Des défauts microscopiques dans la glace influencent l’écoulement des glaciers massifs, selon une étude

À mesure qu’ils s’infiltrent et vêlent dans la mer, la fonte des glaciers et des calottes glaciaires fait monter les niveaux d’eau mondiaux à un rythme sans précédent. Pour prévoir et se préparer à l’augmentation future du niveau de la mer, les scientifiques doivent mieux comprendre la vitesse à laquelle les glaciers fondent et ce qui influence leur écoulement.

Aujourd'hui, une étude menée par des scientifiques du MIT offre une nouvelle image de l'écoulement des glaciers, basée sur la déformation microscopique de la glace. Les résultats montrent que l'écoulement d'un glacier dépend fortement de la façon dont les défauts microscopiques se déplacent à travers la glace.

L'ouvrage est publié dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences.

Les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient estimer l'écoulement d'un glacier en fonction du fait que la glace soit sujette à des défauts microscopiques d'un type ou d'un autre. Ils ont utilisé cette relation entre la déformation à micro et macro-échelle pour développer un nouveau modèle d’écoulement des glaciers. Avec le nouveau modèle, ils ont cartographié l’écoulement des glaces à différents endroits de la calotte glaciaire de l’Antarctique.

Contrairement aux idées reçues, ont-ils découvert, la calotte glaciaire n’est pas un monolithe, mais est plutôt plus variée quant à l’endroit et à la manière dont elle s’écoule en réponse aux stress provoqués par le réchauffement. L'étude “modifie considérablement les conditions climatiques dans lesquelles les calottes glaciaires marines peuvent devenir instables et entraîner une élévation rapide du niveau de la mer”, écrivent les chercheurs dans leur article.

“Cette étude montre vraiment l'effet des processus à micro-échelle sur le comportement à grande échelle”, déclare Meghana Ranganathan, Ph.D., qui a dirigé l'étude en tant qu'étudiante diplômée au Département des sciences de la Terre, de l'atmosphère et des planètes (EAPS) du MIT et est maintenant postdoctorante. à Georgia Tech. “Ces mécanismes se produisent à l'échelle des molécules d'eau et peuvent finalement affecter la stabilité de la calotte glaciaire de l'Antarctique occidental.”

“D'une manière générale, les glaciers s'accélèrent et il existe de nombreuses variantes”, ajoute Brent Minchew, co-auteur et professeur associé à l'EAPS. “Il s'agit de la première étude qui passe du laboratoire aux calottes glaciaires et commence à évaluer la stabilité de la glace dans l'environnement naturel. Cela alimentera à terme notre compréhension de la probabilité d'une élévation catastrophique du niveau de la mer.”

Micro flux

L'écoulement glaciaire décrit le mouvement de la glace depuis le sommet d'un glacier, ou le centre d'une calotte glaciaire, jusqu'aux bords, où la glace se brise et fond dans l'océan – un processus normalement lent qui contribue, au fil du temps, à élever le niveau de la glace. niveau moyen de la mer dans le monde.

Ces dernières années, les océans ont augmenté à un rythme sans précédent, en raison du réchauffement climatique et de la fonte accélérée des glaciers et des calottes glaciaires. Si la fonte des glaces polaires est connue pour être un contributeur majeur à l’élévation du niveau de la mer, elle constitue également la plus grande incertitude lorsqu’il s’agit de faire des prévisions.

“C'est en partie dû à un problème d'échelle”, explique Ranganathan. “Beaucoup de mécanismes fondamentaux qui provoquent l'écoulement de la glace se produisent à une très petite échelle que nous ne pouvons pas voir. Nous voulions identifier exactement quels sont ces processus microphysiques qui régissent l'écoulement de la glace, qui n'ont pas été représentés dans les modèles de changement du niveau de la mer. »

La nouvelle étude de l'équipe s'appuie sur des expériences antérieures du début des années 2000 menées par des géologues de l'Université du Minnesota, qui ont étudié la façon dont les petits morceaux de glace se déforment lorsqu'ils sont physiquement sollicités et comprimés. Leurs travaux ont révélé deux mécanismes microscopiques par lesquels la glace peut s'écouler : le « fluage des dislocations », où des fissures de la taille d'une molécule migrent à travers la glace, et le « glissement des joints de grains », où les cristaux de glace individuels glissent les uns contre les autres, provoquant le déplacement de la frontière entre eux. à travers la glace.

Les géologues ont découvert que la sensibilité de la glace au stress, ou sa probabilité de couler, dépend du mécanisme dominant parmi les deux. Plus précisément, la glace est plus sensible aux contraintes lorsque des défauts microscopiques se produisent via le fluage des dislocations plutôt que le glissement des joints de grains.

Ranganathan et Minchew ont réalisé que ces découvertes au niveau microscopique pourraient redéfinir la façon dont la glace s'écoule à des échelles glaciaires beaucoup plus grandes.

“Les modèles actuels d'élévation du niveau de la mer supposent une valeur unique pour la sensibilité de la glace aux contraintes et maintiennent cette valeur constante sur l'ensemble d'une calotte glaciaire”, explique Ranganathan. “Ce que ces expériences ont montré, c'est qu'en réalité, il existe une grande variabilité dans la sensibilité de la glace, en fonction du mécanisme en jeu.”

Un match de cartographie

Pour leur nouvelle étude, l'équipe du MIT s'est inspirée des expériences précédentes et a développé un modèle pour estimer la sensibilité d'une région glacée au stress, qui est directement liée à la probabilité que la glace coule. Le modèle prend en compte des informations telles que la température ambiante, la taille moyenne des cristaux de glace et la masse estimée de glace dans la région, et calcule l'ampleur de la déformation de la glace par fluage des dislocations par rapport au glissement des joints de grains. Selon lequel des deux mécanismes est dominant, le modèle estime ensuite la sensibilité de la région au stress.

Les scientifiques ont intégré au modèle des observations réelles provenant de divers endroits de la calotte glaciaire de l'Antarctique, où d'autres avaient déjà enregistré des données telles que la hauteur locale de la glace, la taille des cristaux de glace et la température ambiante. Sur la base des estimations du modèle, l'équipe a généré une carte de la sensibilité des glaces au stress sur la calotte glaciaire de l'Antarctique. Lorsqu’ils ont comparé cette carte aux mesures par satellite et sur le terrain prises de la calotte glaciaire au fil du temps, ils ont observé une correspondance étroite, suggérant que le modèle pourrait être utilisé pour prédire avec précision l’écoulement des glaciers et des calottes glaciaires à l’avenir.

“Alors que le changement climatique commence à amincir les glaciers, cela pourrait affecter la sensibilité de la glace au stress”, explique Ranganathan. “Les instabilités auxquelles nous nous attendons en Antarctique pourraient être très différentes, et nous pouvons désormais capturer ces différences grâce à ce modèle.”

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche, de l'innovation et de l'enseignement du MIT.