Les calottes polaires

1 26/03/2013, Ecole Nationale Supérieure de Géologie de Nancy Les calottes polaires Frédéric Parrenin Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'environnement (LGGE) CNRS, Université Joseph Fourier, Grenoble

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

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

4 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

5 Les calottes de l hémisphère nord lors du dernier maximum glaciaire La Terre actuelle

Intérêts et caractéristiques des calottes polaires 6 Réservoir essentiel de l eau douce sur Terre (98%). Composant majeur du système climatique (albédo, topographie, eaux de fonte, niveau des mers... ) Niveau des mers actuellement : +70 m au Dernier Maximum Glaciaire : +190 m Echelles de temps très variées : de la journée (température, accumulation de neige) à 10 ka (toujours pas en équilibre depuis le DMG)

7 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

8 Mécanismes en jeu dans l évolution des calottes DENSIFICATION FUSION HYDROLOGIE SOUS GLACIAIRE

9 Les diverses approches pour comprendre les calottes polaires Observations contemporaines Statiques (ex. la topo à un instant donné) Dynamiques (les variations observables) Les données du passé Géomorphologie Données issues des carottages La modélisation numérique

10 Les observations par satellites topographie de surface très bien connue au centre (~1 m) moins bien sur la côte (pente plus forte) Vitesses de surface Par corrélation d'image ou interférométrie Couverture disparate Cf. projet VELMAP Vitesses dans le glacier Lambert par interférométrie (Legrésy, 2003)

11 Les données terrain Vitesses dans la région de Dôme C obtenue par mesures GPS

Les données radar 12 Couches internes (isochrones) Épaisseur de glace Couverture disparate Peut détecter la présence d'eau à la base Compilation socle : BEDMAP

13 Informations issues des forages profonds Composition isotopique microstructure Profil de température 100 m 2990 m 3000 m Température/accumulation dans le passé Histoire de la déformation Conditions basales, flux géothermique température de surf.,...

14 Les données géomorphologiques Présence de calotte, Direction de l'écoulement Synthèse du projet QUEEN Hatestrand, thèse

Les modèles thermo-mécanique 15 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 16 Interprétations des forages profonds datation (glace et gaz) origine de la glace Histoires mécanique et thermique 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

Plan du cours 17 Les processus de surface L'isostasie Le champ de température L'hydrologie sous-glaciaire Déformation/écoulement de la glace Rétroactions internes et climat/calottes Reconstruction des calottes passées Bilan de masse actuel

18 Les processus de surface

19 La fonte en Antarctique Nb de jours de fonte en Antarctique en 2005 de 0 à 100 jours G. Picard, communication personnelle

20 La fonte au Groenland Au moins 1 évt de fonte évolution rapide ces 15 dernières années Voir aussi Mote, GRL, 2007. http://cires.colorado.edu/science/groups/steffen/greenland/melt2005/

21 Densification de la neige en glace densité de surface densification rapide Δâge densification lente fermeture des bulles compression progressive des bulles typiquement 0.35 dépend du type de surface glissement des grains dominant déformation des grains dominante densité dépend de la structure des pores

22 Porosité à Vostok Coupe 2D noir = air blanc = glace Arnaud et al., 2000

23 La fermeture des bulles Se fait en fait très progressivement Maximum de porosité, puis décroissance due à la compression des bulles Possible effet de scellement des couches denses sur les couches moins denses Martinerie et al., EPSL, 1992; Arnaud, thèse, 1997.

24 Densité à la fermeture (Rmq : seulement sites sans fusion.) Varie d'un site à l'autre fct de quoi? Pas clair... Corrélation avec la température à la fermeture Martinerie et al., EPSL, 1992

25 L'isostasie

L'isostasie sous-glaciaire 26 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)

27 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)

28 Le champ de température

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

30 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

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

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

33 Temp. de surface en Antarctique

34 Temp. de surface au Groenland

35 Température dans les trous de forage Paterson, 1994

36 Autres profils de température GRIP et DYE-3, Groenland courbes bleues = mesures courbes rouges = modélisation en état stationnaire. Dahl-Jensen et al., Science, 1998. Dôme C, Antarctique Essentiellement de la diffusion

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

38 Hydrologie

39 Hydrologie sous-glaciaire Zwally et al., Science, 2002 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 Bibiographie : V. Peyaud, thèse, 2006.

