Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'Environnement
mise à jour : 28/09/2009
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Il y a plusieurs milliers d'années, la portion côtière de la calotte glacière du Groenland a connu une importante perte de glace à cause de températures relativement chaudes. Au sein d'une équipe internationale, des chercheurs du Laboratoire de glaciologie et de géophysique de l'environnement (LGGE, Université Joseph Fourier / CNRS) ont pu décrire cette partie de l'histoire du Groenland grâce à l'étude de carottages conduits au travers de la calotte. Ces observations, réalisées avec le soutien du Groupement de recherche européen "Vostok" (INSU-CNRS) et de l'Institut polaire français Paul Emile Victor, fournissent un éclairage nouveau sur la possible évolution des glaces du Groenland, sous l'effet du réchauffement climatique d'origine humaine. L'étude parait le 17 septembre 2009 dans la revue Nature. La fonte partielle de l'immense calotte de glace recouvrant le Groenland est désormais un sujet d'inquiétude majeure pour le futur en raison du réchauffement climatique. La fonte en totalité de cette calotte conduirait le niveau des mers à s'élever en moyenne de 7 mètres. Une équipe de glaciologues danois, canadiens, français et russes vient de reconstituer l'histoire du climat et des altitudes de surface de la calotte groenlandaise au cours de l'Holocène, la période relativement chaude que connaît la planète depuis environ 11 000 ans. Leur étude montre qu'entre - 7 000 et - 10 000 ans, le Groenland a connu une température maximale supérieure d'environ 2°C à la température actuelle. Ces conditions chaudes étaient accompagnées d'une diminution de l'altitude de surface des régions côtières de la calotte de plusieurs centaines de mètres (entre 600 et 200 mètres pour les sites étudiés). Les chercheurs ont déchiffré cette histoire en analysant différents paramètres mesurés dans des carottes prélevées dans la calotte de glace principale du Groenland, mais aussi au sein de deux petites calottes situées sur la côte. La contribution française du LGGE a notamment consisté à évaluer l'altitude possible de la calotte au cours du temps, en utilisant la quantité de gaz emprisonnée dans les bulles d'air au sein des carottes comme baromètre-altimètre du passé. Sur la base de ces observations du passé, leurs travaux suggèrent donc que le Groenland, dans sa configuration actuelle, pourrait répondre à une augmentation de température de quelques degrés seulement par une perte nette de glace côtière. |
Evolution des deux gaz à effet de serre de l'atmosphère les plus importants après la vapeur d'eau : le dioxyde de carbone (courbe bleue) et le méthane (courbe verte), au cours des derniers 800 000 ans. La reconstitution de la température en Antarctique (courbe rouge) est issue des mesures des isotopes de l'eau constituant la glace. Les données de dioxyde de carbone proviennent de plusieurs carottes de glace (Vostok, Taylor Dome, EPICA Dôme C). Celles du méthane sont entièrement issues du forage EPICA Dôme C. © Université de Berne et LGGE |
Pour prédire l'évolution future des gaz à effet de serre, retracer leur évolution passée, de plus en plus loin dans le temps, est un enjeu majeur. C'est en analysant de la glace antarctique extraite dans le cadre du forage glaciaire EPICA (1), que les chercheurs français du LGGE (2) et du LSCE (3), épaulés par plusieurs partenaires internationaux (4), sont parvenus à repousser ces limites temporelles. Ils ont, pour la première fois, reconstitué sur 800 000 ans l'évolution des teneurs en dioxyde de carbone et méthane, les deux principaux gaz à effet de serre après la vapeur d’eau. Avec cet enregistrement, les scientifiques disposent de données de référence grâce auxquelles ils espèrent mieux prévoir le climat à venir de notre planète. Ces résultats font l'objet de deux articles dans la revue Nature du 15 mai 2008. En