Révélations sur les secrets du pergélisol Understand article

Traduit par Johanne Patry. L’étude du pergélisol nous permet non seulement de regarder dans le passé, mais aussi dans l’avenir. Miguel Ángel de Pablo, Miguel Ramos, Gonçalo Vieira et Antonio Molina expliquent.

Se protégeant du froid vent Antarctique, quatre silhouettes enrobées gravissent une pente. Seraient-ils des pingouins? Des phoques? Non. Ce sont les scientifiques du pergélisol – bien emmitouflés contre le froid, transportant leur équipement de haute technologie.

C’est ainsi que nous passons deux mois chaque année avant de retourner à nos laboratoires tout chaud pour analyser nos données. Que faisons-nous et pourquoi le faisons-nous?

Qu’est-ce que le pergélisol?

Lorsqu’arrive l’hiver et que la température est à la baisse, de la glace se forme dans les flaques d’eau et les étangs. Lorsque la température demeure sous 0° C assez longtemps, même le sol gèle. Dans certains cas, le sol peut demeurer continuellement gelé pour plus de deux années; nous l’appelons alors le pergélisol.

De toute évidence, ceci se produit dans des environnements extrêmes; le pergélisol se trouve autour des pôles et à grande altitude dans les montagnes (figure 1). Quoi qu’il en soit, dans l’hémisphère nord, qui a été le plus étudié, le pergélisol couvre 20% du la surface continentale.

Mélangés dans le pergélisol peuvent se trouver des parties de sol qui demeurent gelées toute l’année (talik), le résultat de pression locale, d’une salinité élevée ou encore du mouvement d’eaux souterraines. Ceci signifie que le pergélisol peut être en continu spatialement, couvrant de large régions, mais aussi discontinu et même parcellisé (figure 1). La profondeur du pergélisol varie beaucoup, selon l’environnement; il peut s’étendre sur des centaines de mètres dans le sol. Alors qu’à l’île de Déception en Antarctique, qui est un volcan actif, il n’y que trois mètres d’épaisseur.

La détection du pergélisol

En théorie, la détection du pergélisol est relativement facile : simplement insérer un thermomètre dans le sol et recueillir régulièrement des données sur deux ans. Toutefois, l’obtention de données précises et représentatives est plus compliquée. Cet état de fait est dû à la couche la plus superficielle du sol qui est directement affectée par les radiations solaires et les conditions météorologiques, donc contrairement au pergélisol dessous, elle fond durant la saison chaude.

La couche en surface au-dessus du pergélisol est connue sous le nom de couche active. La répétition des cycles gèle-dégèle produit des formes à petites échelles comme les terrains polygonaux, les cercles de pierre et un sol comportant des motifs.

Ces surfaces alors peuvent être indicatives de la présence de pergélisol dessous. Pour le vérifier, nous et d’autres experts en pergélisol perçons des trous et introduisons des sondes de température à des profondeurs allant de 50 cm à 50 m.

Après plusieurs années de cueillette de données, nous pouvons déterminer si le pergélisol existe et comment s’est déroulée son évolution thermique. En fait, nous apprenons comment la température du sol a changé durant la période de collecte à différentes profondeurs.

Que pouvons-nous apprendre du pergélisol.

Pourquoi devrions-nous, les scientifiques et les autres, savoir si le sol est gelé sous la surface? Le pergélisol peut être important dans notre quotidien, en plus de nous démontrer les climats passés et futurs sur la Terre. Il peut même nous en apprendre sur d’autres planètes.

En mesurant la température près de la surface, nous pouvons voir si la couche active épaissit, alors que le pergélisol dessous dégèle, ou s’amincit. Cet état de fait nous dit comment le climat change alors que l’épaisseur dépend non seulement de la température de l’air, mais aussi sur d’autres facteurs comme la couverture de neige. En surveillant l’épaisseur de la couche active dans différents sites sur la Terre, nous pouvons enquêter sur l’influence du réchauffement global sur les températures au sol.

Le pergélisol nous parle non seulement du le climat actuel, mais il révèle aussi notre climat passé. Si un morceau de roche se réchauffe durant la journée, il commencera à se refroidir la nuit suivante. Toutefois, il demeurera chaud pour un certain temps, spécifiquement profondément dans la roche, loin de la surface où la chaleur est perdue. La mesure des températures à différentes profondeurs dans le morceau de roche nous renseigne sur les conditions thermiques précédentes pour cette roche. Nous pouvons faire de même pour le pergélisol, plus nous forons, plus nous reculons dans le passé.