40 Eau provenant de la surface Zwally et al., Science, 2002 L'eau de surface s'infiltre dans les moulins et crevasses Elle lubrifie l'interface glace/socle Pourrait expliquer l'accélération récente au Groenland

41 La façon dont l'eau s'écoule... Film d eau (Weertman) Cavités reliées par des petits canaux (Kamb) Gros canaux dans la glace (Rothlisberger) Canaux dans le sédiment (Walder et Fowler) Diffusion dans le sédiment (loi de Darcy)

Les eskers 42 Manitoba, Canada Butte allongée, pouvant atteindre qq 100 m Dépôt de matériaux dans les tunnels empruntés par les rivières sous-glaciaires

43 L'hydrologie dans GRISLI température/ fusion basale gradient hydraulique/ direction de l'écoulement

44 Lacs sous-glaciaires Détectés par échos radar. Impact sur l'écoulement Y a-t-il de la vie? D après Siegert et al., 2005

45 Le lac Vostok vu par radar Leonard et al., GRL, 2004.

Le lac Vostok vu de la surface 46 Relâchement des contraintes => surface plate Présence de bourrelets en amont et en aval

47 Écoulement sur le lac Vostok Les baies présentes sur la côté amont laissent des marques dans les isochrones Permet de déterminer les lignes d'écoulement Chgt de direction d'un côté à l'autre du lac Tikku et al., EPSL, 2004

48 Vostok - circulation de l'eau Une zone de fusion et une zone d'accrétion Petit et al., Lectures in Astrobiology

49 Vostok glace d'accrétion inclusions Petit et al., Lectures in Astrobiology glace de glacier polycrystalline glace d'accrétion monocrystalline

Présence de vie dans le lac Vostok? 50 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.

51 Les décharges entre les lacs Wingham et al., Nature, 2006 L'eau s'est évacuée de L1 à U1-U2-U3 en 2 ans Le processus exact reste mal connu Qu'est-ce qui contrôle le débit?

52 Les Jökuhlaups Vidange d'un lac sous-glaciaire par un canal Courant en Islande à cause des éruptions sous-glaciaires L'exemple du Grímsvötn (Islande)

53 Écoulement et déformation

Forces en présence 54 Pression atmosphérique Gravité Frottement sur le fond et sur les bords Pression de l eau au fond et au bord des ice-shelves

55 Divers mécanismes d écoulement Vitesses horizontales en fct de la profondeur : A : déformation sous l action de la contrainte de cisaillement B : glissement sur l interface glace-socle C : déformation du sédiment sous-glaciaire

Vision schématique de la déformation 56

57 Vitesses de bilan - Antarctique Vitesses moyennes Fait apparaître des fleuves de glace Ice-streams en anglais Représentent 15% de la côte, mais évacuent 90% de la glace Testut, thèse, 2002.

58 Ice-streams de Ross Ice-stream C s'est arrêté il y a 150 ans Comportement oscillatoire? ice-stream B : 500 m/an Retzlaff and Bentley, J. Glaciol., 1993. Joughins and Tulaczyk, Science, 2002

59 conditions à la base sont à l origine Les de l activité des fleuves de glace

Les plate-formes 60 Peyaud, 2006

61 Mécanisme d écoulement d un ice-shelf A : force nette proportionnelle à l'épaisseur au carré B : déformation sous l action de la contrainte longitudinale

L ice shelf sert d arc-boutant à la calotte d Antarctique de l Ouest 62

63 Dans quelle configuration l'effet d'arc boutant a-t-il lieu? (a) (b) With this model, only the grounding zones like (c) with both : An ice stream region A confined ice shelf (c) Are sensitive to changes in ice shelf thickness

64 Rignot et al., GRL, sept. 2004 => Accélération de l'écoulement en amont du Larsen A.

65 Rétroactions internes et mécanismes calotte - climat

66 Interactions et rétroactions impliquant les calottes glaciaires Rétroactions internes Couplage déformation-température Couplage production d eau basale-glissement Rétroactions négatives vitesses-température Interactions avec l atmosphère Interactions avec l océan Interactions avec la Terre solide (isostasie, érosion)

Couplage thermomécanique 67 La déformation de la glace dépend de la température La déformation produit de la chaleur Rétroaction positive T déformation chaleur T

Couplage eau basale - glissement 68 Le glissement ne peut apparaître que si la base atteint le point de fusion Le glissement dépend de la pression d eau basale Le frottement sur le fond ou la déformation du sédiment dégage de la chaleur Rétroaction positive T fusion glissement chaleur fusion La rétroaction liée à l eau peut être déplacée à cause de l hydrologie sous-glaciaire L eau a tendance à aller dans les vallées L eau peu s accumuler dans un lac sous glaciaire et se vidanger brusquement