l'absence de gaz à effet de serre (vapeur d'eau, dioxyde de carbone, méthane…), la température moyenne à la surface de la Terre atteindrait à peine -18°C. Dans ces conditions, toute vie parait impossible. Aujourd'hui, la concentration de ces gaz dans l’atmosphère a considérablement augmenté du fait des activités humaines (combustion des énergies fossiles, développement de l'agriculture). Etudier leur évolution passée permet de mieux comprendre leurs interactions avec le climat terrestre. Une telle étude est possible à partir des carottes de glace qui constituent les seules archives disponibles à ce jour pour reconstruire avec précision les teneurs passées en gaz à effet de serre. Dans le cadre du projet EPICA, une carotte de glace forée en Antarctique, à proximité de la base franco-italienne Concordia (Dôme C), a atteint en décembre 2004 une profondeur de 3 270 mètres, s'arrêtant à quelques mètres au-dessus du socle rocheux. A ce niveau se situe une glace "âgée" de 800 000 ans, soit 8 cycles climatiques glaciaire-interglaciaires. Il s’agit de la glace la plus ancienne jamais extraite à ce jour. L’analyse des bulles de gaz piégées dans cette glace a ainsi permis d’étendre les enregistrements de la composition de l'atmosphère en dioxyde de carbone (CO2) et méthane (CH4) jusqu'à 800 000 ans (le précédent enregistrement n’avait atteint "que" 650 000 ans). A la lumière de ces nouvelles mesures, les chercheurs disposent, pour la première fois, de courbes de référence des teneurs en CO2 et CH4 témoignant de l’évolution de ces gaz sur cette période très ancienne. Une véritable aubaine pour les scientifiques qui tentent de comprendre les corrélations entre les changements climatiques terrestres et le cycle du carbone. Ces résultats laissent espérer une meilleure prédiction de l'évolution future des gaz à effet de serre, et a fortiori, du climat de la Terre. Ce travail a déjà permis des avancées fondamentales sur plusieurs points. Il confirme, tout en l’étendant, l’étroite corrélation observée entre les températures enregistrées en Antarctique dans le passé et les teneurs atmosphériques en CO2 et CH4. Autre observation capitale : jamais, sur les derniers 800 000 ans, n’ont été relevées des teneurs en gaz à effet de serre aussi élevées qu’aujourd’hui (les valeurs actuelles dépassent 380 ppmv (5) pour le CO2 et 1 800 ppbv (6) pour le CH4). La courbe du CO2 révèle d'ailleurs les concentrations les plus basses jamais enregistrées, de 172 ppmv il y a 667 000 ans. De plus, les chercheurs ont mis en évidence une modulation (variations plus ou moins élevées) des teneurs moyennes en CO2 atmosphérique sur une échelle de temps relativement longue, c’est-à-dire de plusieurs centaines de milliers d'années. Ce phénomène inédit pourrait résulter de l'intensité plus ou moins importante de l'érosion continentale qui affecte le cycle du carbone sur de grandes échelles de temps. Concernant l’enregistrement remarquablement détaillé du méthane atmosphérique, les chercheurs constatent une augmentation de la périodicité de la composante dite “de précession” (7) au cours du temps. Bien corrélé aux intensités de la mousson relevées en Asie du Sud-Est à travers les millénaires, ce signal reflète sans doute une intensification des moussons en régions tropicales sur les 800 000 dernières années. Enfin, la courbe du méthane révèle des fluctuations rapides à l'échelle millénaire, récurrentes au cours de chaque glaciation. L'empreinte de tels événements s'observe aussi dans le signal CO2 daté de 770 000 ans, lorsque la Terre entrait de nouveau en glaciation à la suite de l'inversion magnétique terrestre survenue il y a 780 000 ans. Cette variabilité climatique rapide serait liée aux fluctuations du courant thermohalin (circulation à grande échelle des masses d’eau qui participe à la redistribution de la chaleur sur Terre). Reste à expliquer pourquoi elle se manifeste dès le début des glaciations… (1) Coordonné par la