Toutefois, des sols et des roches transfèrent la chaleur à différentes vitesses selon leur composition et structure. Ce phénomène s’appelle la conductibilité thermique. Si nous connaissons la conductibilité thermique du sol et des roches dans le pergélisol, nous pouvons convertir la profondeur en temps, reconstruisant l’évolution climatique sur des décennies ou des centaines d’années passées. Par exemple, la découverte de roches plus froides sous la surface indique que le climat à cette profondeur (temps) était plus froid qu’aujourd’hui. En théorie, ces calculs fonctionneraient aussi pour le sol dégelé mais ici le gradiant géothermique (la chaleur du centre de la Terre) influence aussi la température. Dans le pergélisol, la température de surface joue un rôle plus significatif.

Récemment, les scientifiques ont découvert que les changements de la couche active non seulement indiquent un changement climatique, mais y contribue aussi actuellement. Dans l’hémisphère nord, le pergélisol contient de grandes quantités de matières organiques gelées. Alors que le réchauffement climatique cause l’épaississement de la couche active, cette matière organique est exposée à la décomposition par des microorganismes qui relâchent du dioxyde de carbone et du méthane, gaz important de l’effet de serre, dans l’atmosphère, augmentant par le fait même le taux de réchauffement global.

Le pergélisol peut avoir un impact direct sur les humains, dans des zones où des maisons, des routes et des voies de chemin de fer sont construites sur le pergélisol.

Lorsque le pergélisol dégèle, la résistance du sol s’abaisse et les constructions peuvent s’affaisser^w1 (Figure 5). L’accroissement de la température globale causera l’apparition plus fréquente de ce phénomène. En détectant le pergélisol sous la surface, nous pouvons permettre aux ingénieurs de prendre des mesures préventives pour fortifier les constructions ou encore éviter de les bâtir sur le pergélisol en premier lieu.

Finalement, le pergélisol peut nous aider à comprendre la dynamique des autres planètes comme Mars. Mars possède de grandes quantités de glace formant du pergélisol (Figure 6). Ainsi, l’étude de l’évolution du pergélisol sur la Terre peut nous aider à comprendre les climats passés et présents sur Mars. Des bases permanentes futures à cet endroit pourraient même utiliser le pergélisol martien comme source d’eau.

L’étude du pergélisol en Antarctique

Durant les deux dernières décennies, notre équipe a effectué des recherches à long terme sur le pergélisol à différents sites sur les îles de Livingston et de Déception dans la région péninsulaire de l’Antarctique. Nous mesurons la température du sol à la fois près de la surface ainsi que dans des trous d’une profondeur pouvant atteindre les 25 mètres. Nous suivons la température du sol, la comparons avec les températures de l’air et de la surface et nous étudions les facteurs qui influencent la température du sol tels que la vitesse du vent aux propriétés de la roche comme la conductibilité thermique, la porosité et l’humidité. Nous mesurons aussi l’épaisseur de la couche active chaque année durant la saison du dégel. Quelques trous ont été suivis continuellement jusqu’à 25 ans; d’autres ont été percés depuis six années.

Nous avons sélectionné la région péninsulaire en Antarctique parce que:

1. La plupart des recherches sur le pergélisol ont lieu dans l’hémisphère nord alors nous voulions étendre les surfaces surveillées. Comme nos collègues dans le nord, nous utilisons les protocoles internationaux pour suivre la couche active et mesurer la température dans les trous telles que définies par l’Association internationale du pergélisol (IPA)^w2.
2. La péninsule est une des quelques surfaces sans glace de l’Antarctique, ce qui est important car le pergélisol est stable s’il se trouve de la glace au-dessus. De plus, nous voulions investiguer la couche active.
3. C’est près de la frontière nord du pergélisol Antarctique, où les températures près du sol avoisinent les 0° C et le pergélisol est alors plus sensible aux changements climatiques.

Que révèlent nos données? Le résultat principal présente que, même si quelques régions qui étaient en pergélisol sont maintenant dégelées toute l’année, la plupart du sol des îles Livingston et Déception est approximativement aussi gelé qu’il y a dix ans malgré le réchauffement climatique (Figure 8). Ces différences locales sont déterminées par les propriétés du sol et des roches : du matériel avec une plus grande conductibilité thermique, par exemple, dégèle plus rapidement. Durant les prochaines décennies, nous nous attendons à ce que le pergélisol ayant une plus basse conductibilité thermique succombera au réchauffement planétaire aussi. Nous espérons retourner en Antarctique régulièrement pour opérer un suivi.

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