L’Arctique se réchauffe particulièrement rapidement en raison du réchauffement climatique, avec de graves conséquences. Le pergélisol répandu dans cette région, où les sols stockent actuellement deux fois plus de carbone que l’atmosphère, est en train de dégeler. À l’aide de modèles climatiques de plus en plus détaillés, les scientifiques étudient ce que cela signifie pour le climat mondial et quelles rétroactions frappantes doivent être prises en compte.

En 1827, le marchand russe Fiodor Chéguine a tenté de creuser un puits dans l’arrière-cour de sa maison à Iakoutsk, en Sibérie. Mais au lieu d’eau liquide, tout ce qu’il a trouvé était du sol gelé. Shergin abandonne à une profondeur de 15 mètres. Un certain temps plus tard, des scientifiques se sont intéressés et ont persuadé Shergin de continuer à creuser. Après dix ans, la mine avait atteint sa profondeur actuelle de 116 mètres, et Iakoutsk est devenue connue comme le berceau de la science du pergélisol.

Le sol gelé en permanence, ou pergélisol, est une relique des dernières périodes glaciaires. La température de ces sols est inférieure au point de congélation pendant au moins deux années consécutives, qu’ils soient constitués de tourbe, de roche grossière ou à grain fin, ou qu’ils contiennent ou non de la glace.

La majeure partie du pergélisol se trouve dans l’hémisphère nord, où il couvre environ un quart de la surface terrestre, principalement au nord du cercle polaire arctique. En Scandinavie, il atteint une profondeur de 20 mètres, jusqu’à plusieurs centaines de mètres en Alaska et jusqu’à 1500 mètres en Sibérie, ce qui explique trop bien pourquoi Shergin avait tant de mal à trouver de l’eau liquide dans son jardin.

À la surface du pergélisol se trouve la couche dite active, qui dégèle en été et permet aux plantes de pousser : prairies, forêts ou zones humides avec étangs et lacs. À certains endroits, le paysage ressemble à une mosaïque, comme si d’innombrables polygones avaient été minutieusement assemblés. Cette structure est créée à partir des profondeurs pendant l’hiver froid de l’Arctique, lorsque le sol gelé se contracte et se fissure. Ces fissures se remplissent d’eau de fonte au printemps, qui gèle ensuite pour former des coins de glace, créant ainsi un motif géométrique fascinant à la surface.

De l’ère glaciaire au réchauffement climatique
Ces paysages sont en train de changer : les mesures montrent qu’au cours des dernières décennies, l’Arctique s’est réchauffé beaucoup plus rapidement que la Terre en moyenne. En conséquence, le pergélisol commence à dégeler vers des couches plus profondes. Les conséquences comprennent l’affaissement et l’érosion.

De nombreux lacs disparaissent parce que l’eau peut maintenant s’écouler, tandis que de nouveaux étangs se forment dans les dépressions laissées par l’affaissement du sol, et d’autres fusionnent pour former des lacs parce que la glace limitative est manquante. Le paysage sillonné de plans d’eau et de pergélisol affaissé est connu des experts sous le nom de Thermokarst – la première partie du mot en décrit la cause, la seconde l’aspect déchiqueté de ces structures.

Le dégel du pergélisol change non seulement le visage de l’Arctique, mais il a également un impact sur le climat de la Terre. En effet, le pergélisol stocke d’énormes quantités de carbone – les sols de la région du pergélisol en contiennent environ deux fois plus que l’atmosphère. Il est fixé sous la forme de plantes mortes, dont la décomposition est empêchée par les basses températures et le faible taux d’oxygène.

Lorsque le pergélisol dégèle, les micro-organismes commencent à décomposer le matériau. Cela produit des gaz à effet de serre : le dioxyde de carbone (CO2) ou le méthane, qui a environ 28 fois l’effet de réchauffement du CO2 sur un horizon temporel de 100 ans. Ces gaz s’échappent également des étangs et des lacs, où une grande partie du carbone est également décomposée.