Fondation européenne pour la science (ESF) et la communauté européenne, le projet EPICA ou "European Project for Ice Coring in Antarctica" a obtenu le soutien financier de l’Union européenne et des 10 pays européens participants au forage (Belgique, Danemark, France, Allemagne, Italie, Pays-Bas, Norvège, Suède, Suisse et Royaume-Uni). Les chercheurs français sont notamment soutenus par l'Agence nationale de la recherche (ANR), l'Institut national des sciences de l’univers (INSU-CNRS) et le CEA. La logistique sur le terrain à Dôme C a été assurée par l’Institut polaire français Paul-Emile Victor (IPEV), en partenariat avec le Programme national italien de recherche antarctique. EPICA a reçu le Prix Descartes pour la recherche en mars 2008. (2) Laboratoire de glaciologie et géophysique de l'environnement, CNRS / Université Joseph Fourier (3) Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement, CNRS / CEA / Université Versailles Saint Quentin (4) L'Institut de Physique et le Centre Oeschger sur la recherche climatique de l'Université de Berne (Suisse), entre autres. (5) Cela signifie que parmi 1 million de molécules dans l'air, 380 seront des molécules de CO2. Un ppmv = une partie par million en volume. (6) Cela signifie que parmi 1 milliard de molécules dans l'air, 1800 seront des molécules de CH4. Un ppbv = une partie par milliard en volume. (7) La précession est le nom donné au changement graduel d'orientation de l'axe de rotation d'un objet ou, de façon plus générale, d'un vecteur sous l'action de l'environnement. Prenons le cas de la Terre : on peut considérer que l'axe des pôles précesse du fait des interactions gravitationnelles avec le Soleil. |
Carothèque de la station franco-italienne Concordia, Dôme C (Antarctique). © CNRS Photothèque/IPEV/Yves FRENOT |
Des chercheurs du Laboratoire de glaciologie et géophysique de l'environnement (LGGE/OSUG)(1), ainsi que d'autres chercheurs du programme de forage européen EPICA(2), viennent d'identifier les principales raisons du doublement des teneurs en méthane entre -18 000 ans (dernier maximum glaciaire) et -11 500 ans (début de la période "chaude" actuelle). En cause, l'extension des zones humides continentales, notamment celle des marécages en milieu boréal dont les émissions de méthane étaient quasiment nulles durant le maximum glaciaire. Plus étonnant, les émissions de méthane associées aux feux de végétation seraient restées constantes lors de cette transition climatique majeure. Publiés dans la revue Nature le 17 avril 2008, ces résultats permettent de mieux cerner les mécanismes pouvant amplifier dans le futur les émissions naturelles de méthane, un gaz à effet de serre hautement incriminé dans le réchauffement climatique. Les carottes de glace constituent la seule archive disponible pour reconstruire avec précision la composition de l'atmosphère dans le passé, notamment les teneurs en gaz à effet de serre comme le méthane. Le méthane est le second gaz à effet de serre d'origine humaine, après le gaz carbonique, et ses teneurs ont augmenté de plus de 150% au cours des derniers 200 ans, en relation avec l'augmentation des émissions anthropiques (agriculture, exploitation du gaz naturel...). S'appuyant sur les deux forages profonds réalisés en Antarctique, certains scientifiques impliqués dans le consortium européen EPICA ont cherché à mieux comprendre l'origine des variations naturelles du méthane atmosphérique au cours du temps. Pour cela, ils ont analysé les gaz piégés dans les carottes de glace et obtenu la toute première évolution détaillée du rapport isotopique carbone13/carbone12 du carbone constituant la molécule de méthane sur l'ensemble de la dernière transition climatique glaciaire-interglaciaire [entre -18 000 ans (période glaciaire) et -11 500 ans (début de l'Holocène(3))]. Avec ce nouveau signal, les chercheurs disposaient d'un jeu unique de données sur le méthane pour l'ensemble de cette période leur