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Mesurer la glace ? pas de quoi en faire des vagues

La fonte inéluctable des glaces de mer rend nécessaire d’en estimer l’épaisseur. C’est possible, il suffit pour cela de mesurer les vagues…

La couverture de glace au niveau des pôles a beaucoup diminué depuis 1979, année des premières observations satellitaires, le réchauffement direct de notre atmosphère et les différents phénomènes physiques associés (modification des courants, intensification des événements climatiques extrêmes…) en sont les principaux responsables. Ainsi dans les régions polaires, les interactions entre les vagues et la glace sont de plus en plus importantes. En Arctique, l’étendue des glaces ayant considérablement diminué, la surface d’océan en eau libre a augmenté permettant aux vagues de se déployer. En Antarctique, les vagues ont un effet stabilisateur, elles viennent compresser la glace et lui opposent ainsi  une résistance à l’éloignement vers l’équateur et des eaux plus chaudes où elle fondrait.

Quand les vagues arrivent à hauteur d’un objet flottant, il les réfléchit et/ou les amortit, tout comme la quantité de mouvement qu’elles transportent. Cela produit une force horizontale sur l’objet (ici la glace de mer) qui peut amener son déplacement ou sa déformation. La compression entraîne l’épaississement des couches de glace flottantes sous forme d’empilements verticaux des morceaux de glace présents dans la zone de transition entre l’océan et la banquise (cf. fig. 1), c’est la Zone Marginale de Glace (ZMG). Les morceaux de glace, formant initialement une seule couche morcelée à la surface de la mer, peuvent se retrouver compressés jusqu’à se soulever pour s’empiler sur d’autres.  C’est le mouvement incessant des vagues qui favorise ce soulèvement en modifiant constamment les espacements et hauteurs des glaces flottantes. A partir d’un certain point, la force exercée par les vagues devient insuffisante pour compresser d’avantage la glace qui arrête alors d’épaissir.

L’étude présentée ici s’appuie sur la capacité de calculer la variation du mouvement de la glace à la surface de l’océan lorsqu’elle est soumise aux contraintes qui s’opposent à sa déformation : les contraintes externes sur la glace (les vagues, le vent, les courants) et la contrainte interne à la glace. Prenons l’exemple d’une boule de neige : la contrainte externe lui est imposée par nos mains qui tassent la neige tandis que la résistance de la neige au tassement, constitue la contrainte interne. L’opposition de ces deux contraintes, permet d’obtenir une boule de neige compacte, de taille constante pour une quantité de neige donnée.

Fig. 1 : Agrégation et compactage des morceaux de glace par les vagues (provenant de la gauche) vers la banquise (à droite)

Lorsque la glace ne bouge plus, on dit que le système glace-océan-atmosphère est à l’équilibre. Les contraintes externes et internes s’égalisent (la boule de neige est constituée et ne se tasse plus). Connaître la valeur de l’une des deux contraintes, c’est connaître la valeur de l’autre, on peut donc estimer les contraintes internes par des mesures extérieures (via un satellite par ex.), or comme on sait relier mathématiquement les contraintes internes à l’épaisseur de la glace, on peut alors déterminer celle-ci à partir de mesures océanographiques !

Des expériences ont ainsi été réalisées dans le parc national du Bic, véritable laboratoire naturel au long de l’estuaire du fleuve Saint-Laurent (Canada). Durant l’hiver et malgré une couverture de glace presque totale, une partie du fleuve reste cependant libre de glace  par l’apport en eaux plus chaudes, provenant de l’océan Atlantique. Lors d’épisodes venteux, des vagues s’y forment (ce serait impossible si toute la surface du fleuve était gelée) permettant ainsi l’étude d’une ZMG. Des mesures comparatives de courant, de vent et d’épaisseur de glace ont donc pu y être effectuées. Des bouées équipées de capteurs de mouvements et placées en différents points toujours plus éloignés du bord, ont permis d’effectuer des mesures de vagues (cf. fig. 2a) ; ce positionnement permet d’évaluer l’atténuation progressive des vagues par la glace. On observe ainsi (cf. fig. 2b) que l’énergie des vagues, mesurée pour chaque bouée, diminue à mesure qu’on s’éloigne de la zone d’eau à l’air libre, en suivant une loi de décroissance exponentielle.