Les climatologues tentent donc de comprendre comment l’Arctique réagira à la hausse des températures : va-t-il libérer ses importants dépôts de carbone dans l’atmosphère, et si oui, quand et sous quelle forme ? À l’Institut Max Planck de météorologie (MPI-M), les chercheurs étudient les processus dans l’Arctique.

Victor Brovkin, qui est né et a grandi à Iakoutsk, non loin de la mine de Shergin, dirige le groupe de travail « Interactions climat-biosphère » au MPI-M et est coprésident du groupe de travail « Dynamique du carbone dans l’Arctique » du Cluster d’excellence Climat, changement climatique et société (CLICCS) de l’Université de Hambourg. Les derniers travaux de son groupe sont publiés dans Geophysical Research Letters, Nature Climate Change et Environmental Research Letters.

 

Plus sec ou plus humide : les deux ont des conséquences

Jusqu’à récemment, les chercheurs se préoccupaient de savoir si le carbone stocké dans le sol s’échapperait sous forme de CO2 ou sous forme de méthane, qui a un potentiel de réchauffement encore plus fort. La réponse dépend, entre autres, de savoir si l’Arctique deviendra plus humide ou plus sec à l’avenir. En effet, dans les sols secs, les micro-organismes décomposent la matière végétale à l’aide de l’oxygène, produisant du CO2 dans le processus. Dans les sols gorgés d’eau, en revanche, l’oxygène est rare ou absent, de sorte que du méthane est produit lorsque la matière organique se décompose.

Cependant, il n’est pas encore clair si l’Arctique devient plus sec ou plus humide. Les simulations avec des modèles du système terrestre (ESM) montrent une augmentation des précipitations dans cette région à l’avenir, ce qui pourrait entraîner des conditions plus humides à la surface et aider à maintenir la forte densité des plans d’eau de surface et des zones avec des sols gorgés d’eau.

Néanmoins, il existe également des arguments en faveur d’un futur assèchement des paysages de pergélisol. Selon cela, le dégel du pergélisol abaisserait la nappe phréatique et permettrait à l’eau de s’écouler plus facilement, provoquant l’assèchement du sol à long terme.

Philipp de Vrese, chercheur au MPI-M, et ses collègues ont utilisé le modèle climatique couplé MPI-ESM pour montrer ce que cela pourrait signifier pour les émissions de méthane dans l’Arctique. Selon leurs conclusions, dans un Arctique plus humide avec une vaste couverture de zones humides, plus de méthane serait en fait émis à certains endroits, mais pas partout. En effet, l’évaporation de l’eau des sols humides refroidit la surface du sol, ce qui inhibe la productivité des plantes et la production de méthane.

À l’inverse, moins d’humidité du sol entraîne moins de nuages. En conséquence, plus de rayonnement solaire atteint la surface terrestre, amplifiant le réchauffement local. La croissance des plantes est stimulée et plus de substrat devient disponible pour les micro-organismes, ce qui augmente la production de méthane. Les scientifiques du CLICCS ont récemment montré que c’est aussi la raison de l’augmentation des émissions de méthane des étangs. Par conséquent, la logique simple selon laquelle les flux de méthane augmentent dans un Arctique humide et diminuent dans un Arctique sec n’est pas nécessairement correcte.

 

Comprendre les effets globaux

Ce que tout cela signifie pour le climat mondial ne peut être compris que si, en plus du cycle du carbone, les interactions directes avec l’atmosphère sont prises en compte : si la couverture nuageuse au-dessus de l’Arctique diminuait effectivement et si les hautes latitudes se réchauffaient, le gradient de température entre les tropiques et l’Arctique diminuerait.

Selon les simulations, cela pourrait affecter les régimes de précipitations près de l’équateur, d’où les émissions de méthane des zones humides tropicales. Ceux-ci sont déjà la plus grande source naturelle de méthane aujourd’hui et pourraient en libérer encore plus dans l’atmosphère à l’avenir.

« Il est vraiment étonnant qu’un processus limité dans l’espace puisse avoir des conséquences d’une telle portée », déclare Philipp de Vrese.

C’est à leurs modèles que ces conséquences ont été mises au jour. « La modélisation du système Terre apporte des réponses à des questions mondiales. Cela nous permet de comparer différents scénarios et de faire des projections pour l’avenir », explique Victor Brovkin, responsable du groupe.