69 Rétroactions internes négatives Vitesse advection. Si les vitesses augmentent, plus de froid est advecté par l écoulement refroidissement de la base Vitesse-géométrie-température Si les vitesses augmentent, l épaisseur diminue, l effet isolant diminue et la base se refroidit.

avec l'atmosphère 70 Ce qui change pour l atmosphère quand il y a une calotte Albedo beaucoup plus élevé -> refroidissement Modification de la circulation atmosphérique Ex split du jet au dessus du Laurentide Pour la température à la surface de la calotte: Relation altitude-température

71 Impact de la relation altitude-température Plus la surface est élevée plus la température est basse Instabilité si la calotte passe en dessous d un seuil (ou si le seuil change pour diverses raisons Influence de l isostasie Les calottes dont l extension est limitée par l ablation (bord terrestre) sont principalement gouvernées par l ablation. En particulier le Groenland

avec l'atmosphère (suite) 72 Ce qui change pour l atmosphère quand il y a une calotte Rugosité de la surface (influence sur le vent) Vents catabatiques Effet de l orographie sur la précipitation (favorise la précipitation au vent). Lacs périglaciaires (tendent à limiter l ablation)

73 Lacs périglaciaires en Eurasie il y a 90 000 ans La calotte glaciaire faisait barrage à l écoulement de grands fleuves d Eurasie Le lac formé refroidissait le climat en été D après Krinner et al. (2003)

Avec l'océan 74 Niveau des mers Injection d eau douce dans l océan L impact dépend de la localisation (Mississipi ou Saint Laurent pour le Laurentide) Certains auteurs estiment que l Antarctique peut également jouer un rôle majeur (controversé) Modification possible de la circulation thermohaline

75 La variabilité millénaire Sur les derniers 120 kans Température Antarctique Température Groenland Poussières EPICA community, Nature, 2006

76 Les événements de Heinrich

77 Rôle de l'antarctique Certains auteurs estiment un rôle majeur La formation des eaux profondes antarctique (très salées) dépendrait de l extension de la calotte sur le plateau continental non englacé image NOAA

Influence de l océan sur les calottes 78 La température et la circulation de l'eau sous les plate-formes a une influence sur le bilan de masse de celles-ci.

79 Les calottes dans le passé

Que savons nous de l évolution des calottes du passé? 80 Aux grandes échelles de temps (millions d années) les mécanismes impliqués dans l évolution des calottes glaciaires semblent être : CO2 position des continents Insolation La Terre a quelquefois été sans glace

Bathymétrie de l'arctique et calotte 81 Fennoscandienne

82 Bathymétrie autour de l'antarctique La calotte Antarctique peut s'étendre sur le plateau continental peu profond En particulier au niveau des mers de Wedell et de Ross Image NOAA

83 Quelles indications de la présence de calottes passées? Variations du niveau des mers (signal global) δ18o des foraminifères océaniques Terrasses coralliennes isostasie Géomorphologie Bocks ératiques Moraines frontale Moraines de fond Modélisation

Niveau des mers et composition isotopique 84 de l océan et des calottes polaires O de l'océan est un proxy du niveau des mers 18 Difficulté : il peut y avoir des variations locales

85 La synthèse LR04 Somme de courbes benthiques Disponible jusqu'à 5.3 millions d'années Lisiecki and Raymo, Paleoceanography, 2005

86 La synthèse LR04 (suite) Globalement, une tendance lourde à la glaciation lors des 5 derniers millions d'années.

87 Sur 70 millions d'années... Calotte Antarctique Calottes de l'hémisphère Nord Partielle ou éphémère Permanente calottes de l'hémisphère Nord Antarctique de l'ouest Antarctique de l'est calotte Antarctique Attention, signal composite de température et de niveau des mers! Zachos et al., Science, 2001.

La reconstruction ICE 5-G (Peltier) 88

89 Niveau de la mer depuis le DMG Noir : Waelbroeck et al., QSR, 2002. Rouge/Brun : reconstruction ICE-5G basée sur les coraux de la Barbade. Croix : les données coralliennes avec leur barre d'erreur Les couleurs différentes représentes des espèces différentes. DMG = dernier maximum glaciaire IPCC, 2007, chap. 6

90 Synthèse des données disponibles sur la Fennoscandie : projet Queen QUEEN Limites de la fennoscandie : il y a 110 ka au DMG au max durant le Quaternaire Svenssen et al., 1999

91 Déplacement de la Fennoscandie Au cours du dernier cycle glaciaire, la position de la Fennoscandie a changé. D'apres Svendsen et al. 2004

92 L'Antarctique au LGM en gris : calotte sous-marine +14 m niveau des mers 2/3 Ant Ouest 1/3 Ant. Est Denton and Hugues, QSR, 2002.