permettant de rechercher l'origine de la variabilité naturelle du méthane : évolution de sa concentration atmosphérique et différence de concentration entre les deux pôles (mesures au Groenland et en Antarctique) - deux résultats obtenus par l'équipe pilotée par Jérôme Chappellaz -, rapport isotopique deutérium/hydrogène et, désormais, rapport isotopique carbone13/carbone12. En combinant ces éléments avec un modèle simple de l'atmosphère, les chercheurs sont parvenus à montrer que le doublement de la concentration atmosphérique du méthane lors de la dernière transition glaciaire-interglaciaire résulte, pour une large part (voir encart), d'un accroissement des émissions de méthane par les régions marécageuses tropicales et, pour une part plus faible, d'une augmentation du temps de résidence du méthane dans l'atmosphère due à son oxydation moins efficace dans l'atmosphère interglaciaire chaude. Les conclusions tirées des analyses isotopiques ont été plus surprenantes. Les marécages et tourbières boréales (hautes latitudes de l'hémisphère nord) ont également contribué largement à cette augmentation de concentration : quasi inexistantes en conditions glaciaires, ces zones humides auraient en effet commencé à se former et à émettre au cours de la transition climatique. A contrario, les feux de végétation, responsables aujourd'hui d'environ 20% des émissions naturelles de méthane, n'ont pas produit de variations significatives des teneurs en méthane au cours de la période de réchauffement étudiée. Ces analyses indiquent enfin que cette variation de concentration ne peut provenir de dégazages catastrophiques d'hydrates de méthane piégés dans les sédiments marins. De prime importance, ces résultats soulignent le rôle des zones marécageuses continentales en tant que sources de méthane, aussi bien en milieu tropical qu'en milieu boréal. Les différentes contributions au doublement de la concentration atmosphérique du méthane, lors du passage du glaciaire vers l'interglaciaire :
Note(s) (1) Laboratoire de glaciologie et géophysique de l'environnement (CNRS, Université Joseph Fourier) de l'Observatoire des sciences de l'Univers de Grenoble (LGGE/OSUG) (2) Coordonné par la Fondation européenne pour la science (ESF), le projet EPICA ou "European Project for Ice Coring in Antarctica" a obtenu le soutien financier des 10 pays européens participants, dont la France (EPICA est notamment soutenu par différents programmes de l'Institut polaire français Paul-Emile Victor et de l'INSU-CNRS, par le CEA et par un projet ANR), ainsi que de l'Union européenne. (3) Période chaude qui a coïncidé avec la sédentarisation humaine. |
Disparition du glacier de Saint Sorlin au cours du XXIe siècle telle que simulée par un modèle d'écoulement glaciaire forcé par des bilans de masse modélisés à partir du scénario B1 du GIEC © Gerbaux Martin, LGGE (cette image est disponible auprès de la photothèque du CNRS, phototheque@cnrs-bellevue.fr). La thèse de Martin Gerbaux est téléchargeable ici. |
Deux études réalisées notamment par des chercheurs du Laboratoire de glaciologie et géophysique de l'environnement (LGGE, CNRS / Université Grenoble 1) montrent que le réchauffement climatique a un impact fort sur les glaciers de montagne. La première étude concerne le glacier de Saint Sorlin (Massif des grandes Rousses, 3400 m d'altitude). Une simulation de l'évolution de ce glacier au cours du XXIe siècle, réalisée dans le cadre du scénario B1 du GIEC sur les émissions futures des gaz à effet de serre, montre que, malgré un scénario climatique relativement optimiste (+1,8°C d'ici 2100), il devrait avoir pratiquement disparu en 2060, laissant augurer une destinée analogue pour l'ensemble des petits glaciers des Alpes situés à basse ou moyenne altitude. La seconde étude porte sur le glacier du Dôme du Goûter (Massif du Mont Blanc, 4250 m d'altitude). Des mesures de température effectuées dans ses glaces mettent en évidence