Des recherches menées par des chercheurs de l’Université de Princeton ont découvert que lorsque les lacs d’eau de fonte à la surface de la calotte glaciaire du Groenland (photo) s’écoulent rapidement, ils créent des cloques d’eau entre la glace et le substrat rocheux que les scientifiques pourraient utiliser pour comprendre le réseau hydrologique sous l’épaisse calotte glaciaire intérieure du Groenland. Ces réseaux pourraient affecter la stabilité de la calotte glaciaire à mesure que le climat de la Terre se réchauffe. Crédit : Image de Google Earth
Des « ampoules » d’eau piégées sous l’intérieur épais de la calotte glaciaire du Groenland pourraient fournir des informations essentielles sur le réseau hydrologique qui s’étend profondément sous le deuxième plus grand corps humain de glace de la Terre – et comment il pourrait être déstabilisé par le changement climatique, selon une toute nouvelle étude.
Chaque année, des milliers de lacs naturels d’eau de fonte se forment à première vue à l’intérieur de la calotte glaciaire à haute altitude, où la glace pourrait avoir plus d’un demi-mile d’épaisseur. Au fur et à mesure que ces lacs se drainent, ils forment de grandes cavités remplies d’eau entre la glace et le substrat rocheux.
En combinant des observations de terrain avec des modèles mathématiques et des expériences de laboratoire, université de Princeton -des chercheurs dirigés ont découvert que ces cloques poussent la surface de la glace vers le haut, puis la font tomber progressivement parce que l’eau pénètre dans le système de drainage sous-glaciaire, selon un rapport publié dans le journal Communication Nature .
L’équipe montre pour la première fois que la montée et la descente de la calotte glaciaire causées par les drainages rapides des lacs peuvent être utilisées pour estimer une propriété appelée transmissivité, qui caractérise l’efficacité des réseaux d’eau qui se forment entre la glace et le substratum rocheux. Le drainage du lac présente un nouvel outil pour mesurer la transmissivité sous les parties intérieures de la calotte glaciaire, où la transmissivité est autrement difficile à mesurer, ont rapporté les chercheurs. Ils ont découvert que la transmissivité peut augmenter jusqu’à deux ordres de grandeur pendant la saison de fonte estivale du Groenland.
Des cavités remplies d’eau de fonte poussent le sommet de la calotte glaciaire vers le haut (à gauche), puis l’amènent à descendre progressivement (à droite) à mesure que l’eau pénètre dans le système de drainage sous-glaciaire. Cette montée et cette descente peuvent être utilisées pour estimer une maison du système de drainage sous-glaciaire appelé transmissivité. Crédit : Ching-Yao Lai, Département des géosciences
Les résultats pourraient faire la lumière sur la façon dont le changement climatique affectera le vaste intérieur gelé du Groenland à mesure que la planète se réchauffe et que la fonte en surface augmente, a déclaré le premier auteur Ching-Yao Lai, professeur adjoint de géosciences et de sciences atmosphériques et océaniques à Princeton. L’eau provenant de la fonte en surface peut agir comme un lubrifiant, a-t-elle déclaré, incitant le glacier à glisser plus facilement sur le substrat rocheux.
Les recherches existantes ont montré qu’un moyen majeur pour la fonte de la surface d’avoir un impact sur la stabilité de la calotte glaciaire du Groenland consiste à lubrifier le lit de la calotte glaciaire par l’eau de fonte, a déclaré Lai. La majorité de ces études, cependant, se sont consacrées à des zones de faible altitude où en réalité la calotte glaciaire est plus mince. Des études antérieures ont également suggéré qu’une fonte de surface accrue pourrait accélérer la vitesse de la calotte glaciaire intérieure à haute altitude, mais ces résultats sont basés sur des modèles informatiques plutôt que sur des observations, a déclaré Lai.
L’article de Nature Communications offre un aperçu rare, basé sur l’observation, des réseaux d’eau largement inaccessibles sous-jacents à la calotte glaciaire à haute altitude du Groenland. L’étude a été soutenue par le High Meadows Environmental Institute (HMEI) de Princeton et la HMEI Carbon Mitigation Initiative.
« Nous savons que même si le climat se réchauffe dans un avenir prévisible, la zone de fonte en surface peut s’étendre et migrer vers des altitudes plus élevées que celles observées actuellement. Cependant, une grande question à laquelle il reste à répondre est de savoir dans quelle mesure la transmissivité peut augmenter davantage à l’intérieur des terres », a déclaré Lai, membre du corps professoral associé de HMEI.
L’étude a utilisé des observations GPS du soulèvement de la surface dû aux événements de drainage du lac. Au-dessus, des lacs d’eau de fonte à la surface (à gauche) se vident à travers des fractures de la calotte glaciaire (à droite). L’eau provenant de la fonte en surface peut agir comme un lubrifiant qui desserre l’adhérence de la calotte glaciaire sur le sol. Crédit : Photos de l’imagerie Sentinel-2
“Un impact potentiel est que le lien entre la fonte de surface et le développement du réseau d’eau sous-glaciaire pourrait être activé non seulement à des altitudes inférieures, comme on l’observe actuellement, mais également à des altitudes plus élevées”, a-t-elle déclaré. «Plus d’observations des changements saisonniers de la transmissivité sous-glaciaire en réponse à la fonte de surface seraient sérieusement nécessaires pour vraiment comprendre ce qui se passerait lorsque la fonte migrerait vers des régions de plus haute altitude. ”
Les co-auteurs de l’article de Princeton sont Howard Stone, membre du corps professoral associé à HMEI, Donald R. Dixon ’69 de Princeton et Elizabeth W. Dixon, professeur de génie mécanique et aérospatial et titulaire de la chaire de génie mécanique et aérospatial, et Danielle Chase, étudiante diplômée en Groupe des fluides complexes de Stone.