93 Retrait de l'antarctique Anderson et al., QSR, 2002.

94Recul de la ligne d échouage dans la mer de Ross Bindschadler and Bentley, 2002

95 l'antarctique par GRISLI 0-420 ka Ritz et al., JGR, 2001.

Lacs périglaciaires lors de la déglaciation en Amérique du Nord 96 D après Marshall et al. 1999 Modèle de calotte couplé à un modèle d'hydrologie

Représentation de la Fennoscandie il y a 90 000 ans 97 Il y a 90 000 ans, la calotte glaciaire formait un barrage pour l eau fluviale et pour l eau de fonte ce qui a été à l origine des grands lacs représentés Ces lacs avaient sans doute un impact sur le bilan de masse en surface (plus frais l'été) Mangerud et al. 2001 Krinner et al. 2004

98 Bilan de masse

Comment évaluer le bilan de masse? 99 Mesure de l'évolution du volume par altimétrie satellitale on corrige des mouvements isostatiques et des variations d'épaisseur du névé Mesure de l'évolution de la masse par gravimétrie satellitale on corrige de l'évolution de masse de l'atmosphère, du socle rocheux ou de masses présentes à proximité de la calotte (océan, hydrologie continentale, etc.) Mesures des flux entrant et sortant accumulation/ablation : données terrains et modèles mesures de vitesses et d'épaisseur le long de la côte

Comment fait-on des prédictions? 100 Pour prédire l'évolution du niveau des mers, il faut prendre en compte : les chgts de bilan de masse de surface précipitations et ablation on utilise pour cela des GCMs les chgts dans l'écoulement dus à l'équilibrage des calottes depuis la période glaciaire à la fusion des plate-formes à l'augmentation de la lubrification basale (hypothèse de Zwally) les modèles ne sont pas encore au point...

Variations de volume au Groenland 101 IPCC, 2007, chap. 4 Entre 1998/1999 et 2005 Survols avions en 1998/1999 ICESat (laser) en 2005 Épaississement au centre Amincissement sur la côte

102 Variations de volume de l'antarctique Entre 1992 et 2003 Basé sur le satellite ERS D'après Davis et al., 2005 Triangles = ice-shelves s'épaississant (rouge) ou s'amincissant (violet) de plus de 30 cm/an (Zwally et al., J. Glaciol., 2006) Épaississement à l'est Amincissement à l'ouest IPCC, 2007, chap. 4

Retrait des glaciers de la péninsule Antarctique en 50 ans 103 Cook et al., Science, 2005.

GRACE Velicogna and Wahr 104 Résolution de l'ordre de 400 km Les calottes perdent de la masse (100 km3 de glace ~ 1 mm niveau des mers) Antarctique de l'ouest = 150 km3/an Antarctique de l'est avril 2002 août 2005 Velicogna and Wahr, Science, 2006. Groenland =250 km3/an avril 2002 avril 2006 Velicogna and Wahr, Nature, 2006.

accélération du glacier Jakobshavn 105 Joughin et al., Nature, déc. 2004 1992 2000 Jakobshavn Ibrae glacier : drainage de 6.5% du Groenland!!! accélération : 0.06 mm/an Sea Level, 4% du chgt du XXe siècle!!!

BM de surface au Groenland 106 Box et al., J. Climate, 2006 (1988-2004) : -100 Gt/an en moyenne Accélération de 40 Gt/an sur cet intervalle Hanna et al., JGR, 2005 (1961-2003) : 1961-1990 : +22±51 Gt/an 1993-1998 : -14±55 Gt/an 1998-2003 : -36±59 Gt/an Estimations différentes mais même tendance à l'accélération de la perte.

Accélération de Pine Island Glacier 107 Vitesses mesurées en surface : Joughin et al., GRL, 2003

108 Flux de glace en Antarctique Vitesses calculées par interférométrie 1992-2006 Bilan de surface évalué par un modèle Bassins délimités par les lignes noires Ronds rouges : perte Ronds bleus : gain Rignot et al., Nature Geoscience, 2008.

109 BM au Groenland : synthèse IPCC, 2007, chap. 4 Dépend de la période considérée Les estimations ne sont pas toute en accord Tendance générale à l'accélération de la perte de masse

110 BM en Antarctique : synthèse IPCC, 2007, chap. 4 Dépend de la période considérée Les estimations ne sont pas toute en accord Tendance générale à l'accélération de la perte de masse

111 Contributions to sea level rise IPCC, 2007, TS Principalement expansion thermique et fonte des glaciers Fonte des calottes secondaires jusqu'à présent, mais dans le futur?