son réchauffement récent et notable jusqu'à 60 mètres de profondeur et de fait l'existence d'un réchauffement atmosphérique à ces altitudes. Une simulation réalisée dans le cadre de différents scénarios de réchauffement climatique montre que les glaciers froids de haute altitude pourraient devenir tempérés au cours de ce siècle. Tout glacier doit son existence à la neige qui s'accumule dans sa partie supérieure et qui en se tassant se transforme en glace, laquelle ira finalement s'épancher jusque dans la partie inférieure du glacier où les températures estivales finissent par la faire disparaître. Les conditions climatiques que subit le glacier contrôlent ces apports et ces pertes de masse qui contribuent à son bilan de masse. Un bilan global positif entraîne une croissance du glacier. Inversement, un bilan négatif conduit à une perte de volume qui se traduit in fine par la remontée du front glaciaire. Emmanuel Le Meur et ses collègues du LGGE ont dans un premier temps testé un modèle de bilan de masse sur la période 1981-2004 à partir d'une version adaptée aux glaciers du modèle CROCUS (modèle de prédiction de l'évolution du manteau neigeux, conçu par Météo-France pour mesurer le risque d'avalanche). Puis ils ont simulé l'évolution future du bilan de masse du glacier de Saint Sorlin sur la base des conditions climatiques du site prédites par le GIEC dans le cadre du scénario B1. Les résultats montrent que, malgré un scénario plutôt optimiste pour les émissions de gaz à effet de serre, la limite inférieure des neiges éternelles (appelée ligne d'équilibre) se situe à une altitude supérieure au point culminant du glacier. Ce dernier n'accumule donc plus de masse sur l'année et se trouve en déficit chronique. Cette évolution future du bilan de masse a ensuite servi d'entrée à un modèle bidimensionnel d'écoulement glaciaire afin de simuler cette fois-ci la réponse morphologique du glacier à la climatologie du XXIe siècle. La décrue glaciaire ainsi obtenue montre une rapide disparition du glacier dont la survie ne dépend plus que de son épaisseur et de l'intensité de la fonte estivale. On retrouve ici la situation que connaissent actuellement l'essentiel des glaciers pyrénéens, qui avec des altitudes maximales similaires à celle de la ligne d'équilibre (aux environs de 2900 - 3000 m), ne disposent plus de zone d'accumulation et donc régressent inexorablement d'année en année. Une seconde étude dirigée par Christian Vincent, concerne des mesures réalisées en 1994 et 2005 par des chercheurs du LGGE et de l'ETH (Institut Fédéral Suisse de Technologie) de Zurich, à l'aide de capteurs de température disposés le long de trous de forage profonds de 140 mètres dans le glacier du Dôme du Goûter (Massif du Mont Blanc). Elles ont permis de mettre en évidence une augmentation de la température de 1°C à 1,5°C sur les 60 premiers mètres de glace, entre ces deux dates. En l'absence de stations météorologiques, ce résultat est le premier qui atteste un réchauffement atmosphérique à ces hautes altitudes. Grâce à une modélisation physique du processus de diffusion de la chaleur, les chercheurs ont ensuite montré que ce réchauffement de la glace résulte non seulement du réchauffement de l'atmosphère, mais aussi de la chaleur apportée par le regel en profondeur de la neige fondant à la surface du glacier et ce bien que la fonte de surface à cette altitude soit très faible (voir communiqué de presse du 14 mai 2007). Les simulations qu'ils ont alors réalisées sur le XXe siècle à l'aide de ce modèle indiquent la présence d'une rupture au début de la décennie 1980 : c'est en effet à partir de cette date que le regel de l'eau de fonte contribue de façon significative au réchauffement de la glace en profondeur. Quant aux simulations portant sur le futur, elles montrent que quel que soit le scénario de réchauffement climatique utilisé, les glaciers des Alpes actuellement « froids », situés entre 3500 et 4250 mètres avec une température en profondeur allant de 0 à environ -11°C, pourraient devenir « tempérés », avec une température en profondeur d'environ 0°C. Si ce réchauffement atteignait la base des glaciers suspendus(glacier perché sur les parois abruptes de haute altitude), il pourrait affecter dangereusement leur stabilité. Ces deux études ont été réalisées dans le cadre du service d'observation POG(Programme d'Observation des Glaciers Alpins) soutenu par l'Institut national des sciences de l'Univers (INSU) et l'Observatoire des sciences de l'Univers de Grenoble (OSUG). |