La modélisation a également révélé l’évolution future de l’érosion côtière du pergélisol, comme le montrent les travaux réalisés dans le groupe de travail MPI-M « Biogéochimie océanique » : Sur la côte arctique, les vagues et l’augmentation des températures enlèvent des matériaux du pergélisol en dégel – actuellement environ un demi-mètre de rétraction côtière par an, qui devrait doubler ou tripler d’ici la fin du siècle selon les calculs.

Cela menace non seulement les communautés côtières, mais a également un impact supplémentaire sur le cycle du carbone océanique : le carbone contenu dans le matériau érodé se retrouve dans l’océan, où il se décompose. Par conséquent, le commandant2 le contenu à la surface de l’océan augmente, ce qui ralentit l’absorption océanique de CO2 de l’atmosphère.

« L’océan Arctique absorbe des quantités relativement importantes de CO2 par rapport à sa taille », explique David Nielsen, climatologue au CLICCS. « Mais les modèles du système terrestre n’ont pas encore été en mesure de simuler correctement ce puits de carbone. »

Si l’on tient compte de l’impact de l’érosion côtière du pergélisol, l’intérieur de l’océan Arctique pourrait absorber entre 9 et 19 % moins de CO2. L’augmentation des émissions de CO2 La teneur en eau de mer due à l’érosion rend également l’océan plus acide, menaçant la santé des écosystèmes marins.

 

Les défis de la modélisation

La question de savoir si, quand et sous quelle forme l’Arctique libérera ses importants dépôts de carbone dans l’atmosphère, et quels effets cela aura, sont donc des questions complexes qui ne peuvent être comprises qu’à l’aide de modèles du système terrestre. Mais : « Il existe actuellement un écart entre l’échelle spatiale à laquelle se déroulent les processus concernés et la résolution des modèles du système Terre », explique Victor Brovkin.

En effet, dans les modèles, la grille placée sur la surface de la Terre, par conséquent, les variables simulées, telles que la température, les précipitations ou les flux de carbone, sont à l’échelle d’un kilomètre à 100 km. Cependant, de nombreuses caractéristiques paysagères pertinentes sont hétérogènes à des échelles beaucoup plus fines, parfois métriques.

Afin de tenir compte de la riche diversité des environnements arctiques, le MPI-M s’est associé à l’Institut Max Planck de biogéochimie d’Iéna et à la société autrichienne b.geos dans le cadre du projet « Q-Arctic ». L’équipe collecte des données d’observation sur des sites et par satellite afin d’identifier les propriétés paysagères pertinentes.

Dans le même temps, ils travaillent sur des moyens d’utiliser ces informations dans le modèle du système terrestre ICON : des caractéristiques du paysage peuvent être définies à l’intérieur de chaque élément de la grille, en fonction de la topographie, des propriétés du sol et de la distribution de la végétation. Cela permet, par exemple, au modèle de déterminer le pourcentage d’une cellule de grille qui est recouvert de zones humides sous le climat simulé. Les premiers résultats obtenus avec cette approche sont prometteurs : la représentation de plans d’eau de surface à petite échelle et de sols gorgés d’eau dans la cellule de grille améliore déjà les résultats de modélisation.

Mais tout comme Shergin l’a fait autrefois, les scientifiques cherchent toujours à creuser plus profondément. L’approche de traitement de l’hétérogénéité à l’échelle d’une sous-grille est actuellement limitée aux processus physiques à la surface terrestre et sous celle-ci. L’étape suivante consiste à représenter les processus biogéochimiques et biophysiques au même niveau de détail.

Jusqu’à présent, une grande partie de la recherche sur la région du pergélisol a été centrée sur les émissions de carbone provenant du dégel des sols. Avec leurs recherches, le groupe de Brovkin vise à élargir cette portée et ainsi à approfondir leur compréhension de la façon dont les rétroactions biogéochimiques et biogéophysiques dans les paysages de pergélisol travaillent ensemble pour influencer le climat de la Terre.