En pratique, cette atténuation peut être ici associée à trois phénomènes : la réflexion des vagues sur la glace et vers le large, la dissipation de l’énergie des vagues par la turbulence (remous occasionnés par la rencontre entre les vagues et la glace) ou encore la friction entre morceaux de glace. Le premier phénomène reste négligeable car les morceaux de glaces sont de petites tailles vis-à-vis de la longueur des vagues (ce n’est pas toujours le cas). Le second n’a pas pu être mesuré durant les missions de terrain (mais compte tenu d’autres observations, il peut ne pas être négligeable). Ainsi, si l’atténuation examinée ici tient compte uniquement de la friction des glaces (troisième phénomène), il faut souligner que le résultat final est probablement sous-évalué, car l’effet de turbulence n’a pas été pris en considération.

Fig. 2a : Zone d’étude avec le parcours réalisé par les bouées lors d’une des séries de mesures. L’échelle de couleur indique le temps associé à la position de chaque bouée.

Fig. 2b : Atténuation de l’énergie E des vagues en fonction de la distance Xice au bord de glace. Plus la couleur est foncée, plus la bouée considérée se situe loin du bord.

Les mesures d’épaisseur ont été réalisées via des trous percés dans la glace, on y a introduit un bâton terminé d’un crochet afin de ne pas dépasser la surface inférieure du glaçon. Les mesures de vent et de courant ont montré que leur effet sur la glace reste négligeable comparé à celui des vagues. De ce fait, la mesure de l’atténuation des vagues permet directement d’estimer l’évolution de la contrainte externe des vagues sur la glace et celle de l’épaisseur de glace en fonction de la distance au bord de glace (cf. fig. 3).  Cette épaisseur croît rapidement jusqu’à atteindre une valeur maximale constante, concomitante à la disparition totale des vagues. La modélisation de l’évolution d’épaisseur de la glace correspond bien aux mesures effectuées sur le terrain. La disparité des mesures individuelles est due à la forte variabilité de l’état de surface de la glace.

Fig. 3 : Evolution de l’épaisseur de glace ζ divisée par l’épaisseur de glace à l’équilibre ζeq en fonction de la distance au bord de glace χ. La ligne noire désigne le modèle mathématique, les ronds  les mesures par bouée, les croix les mesures directes de l’épaisseur, les carrés et le losange jaunes les moyennes des croix.

Ces résultats sont encourageants pour la communauté scientifique. En effet contrairement aux mesures des vagues observées toujours plus précisément via les données satellitaires, les estimations d’épaisseur de glace restent très difficiles à réaliser dans des conditions identiques. Grâce à cette découverte, l’estimation par satellite de l’épaisseur des glaces à partir des mesures de vagues devient envisageable (au moins dans des conditions similaires à celles présentées dans cette étude).

Médiation scientifique:

Assurée par Luc Barast, doctorant de lÉcole Doctorale des Sciences de la Mer et du Littoral (EDSML – Université Bretagne – Loire), en 1ère année de thèse dans l’équipe SIAM au sein du Laboratoire d’Océanographie Physique et Spatiale (LOPS) à l’Ifremer.

L’article

Marginal ice zone thickness and extent due to wave radiation stress.

https://doi.org/10.1175/JPO-D-17-0167.1

Les auteurs

Ce travail résulte d’une collaboration entre Peter Sutherland, (Ifremer, Univ. Brest, CNRS, IRD, Laboratoire d’Océanographie Physique et Spatiale, IUEM, Brest, France) et Dany Dumont (Institut des Sciences de la Mer de Rimouski, Université du Québec à Rimouski, Rimouski, Quebec, Canada) autour du projet BicWin, à propos de l’étude des phénomènes physiques et océanographiques des ZMG à partir du laboratoire naturel que constitue le parc du Bic.

La revue

« Journal of Physical Oceanography » est une revue publiée par l’American Meteorological Society. Elle traite de la physique des océans et des processus ayant lieux à leurs frontières. Les articles qui y sont publiés sont tout aussi bien basés sur de la théorie, des mesures de terrain ou par satellite, ou encore sur des résultats numériques.

