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De nouvelles recherches montrent que la glace des glaciers tempérés s’écoule plus régulièrement qu’on ne le pensait auparavant, ce qui entraîne une baisse des projections d’élévation du niveau de la mer. Neal Iverson a commencé par deux leçons de physique de la glace lorsqu’on lui a demandé de décrire un article de recherche sur l’écoulement de la glace glaciaire qui vient d’être publié par la revue Science.
Tout d’abord, a déclaré le professeur émérite distingué du Département de la Terre, de l’atmosphère et du climat de l’Université d’État de l’Iowa, il existe différents types de glace dans les glaciers. Certaines parties des glaciers sont à leur température de fusion sous pression et sont molles et aqueuses.
Cette glace tempérée est comme un glaçon laissé sur un comptoir de cuisine, avec de l’eau de fonte qui s’accumule entre la glace et le comptoir, a-t-il déclaré. La glace tempérée a été difficile à étudier et à caractériser.
Deuxièmement, d’autres parties des glaciers ont de la glace froide et dure, comme un glaçon encore dans le congélateur. C’est le type de glace qui a généralement été étudié et utilisé comme base des modèles et des prévisions d’écoulement des glaciers.
Le nouveau document de recherche traite du premier, a déclaré Iverson, co-auteur de l’article et superviseur du projet.
L’article décrit des expériences de laboratoire et les données qui en résultent qui suggèrent qu’une valeur standard dans le « fondement empirique de la modélisation de l’écoulement des glaciers » – une équation connue sous le nom de loi de l’écoulement de Glen, du nom du regretté John W. Glen, un physicien britannique des glaces – devrait être remplacée par de la glace tempérée.
La nouvelle valeur, lorsqu’elle est utilisée dans la loi d’écoulement, « aura tendance à prédire des augmentations de la vitesse d’écoulement qui sont beaucoup plus faibles en réponse aux contraintes accrues causées par le retrait de la calotte glaciaire à mesure que le climat se réchauffe », a déclaré Iverson. Cela signifierait que les modèles montreraient moins d’écoulement des glaciers dans les océans et prévoiraient moins d’élévation du niveau de la mer.
Un besoin urgent de tenir compte de la glace chaude des glaciers
Ouvrez le congélateur-chambre du laboratoire du campus d’Iverson et vous regardez un dispositif de cisaillement annulaire de 3 m de haut qui simule les forces et le mouvement des glaciers depuis 2009. Il a été construit grâce à une subvention de 530 000 $ de la National Science Foundation. L’étude actuelle a également été financée par des subventions de la NSF.
Au centre de l’appareil se trouve un anneau de glace d’environ 1 m de diamètre et 18 cm d’épaisseur. Sous l’anneau se trouve une presse hydraulique qui peut exercer jusqu’à 100 tonnes de force sur la glace et simuler le poids d’un glacier de 264 m d’épaisseur. L’anneau de glace est entouré d’une cuve de fluide en circulation qui régule la température de la glace au centième de degré près. Des moteurs électriques fixés à une plaque avec des pinces au-dessus de l’anneau de glace peuvent faire tourner la glace à des vitesses de 30 cm à 3 300 m par an.
Pour ce projet, les chercheurs ont modifié le dispositif en ajoutant une autre pince au bas de l’anneau de glace afin que la rotation de la pince supérieure cisaille la glace sous-jacente.
Collin Schohn, un ancien étudiant en maîtrise à l’Université d’État de l’Iowa, qui est maintenant géologue au sein du groupe BBJ basé à Chicago et qui est le premier auteur du dernier article de recherche du groupe, a mené une série de six expériences à l’aide de l’appareil modifié, chaque expérience durant environ six semaines. Les expériences comprenaient des mesures de la teneur en eau liquide de la glace, ce qui n’avait pas été fait dans ce genre d’expériences depuis les années 1970.
« Ces expériences ont consisté à déformer la glace à ses températures de fonte et à diverses contraintes », a déclaré Schohn.Iverson a comparé les expériences à la saisie d’un bagel en haut et en bas, puis à la torsion des deux moitiés pour étaler le fromage à la crème au milieu.
Les données expérimentales ont montré que la glace se déformait à une vitesse linéairement proportionnelle à la contrainte, a déclaré Iverson. Selon la pensée traditionnelle, les chercheurs s’attendaient à ce que la glace se ramollisse avec l’augmentation du stress, de sorte que l’augmentation du stress entraînerait des augmentations de vitesse de plus en plus importantes.
Pourquoi tout cela est-il important ?
La glace est tempérée près des fonds et des bords des parties les plus rapides des calottes glaciaires et dans les glaciers de montagne à écoulement rapide, qui déversent tous deux de la glace dans les océans et influencent le niveau de la mer. « La nécessité de modéliser et de prévoir avec précision l’écoulement de la glace chaude des glaciers est donc aiguë », ont écrit les auteurs.
Réinitialisation de n à 1.0
La loi d’écoulement de Glen s’écrit comme suit : ε ̇ = Aτn.
L’équation relie la contrainte sur la glace, τ, à son taux de déformation, ε ̇, où A est une constante pour une température de glace particulière. Les résultats des nouvelles expériences montrent que la valeur de l’exposant de contrainte, n, est de 1,0 plutôt que la valeur habituellement attribuée de 3 ou 4.
Les auteurs ont écrit : « Pourles générations, sur la base des expériences originales de Glen et de nombreuses expériences ultérieures principalement sur de la glace froide (-2 degrés C et moins), la valeur de l’exposant de contrainte n dans les modèles a été prise comme étant de 3,0. » (Ils ont également écrit que d’autres études sur la « glace froide des calottes glaciaires » ont placé n encore plus haut, à 4,0.)
C’était, en partie, « parce que les expériences avec de la glace à la température de fusion sous pression sont un défi », a déclaré Lucas Zoet, co-auteur de l’article, ancien associé de recherche postdoctoral à l’État de l’Iowa et professeur agrégé de géosciences Dean L. Morgridge à l’Université du Wisconsin-Madison. Zoet, co-superviseur du projet, a construit une version légèrement plus petite du dispositif de cisaillement annulaire avec des parois transparentes pour son laboratoire.
Mais les données des expériences de cisaillement et de déformation à grande échelle dans le laboratoire d’Iverson ont soulevé des questions sur la valeur attribuée à n. La glace tempérée est linéaire-visqueuse (n = 1,0) « sur les plages courantes de teneur en eau liquide et de stress attendue près des lits de glaciers et dans les marges des courants de glace », ont écrit les auteurs.
Ils ont proposé que la cause soit la fonte et le regel le long des limites des grains de glace individuels, à l’échelle millimètre par centimètre, qui devraient se produire à des taux linéairement proportionnels à la contrainte.
Ces nouvelles données permettent aux modélisateurs « de baser leurs modèles de calotte glaciaire sur des relations physiques démontrées en laboratoire », a déclaré Zoet. « L’amélioration de cette compréhension améliore la précision des prédictions. »
Il a fallu un peu de persévérance pour obtenir les données soutenant la nouvelle valeur de n. « Nous avons discuté de ce projet pendant des années », a déclaré Schohn. « C’était vraiment difficile de faire en sorte que cela fonctionne. »
En fin de compte, Iverson a déclaré : « Compte tenu de tous les échecs et du développement, il s’agissait d’un processus d’environ 10 ans. »
Un long processus, ont déclaré les chercheurs, qui est essentiel pour des modèles plus précis de la glace des glaciers tempérés et de meilleures prédictions de l’écoulement des glaciers et de l’élévation du niveau de la mer.
