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M2R STUE / Cours « Neige et Glace »
Les calottes polairesIntroduction
F. Parrenin
Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'EnvironnementGrenoble
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Le Groenland
1.71 millions de km2 équivalent 7.2 m de niveau des mers calotte terrestre
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L’AntarctiqueL’Antarctique
12.37 millions de km2 équivalent 61.1 m de niveau des mers calotte marine – 2 grandes plate-formes
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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
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Les calottes de l’hémisphère nord lors du dernier maximum glaciaire
La Terre actuelle
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Intérêts et caractéristiques des calottes polaires
Réservoir essentiel de l’eau douce sur Terre (98%).
Composant majeur du système climatique (albédo, topographie, eaux de fonte ... )
Niveau des mers actuellement : +70 m au Dernier Maximum Glaciaire : +190 m
Echelles de temps très variées : de la journée (neige) à 10 ka (toujours pas en équilibre depuis le DMG)
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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
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Mécanismes en jeu dans l’évolution des calottes
DENSIFICATION
FUSIONHYDROLOGIE SOUS GLACIAIRE
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Densification de la neige en glace
compression progressivedes bulles
fermeture des bulles
déformation des grainsdominante
glissement des grainsdominant
densité de surface typiquement 0.35dépend du type de surface
densification rapide
densification lente
densité dépend de la structure des pores
Δâge
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L'isostasie sous-glaciaire
● Sous le poids des calottes, la croûte s'enfonce● à peu près 1/3 de l'épaisseur de glace (~3 ka)● Cela prend plusieurs milliers d'années
Lithosphère élastique
Manteau visqueux
Calotte polaire
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Champ de température
Socle rocheux
Base tempérée(Fonte/regel)
advectiondiffusion
Base froide
production de chaleur par déformation
Flux=flux géothermiqueTempérature=Températurede fusion
Température=Température de surface
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Divers mécanismes d’écoulementcalotte posée
A : déformation sous l’action de la contrainte de cisaillement
B : glissement sur l’interface glace-socle
C : déformation du sédiment sous-glaciaire
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Vitesses de bilan - Antarctique
Testut, thèse, 2002.
● Vitesses moyennes● Fait apparaître des
fleuves de glace● Ice-streams en anglais● Représentent 15% de la
côté, mais évacuent 90% de la glace
● Comportement irrégulier
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Hydrologie sous-glaciaire
● 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
Zwally et al., Science, 2002
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Lacs sous-glaciaires
● Détectés par échos radar.
● Impact sur l'écoulement
● Y a-t-il de la vie ?● D’après Dowdeswell
et Siegert, 2002
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Les plate-formes et leur écoulement● Ice-shelf en anglais● Importants lorsqu'il y a
confinement
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Ice-shelves et icebergs
Wilkes land
Iceberg B15A dans la mer de Ross
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L'effet d’arc-boutant des ice-shelves● Ex : le Ross ice-shelf avec l'Antarctique de l'Ouest
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Les diverses approches pour comprendre les calottes polaires
Observations actuelles Statiques (ex. la topo à un instant donné) Dynamiques (les variations observables)
Les données du passé Géomorphologie Données issues des carottages
La modélisation numérique
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Les observations par satellitestopographie de surface● très bien connue au centre (~1m)● moins bien sur la côte (pente plus forte)●Cf. compilation BEDMAP
Vitesses de surface● Par corrélation d'image ou interférométrie ● Couverture disparate●Cf. projet VELMAP
Vitesses dans le glacier Lambert par interférométrie (Legrésy, 2003)
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Les données terrain
Vitesses dans la région de Dôme Cobtenue par mesures GPS
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Les données radar● Couches internes (isochrones)● Épaisseur de glace● Couverture disparate● Peut détecter la présence
d'eau à la base● Compilation socle : BEDMAP
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Informations issues des forages profondsComposition isotopique
Température/accumulationdans le passé
Profil de température
2990 m
3000 m
100 m
microstructure
Histoire de la déformation
Conditions basales,flux géothermiquetempérature de surf.,...
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Les données géomorphologiques
Hatestrand, thèse
● Présence de calotte,● Direction de l'écoulement● Synthèse du projet
QUEEN
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Les modèles thermo-mécanique● 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
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Les enjeux de l'étude des calottes
● Interprétations des forages profonds– datation (glace et gaz)– origine de la glace
● 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
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Interprétation des forages
Socle rocheux
TS
TIAccu
δD
h
h×Th
Fonte et glissement
● Âge de la glace● Âge du gaz● Fonction
d'amincissement● Origine spatiale de la
glace
a z =∫0z 1Accu z ' Th z '
dz '
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Les forages profonds réalisés
DML
Taylor Dome
Talos Dome
Sipple Dome
BerknerNorthGRIP
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Paleoclimate Modelling Intercomparison Project 2
● Ocean Atmosphere Vegetation GCMs● Mid-Holocene (6 ka); Early Holocene (10 ka)● LGM (21 ka); Early Glacial (115 ka)● Freshwater fluxes experiments
http://pmip2.lsce.ipsl.fr/
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Contributions to sea level rise
● Principalement expansion thermique et fonte des glaciers● Fonte des calottes secondaires jusqu'à présent,
mais dans le futur ?
IPCC, 2007, TS
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Ice sheets elevation changes
● G: thinning at the coast, thickening in the centre● A: thinning mainly in West Antarctica
IPCC, 2007, TS
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Présence de vie dans le lac Vostok ?
● 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.
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Plan du cours
● Le névé – de la neige à la glace● L'isostasie● Le champ de température● L'hydrologie sous-glaciaire● Déformation/écoulement de la glace● Rétroactions internes et climat/calottes● Bilan de masse actuel● Reconstruction des calottes passées