Les co-auteurs de l’analyse comprenaient également Laura Stevens, professeure agrégée en travail sur les processus climatiques et de surface de la Terre au Université d’Oxford qui possède une vaste expérience dans l’étude des drainages lacustres et de la dynamique des glaces. Stevens a aidé à collecter les observations sur le terrain au Groenland avec les co-auteurs Mark Behn, professeur agrégé de sciences de la terre et de l’environnement au Boston College, et Sarah Das, scientifique associée à la Woods Hole Oceanographic Institution. Timothy Creyts de l’Observatoire de la Terre Lamont-Doherty à Université Columbia est également co-auteur de l’étude.
Les chercheurs ont utilisé les données GPS et les observations sur le terrain de cinq événements de drainage du lac qui se sont produits entre 2006 et 2012 pour estimer le volume de drainage et également pour observer les déplacements de surface causés par le drainage du lac et la formation de cloques qui s’ensuit.
Les chercheurs ont conçu des expériences de laboratoire et un modèle mathématique pour examiner le soulèvement et la déflation de surface dus à la formation de cloques. La vidéo ci-dessus montre comment la dynamique de dégonflage de surface avec le temps est contrôlée par la transmissivité du réseau poreux traversé par le fluide. Crédit : Vidéo de Danielle Chase, Département de génie mécanique et aérospatial
“Nous avons observé dans les données GPS de nombreux temps de relaxation de soulèvement de la calotte glaciaire à la suite des cinq événements de drainage”, a déclaré Stevens. «Nous avions une idée que cette propagation des temps de relaxation peut être indicative de certaines caractéristiques du système de drainage sous-glaciaire. Notre compréhension s’est considérablement améliorée au fur et à mesure que cette collaboration entre des chercheurs experts en approches observationnelles, théoriques et expérimentales s’est catalysée. ”
Chase – qui a reçu un HMEI Walbridge Fund Graduate Award pour étudier la fracturation par fluide – a ensuite conçu une série d’expériences utilisant un type de silicone qui imite la glace déformable sur un matériau poreux qui représente le substrat rocheux. Elle a injecté du fluide entre la feuille déformable et le substrat poreux, en observant le temps qu’il a fallu pour qu’une cloque se forme puis s’écoule dans le substrat poreux. En collaboration avec Stone et Lai, Chase a également développé un modèle mathématique qui explique la physique qui régit le soulèvement et la relaxation de la surface en raison de la formation de cloques d’eau. Son travail pourrait faire l’objet de un papier récemment accepté par la revue Liquides d’examen physique .
« Les expériences peuvent être utiles car, en laboratoire, nous pouvions contrôler et mesurer tous les paramètres du système, ce qui nous a permis de tester notre modèle », a déclaré Chase. « Nous pouvons également choisir des matériaux idéaux. Le système est suffisamment petit pour tenir dans une main et le matériau est transparent, nous avons donc pu observer directement la forme du blister et le drainage dans le substrat poreux au fil du temps. ”
L’étude est exclusive pour utiliser des expériences de laboratoire pour étudier des processus naturels tels que la formation de cloques qui sont difficiles à analyser sur le terrain où les chercheurs ne peuvent pas contrôler les paramètres.
“Il est précieux de posséder des modèles de laboratoire pour mieux comprendre les mécanismes derrière les changements de forme complexes qui se produisent dans la nature”, a déclaré Stone. « Ici, les expériences en laboratoire ont capturé les principales caractéristiques mécaniques observées sur le terrain et nous ont aidés à comprendre la relaxation de la calotte glaciaire lorsque l’eau s’écoule le long du lit glaciaire. ”
Référence : « Transmissivité hydraulique inférée de la relaxation de l’inlandsis suivant les drainages des lacs supraglaciaires du Groenland » par Ching-Yao Lai, Laura A. Stevens, Danielle L. Chase, Timothy T. Creyts, Mark D. Behn, Sarah B. Das et Howard A Pierre, le 25 juin 2021, Communication Nature .
DOI : 10. 1038/s41467-021-24186-6
L’article, « Transmissivité hydraulique inférée de la relaxation de la nappe glaciaire à la suite des drainages des lacs supraglaciaires du Groenland », a été publié le 25 juin dans Communication Nature . Le travail a été soutenu par les bourses postdoctorales Lamont de l’Observatoire de la Terre Lamont-Doherty; une bourse de recherche d’études supérieures de la National Science Foundation (NSF); le Bureau des programmes polaires de la NSF (OPP-1643970) et le programme des sciences cryosphériques (OPP-1838410, ARC-1023364, ARC-0520077 et NNX10AI30G) ; Nasa (NNX16AJ95G); la Fondation Vetlesen ; le High Meadows Environmental Institute et la HMEI Carbon Mitigation Initiative de l’Université de Princeton ; et le Princeton University Library Open Access Fund.