Pour en savoir plus
https://www.quebecscience.qc.ca/sciences/les-10-decouvertes-de-2018/mesurer-force-vagues-canot-a-glace/

Contacts

Auteurs : consulter l’annuaire de l’IUEM

Bibliothèque La Pérouse : Suivi éditorial, rédaction, corrections et mise en page : Fanny Barbier

Service Communication et médiation scientifique : communication.iuem@univ-brest.fr

Fonte de la banquise arctique : L’effet des vagues scruté sur et sous la glace

Quel est l’effet des vagues sur la fonte de la banquise ? Pour répondre à cette question, une série de
mesures inédites va être menée dans les cinq prochaines années. Sous-marins, canot à glace, avion et satellite seront ainsi déployés au niveau de l’estuaire du fleuve Saint-Laurent et de l’océan Arctique, dans le cadre du projet ERC WAAXT mené par Peter Sutherland, chercheur au Laboratoire d’océanographie physique et spatiale (LOPS) rattaché à l’IUEM (UBO/CNRS/Ifremer/IRD).
Les vagues qui frappent la banquise peuvent fragiliser la glace mais peuvent aussi contribuer à l’épaissir. De plus, en fondant, la banquise laisse place à la mer libre et donc à un champ de vagues de plus en plus important.
Afin de mieux comprendre l’effet des vagues sur la banquise, Peter Sutherland veut multiplier les données : « Jusqu’ici, beaucoup d’études théoriques ont été menées sur le sujet.
Mais très peu de campagnes ont eu lieu sur site, en mer, pour valider les outils de calcul. » Pour
combler cette lacune, il a décroché une bourse jeune chercheur de 2 millions d’euros sur
une période de cinq ans, versée par le Conseil européen de la recherche (ERC). Seules cinq
bourses de ce type ont été obtenues par des chercheurs français en 2018 dans le domaine
des sciences de la terre. Le projet s’intitule WAAXT, comme Wave-modulated Arctic Air-sea
eXchanges and Turbulence.
Les premières campagnes de mesure auront lieu dans un laboratoire naturel développé
depuis 2014 par l’Institut des Sciences de la mer de Rimouski, de l’Université de Québec. Il
s’agit d’une baie instrumentée proche de l’institut, un cadre idéal pour étudier des processus
de petite échelle et tester de nouveaux instruments dans une zone contrôlée et accessible
dans des conditions qui ressemblent à l’Arctique. Puis, les avancées faites dans ce laboratoire, côté scientifique et ingénierie, seront appliquées aux expériences à plus grande échelle dans l’océan Arctique.

Une précision de mesure qui va du kilomètre au centimètre 

Dans le cadre du projet WAAXT, des mesures innovantes vont être déployées à toutes les échelles, du kilomètre au centimètre.
Trois petits sous-marins autonomes équipés de capteurs sillonneront la couche limite océanique, sous les vagues et sous la glace, tandis que des mesures par avion et par satellite permettront de
mesurer les vagues et la banquise. En complément, les scientifiques courront à bord d’un canot à glace pour mesurer les propriétés mécaniques de la glace (photo ci-contre).
Originaire du Canada, Peter Sutherland, a fini sa thèse sur la turbulence et les vagues en 2013 aux Etats-Unis (Scripps Institution of Oceanography à San Diego). Il a ensuite effectué un post-doctorat
à Sorbonne Université sur l’interaction entre les vagues et la banquise. Il est arrivé à l’Ifremer en tant que chercheur en océanographie physique en octobre 2015. Pour mener à bien son projet, il va pouvoir s’entourer d’une équipe de deux doctorants et deux post-doctorants.

La fonte de la banquise arctique en quelques chiffres

La banquise couvre en moyenne 5 millions de km2 en période estivale.
C’est une réduction de 3 millions km2 (l’équivalent de 120% de la mer Méditerranée) depuis la fin des années soixante-dix.
Chaque hiver la banquise revient, mais son épaisseur diminue en lien avec la réduction de glace l’été.
L’effet des vagues sur la banquise est mal connu, et constitue une incertitude importante pour les projections à plus long-terme.

Pour en savoir plus
Article scientifique paru en août 2018 sur l’épaississement de la zone de glace sous l’effet des vagues

Vidéo de mesures effectuées par canot à glace au niveau de l’estuaire du fleuve