etude quantitative ; mode opératoire : Il est globalement similaire au précédent, mais le matériel mis en œuvre diffère. Ci-contre : montage Le thermomètre à affichage numérique est remplacé par un dispostif d acquisition de données qui permet de piloter la mesure de température, à des intervalles de temps réguliers et choisis par l opérateur, puis d enregistrer les données pour exploitation ultérieure à l aide d un tableur-grapheur. Le dispositif ci-contre est une interface d acquisition portable et autonome (environ 8 heures d autonomie) sur laquelle on peut connecter simultanément 4 capteurs si nécessaire. Les données peuvent être traitées et restituées diretcement sur l écran de l appareil sous forme de tableaux ou de graphes à l aide du logiciel intégré. Elles peuvent être également exportées à l aide d un câble ou d une clé USB vers un autre système de traitement. Ci-contre : Affichage simultané des courbes traduisant l évolution de la température pour les deux phases de l expérience, d une durée de 1800 s. La courbe 1 correspond à l élevation de température de l eau libre (environ 6 C en 30 min) La courbe 2 correspond à l élevation de température de l eau sous «la banquise» (environ 3,2 C en 30 min). La plaque de contrecollé empêche donc très sensiblement l absorption du rayonnement par l eau. Résultats : Du point de vue qualitatif, l expérience, quel que soit le matériel utilisé met clairement en évidence les aspects suivants : - malgré son aspect «miroir» en surface, l eau absorbe l énergie véhiculée par le rayonnement, ce qui se traduit par une élevation de température appréciable. - l interposition d un écran blanc réfléchissant le rayonnement incident limite très sensiblement ce réchauffement de l eau. 4

5 Du point de vue quantitatif : pour élever la température de 1 kg d eau de 1 C, il faut un apport énergétique de 4185 joules. Dans l expérience précédente, la quantité d eau étant égale à 0,5 L, soit 0,5 kg, une élévation de température de 6 C correspond à l absorption par l eau d une quantité d énergie égale à ,5. 6, soit joules. Cette absorption s étant effectuée en 30 minutes (ou 1800 s), La puissance moyenne absorbée est de 6,97 W, pratiquement 7 watts. Ces résultats peuvent paraître faibles, mais ils sont cohérents car la source lumineuse utilisée ici, d une puissance rayonnée de 60 W, diffuse un faisceau s étendant beaucoup plus largement que la surface d eau exposée. Cela montre bien qu il est nécessaire de disposer d une source de rayonnement suffisamment puissante pour que le phénomène puisse être clairement mis en évidence. Interprétation Dans cette expérience, ce sont les phénomènes d absorption et de réflexion du rayonnement incident qui sont en cause. L eau est un mileu très absorbant, et peu réfléchissant, alors que la plaque de contrecollé blanche est peu absorbante et bien réfléchissante.. Le schéma ci-dessus illustre la situation pour la banquise. L albédo exprime la capacité d un milieu à réfléchir le rayonnement solaire. La glace, qui est plutôt un bon réflecteur présente un albédo de l ordre de 0,7, alors que l eau, très absorbante offre un albédo de 0,05 à 0,1. Conclusion : Lorsque la banquise, soumise au rayonnement solaire, se fracture et libère des chenaux, l eau ainsi exposée au rayonnement solaire absorbe pratiquement 95 % de l énergie véhiculée par ce rayonnement. Elle s échauffe donc en surface et cette élévation de température fait fondre la glace environnante. Il en résulte que la nappe d eau libre s élargit, favorisant encore davantage l exposition de l eau au rayonnement solaire et son échauffement et ainsi de suite. Cette «boucle de rétroaction thermodynamique» est donc un facteur important dans le processus de fonte de la banquise. Celle-ci tend à s accélérer lorsque des zones d eau libre de glace apparaissent. 5

6 Ressources documentaires : Pour tout ce qui concerne la définition de la banquise, sa formation, sa structure, se reporter à l Encyclopédie polaire du site jeanlouisetienne.fr : Pour illustrer à l aide de photographies : consulter le diaporama de l Encyclopédie polaire : Pour illustrer à l aide d images satellitaires : consulter la rubrique ressources/documentation/images satellitaires du site jeanlouisetienne.fr : Pour suivre quotidiennement l évolution de la banquise arctique : - les cartes établies par l OSI-SAF (EUMETSAT, Ocean and sea Ice facilities (OSI-SAF) : - les courbes et commentaires du NSIDC (National Snow And Ice Data Center) 6