![]() Taux nets d’accumulation de neige (en kg par m2 et par an), simulés par le modèle climatique LMD-z à la surface de l’Antarctique pour les conditions climatiques de la fin du 20ème siècle (en haut) et de la fin du 21ème siècle (en bas). |
Le niveau des mers monte d’environ 1,8 mm par an, en raison de la dilatation des océans qui se réchauffent, et de l’apport d’eau douce dû à la perte de volume des glaciers de montagne. Toutefois la masse d’eau douce la plus importante sur Terre est la calotte de glace Antarctique (70% des réserves de la planète). Pour prévoir l'évolution future du niveau des mers, il est donc indispensable d'estimer correctement les variations futures de l’accumulation de neige et des pertes de glace de l'Antarctique. De nouvelles simulations réalisées à l’aide d’un modèle climatique à haute résolution spatiale confirment qu’à l'avenir, l'augmentation de la température en Antarctique aura pour conséquence une augmentation de la précipitation. Comme celle-ci restera stockée longtemps sous forme de neige et glace, la montée du niveau des mers due aux autres contributions en sera ralentie. L'impact de cet effet serait d'environ moins 1,2 mm de niveau des mers par an à la fin du siècle.
Le bilan de masse de la calotte de glace Antarctique a un impact direct sur le niveau des mers ; l’essentiel de la glace perdue chaque année part sous forme d’icebergs qui augmentent le niveau des mers. Ce phénomène est naturellement compensé par l’accumulation de nouvelles neiges en surface, qui – elle – diminue le niveau des mers. De nouvelles simulations climatiques viennent d’être publiées par des chercheurs du CNRS (LGGE et LMD) et de l'Université de Melbourne ; elles permettent d'évaluer ce deuxième phénomène de façon plus précise qu’auparavant. En effet la résolution spatiale du modèle climatique a pu être réduite à 60 km sur l’ensemble de l'Antarctique (alors qu’elle est de plusieurs centaines de kilomètres dans la plupart des modèles climatiques), offrant ainsi une meilleure prise en compte de processus climatiques à l’échelle régionale, et donc une physique plus réaliste du climat antarctique. Ces simulations confirment, mais surtout réévaluent, une dualité désormais connue : quand le climat se réchauffe, d’une part la fonte aux bords de la calotte de glace augmente, d’autre part les masses d'air pouvant contenir plus d'humidité apportent plus de neige au cœur de la calotte. Lequel des deux effets est prépondérant dépend avant tout du climat au centre de la calotte de glace : ces nouvelles simulations montrent que l'augmentation de la précipitation au centre de l’Antarctique dominera l'augmentation de la fonte sur les côtes. Ainsi l’évolution du bilan de masse de surface de l'Antarctique au cours de ce siècle, par le renforcement de l'effet de serre dû aux activités humaines, aura pour effet de ralentir la montée des eaux. Evalué ici à moins 1,2 mm de niveau des mers par an à la fin du siècle, cet effet sera néanmoins insuffisant pour enrayer cette montée du niveau des mers causée par l'expansion thermique des océans et la fonte accrue du Groenland et des autres glaciers du monde. Quant au risque que le vêlage d'icebergs depuis l'Antarctique augmente au cours de ce siècle, la question demeure hélas entière au terme de ce travail. voir aussi : rubrique événements |
Rédaction : Michel Fily