L’eau s’écoule dans un moulin et descend vers le lit du glacier Store, au Groenland. Crédit : Poul Christoffersen
La deuxième plus grande calotte glaciaire du monde fond de bas en haut – et génère d’énormes quantités de chaleur grâce à l’hydroélectricité.
Les chercheurs ont observé des taux de fonte extrêmement élevés au fond de la calotte glaciaire du Groenland, causés par d’énormes quantités d’eau de fonte tombant de la surface vers la base. Au fur et à mesure que l’eau de fonte tombe, l’énergie est convertie en chaleur dans un processus similaire à l’énergie hydroélectrique générée par les grands barrages.
Une équipe internationale de scientifiques, dirigée par l’Université de Cambridge, a découvert que l’effet de l’eau de fonte descendant de la surface de la couche de glace vers le lit – un kilomètre ou plus en dessous – est de loin la plus grande source de chaleur sous la deuxième plus grande couche de glace du monde, conduisant à des taux de fonte phénoménalement élevés à sa base.
L’effet lubrifiant de l’eau de fonte a un effet important sur le mouvement des glaciers et la quantité de glace déversée dans l’océan, mais mesurer directement les conditions sous un kilomètre de glace est un défi, surtout au Groenland où les glaciers sont parmi ceux qui se déplacent le plus rapidement au monde.
Front du glacier Store après un important vêlage. Crédit : Poul Christoffersen
Ce manque de mesures directes rend difficile la compréhension du comportement dynamique de l’inlandsis groenlandais et la prévision des changements futurs. Les pertes de glace étant liées à la fois à la fonte et au déversement, l’inlandsis groenlandais est désormais le principal responsable de l’élévation du niveau de la mer à l’échelle mondiale.
Maintenant, dans une étude publiée dans le Proceedings of the National Academy of Sciencesl’équipe dirigée par Cambridge a découvert que l’énergie gravitationnelle de l’eau de fonte se formant à la surface est convertie en chaleur lorsqu’elle est transférée à la base par de larges fissures dans la glace.
Chaque été, des milliers de lacs et de ruisseaux d’eau de fonte se forment à la surface de la calotte glaciaire du Groenland à mesure que les températures augmentent et que le rayonnement solaire quotidien s’accroît. Un grand nombre de ces lacs s’écoulent rapidement vers le bas de la couche de glace, tombant à travers les fissures et les grandes fractures qui se forment dans la glace. Grâce à l’apport continu d’eau des ruisseaux et des rivières, les connexions entre la surface et le fond restent souvent ouvertes.
Croquis illustrant “l’hydroélectricité de la calotte glaciaire” qui réchauffe et fait fondre la base de la calotte glaciaire du Groenland beaucoup plus rapidement qu’on ne le pensait auparavant. Crédit : Poul Christoffersen
Dans le cadre du projet RESPONDER financé par l’UE, le professeur Poul Christoffersen, du Scott Polar Research Institute de Cambridge, a étudié ces lacs d’eau de fonte, comment et pourquoi ils se drainent si rapidement, et l’effet qu’ils ont sur le comportement général de l’inlandsis alors que les températures mondiales continuent d’augmenter.
Les travaux actuels, auxquels participent des chercheurs de l’université d’Aberystwyth, sont l’aboutissement d’une étude de sept ans sur le glacier Store, l’un des plus grands exutoires de l’inlandsis groenlandais.
“Lorsque nous étudions la fonte basale des nappes glaciaires et des glaciers, nous examinons les sources de chaleur comme la friction, l’énergie géothermique, la chaleur latente libérée lorsque l’eau gèle et les pertes de chaleur dans la glace au-dessus”, a déclaré Christoffersen. “Mais ce que nous n’avions pas vraiment examiné, c’est la chaleur générée par l’eau de fonte qui s’écoule elle-même. Il y a beaucoup d’énergie gravitationnelle stockée dans l’eau qui se forme à la surface et quand elle tombe, l’énergie doit aller quelque part.”
Pour mesurer les taux de fonte basale, les chercheurs ont utilisé un sondage radio-échographique sensible à la phase, une technique développée au British Antarctic Survey et utilisée précédemment sur les couches de glace flottantes en Antarctique.
“Nous n’étions pas sûrs que la technique fonctionnerait également sur un glacier à écoulement rapide au Groenland”, a déclaré le premier auteur, Tun Jan Young, qui a installé le système radar sur le glacier Store dans le cadre de son doctorat à Cambridge. “Par rapport à l’Antarctique, la glace se déforme très vite et il y a beaucoup d’eau de fonte en été, ce qui complique le travail.”
Les taux de fonte de la base observés avec le radar étaient souvent aussi élevés que les taux de fonte mesurés en surface avec une station météorologique : or, la surface reçoit de l’énergie du soleil alors que la base n’en reçoit pas. Pour expliquer ces résultats, les chercheurs de Cambridge se sont associés à des scientifiques de l’Université de Californie Santa Cruz et du Service géologique du Danemark et du Groenland.
Tentes avec lac supraglaciaire sur le glacier StoreGlacier Store, Groenland. Crédit : Tom Chudley
Les chercheurs ont calculé que pas moins de 82 millions de mètres cubes d’eau de fonte ont été transférés vers le lit du glacier Store chaque jour pendant l’été 2014. Ils estiment que l’énergie produite par la chute d’eau pendant les périodes de fonte maximale était comparable à celle produite par le barrage des Trois Gorges en Chine, la plus grande centrale hydroélectrique du monde. Avec une zone de fonte qui s’étend à près d’un million de kilomètres carrés au plus fort de l’été, l’inlandsis groenlandais produit plus d’énergie hydroélectrique que les dix plus grandes centrales hydroélectriques du monde réunies.
“Compte tenu de ce que nous observons aux hautes latitudes en termes de changement climatique, cette forme d’hydroélectricité pourrait facilement doubler ou tripler, et nous ne tenons toujours pas compte de ces chiffres lorsque nous estimons la contribution de l’inlandsis à l’élévation du niveau de la mer”, a déclaré Christoffersen.
Camp scientifique sur le glacier Store près du lac supraglaciaire sur le glacier Store, Groenland. Crédit : Tom Chudley
Pour vérifier les taux élevés de fonte basale enregistrés par le système radar, l’équipe a intégré des mesures de température indépendantes provenant de capteurs installés dans un forage voisin. À la base, ils ont constaté que la température de l’eau pouvait atteindre +0,88 degré Celsius, which is unexpectedly warm for an ice sheet base with a melting point of -0.40 degrees.
“The borehole observations confirmed that the meltwater heats up when it hits the bed,” said Christoffersen. “The reason is that the basal drainage system is a lot less efficient than the fractures and conduits that bring the water through the ice. The reduced drainage efficiency causes frictional heating within the water itself. When we took this heat source out of our calculations, the theoretical melt rate estimates were a full two orders of magnitude out. The heat generated by the falling water is melting the ice from the bottom up, and the melt rate we are reporting is completely unprecedented.”
The study presents the first concrete evidence of an ice-sheet mass-loss mechanism, which is not yet included in projections of global sea level rise. While the high melt rates are specific to heat produced in subglacial drainage paths carrying surface water, the volume of surface water produced in Greenland is huge and growing, and nearly all of it drains to the bed.
Reference: “Rapid basal melting of the Greenland Ice Sheet from surface meltwater drainage” 21 February 2022, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2116036119
The research was supported in part by the European Union and the European Research Council.
