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.

Étude du pergélisol en
Antarctique

Image reproduite avec
l’aimable autorisation de
Miguel Ángel de Pablo

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?

Figure 1: La distribution du
pergélisol dans l’hémisphère
nord et en Antarctique,
présentant des trous
d’excavation pour le suivi du
pergélisol. Cliquer sur
l’image pour l’agrandir

Image reproduite avec
l’aimable autorisation de
Hugues Lantuit, International
Permafrost Association

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.

Figure 2: Image en coupe démontrant différents types de pergélisol. Cliquer sur l’image pour l’agrandir
Modified Image reproduite avec l’aimable autorisation de PhysicalGeography.net; background Image reproduite avec l’aimable autorisation de Mark Sykes; source de l’image: Flickr

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.

Figure 3: Stone circles
formed by active layer
dynamics due to seasonal
freeze-thaw cycles

Image courtesy of Miguel
Ángel de Pablo

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.

Figure 4: Un profil thermique à partir de données de forage en Antarctique. À son plus chaud, seulement la couche active monte au-dessus de 0° C. Sous le niveau annuel d’amplitude zéro, il n’y a pas de changement de température saisonnier. Sous la base du pergélisol, la température du sol est au-dessus de 0° C
Image reproduite avec l’aimable autorisation de Miguel Ángel de Pablo

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.

Figure 5: Infrastructure
collapse due to thawing
ice-rich permafrost terrain,
Alaska, USA

Image reproduite avec
l’aimable autorisation de
Vladimir Romanovsky, UAF

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.

Figure 6: Glace sous la
surface de Mars découverte
et analisée par la mission
Phénix

Image reproduite avec
l’aimable autorisation de
Phoenix / ASU / JPL / NASA

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’affaisserw1 (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

Images courtesy of
Miguel Ramos

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:

Figure 7: Our research sites
in the Antarctic Peninsula
region.
Click on images to enlarge

Image courtesy of Benjamin
Dumas; image source: Flickr
  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.

a) L’index de dégel annuel est défini comme étant les températures positives cumulées quotidiennes (en °C) durant la période de dégel.
b) L’index de gel annuel est défini comme étant les températures négatives cumulées quotidiennes (en °C) durant la période de gel

Figure 8: Des motifs de gel et dégel à trois profondeurs différentes dans le trou Incinerador (profondeur 230 cm) sur l’île de Livingston, entre 200 et 2010. Actuellement, nous ne possédons pas assez d’informations spatiales et temporelles pour conclure que le pergélisol dans la péninsule de l’Antarctique est affecté par le réchauffement planétaire. Dans le trou Incinerador, il y aurait une légère tendance dans l’index de dégel, mais l’index de gel ne démontre aucun changement. Dans l’ensemble, le pergélisol est stable.
Images reproduites avec l’aimable autorisation de Miguel Ramos

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Web References

  • w1 – La chaîne américaine PBS (Public Broadcasting Service) a développé une activité pour confectionner son propre pergélisol en classe, construire une habitation à sa surface et observer les conséquences du dégel. Voir : www.pbs.org/edens/denali/permawht.htm
  • w2 – L’Association internationale du pergélisol coordonne la coopération parmi les scientifiques et les ingénieurs qui travaillent sur le pergélisol. Voir : www.ipa-permafrost.org

Resources

  • Le Centre national des données sur la neige et la glace des États-Unis opère un site internet éducatif sur les sols gelés, incluant plusieurs activités et ressources sur le pergélisol. Voir : http://nsidc.org/frozenground
  • Le Comité scientifique sur la recherche en Antarctique offre des vastes et riches ressources en enseignement sur l’Antarctique pour les élèves de tous âges, dans différentes langues, incluant l’habillement d’un scientifique de l’Antarctique avec les vêtements appropriés. Voir : www.scar.org/about/capacitybuilding/antarcticeducation
  • Le musée américain sur l’Antarctique a établi une liste des occasions éducatives pour les enseignants afin qu’ils expérimentent l’Antarctique et des ressources pour leurs élèves. Voir : www.usap.gov/usapgov/educationalResources.cfm?m=5
  • Pour trouver de fantastiques photos de l’Antarctique à utiliser pour vos leçons, visitez : www.coolantarctica.com
  • Pour apprendre sur le voyage d’un enseignant en Antarctique, voir:
  • Plus de 25 années ont passé depuis la découverte d’un trou dans la couche d’ozone au-dessus de l’Antarctique. Pour en apprendre plus sur les causes et la situation actuelle, voir :

Author(s)

Miguel Ángel de Pablo est un assistant-professeur en géologie à l’Universidad de Alcala à Madrid en Espagne. Il est un géologue et possède une vaste expérience de travail sur la géologie de Mars, où la surface demeure gelée. Il a rejoint l’équipe de recherche en Antarctique en 2007 pour étudier le pergélisol terrestre dans un effort pour comprendre les processus géologiques martien en liens avec des terrains gelés.

Miguel Ramos est un professeur associé en physique à l’Universidad de Alcala, et dirige la recherche de l’université sur le pergélisol de l’Antarctique. Il a passé 25 années à travailler sur l’Antarctique, étudiant les effets du climat sur l’évolution thermique des îles South Shetland.

Gonçalo Vieira est un professeur assistant en études géographiques à l’Universidad de Lisboa à Lisbonne, Portugal. Il est un géographe et dirige l’équipe portugaise qui travaille sur le pergélisol et d’autres processus périglacials, surtout en Antarctique. Il collabore avec Miguel Ramos depuis 2002.

Antonio Molina est un doctorant au département de planétologie et d’habitabilité au Centro de Astrobiologia CSIC/INTA à Madrid, Espagne. Il est un jeune chercheur qui étudie les processus martiens et les analogies terrestres, tout spécialement ceux en lien avec les sols gelés, depuis 2009. Il a participé à une campagne en Antarctique en tant que membre de l’équipe de recherche de l’Universidad de Alcala.


Review

Plusieurs personnes savent ce qu’est le pergélisol: du sol gelé. Toutefois, si les chercheurs passent des décennies à étudier le pergélisol, il doit y en avoir plus à connaître que cette simple information.

Cet article décrit ce qu’est le pergélisol, comment il peut être étudié, ce que l’on peut en apprendre de cette recherche et pourquoi cette information est importante. De plus, il contient de l’information qui peut être utilisée en classe de science au niveau secondaire pour plusieurs sujets et thèmes. Les enseignants peuvent inclure la biologie (ex. : écologie), les sciences environnementales (ex. : changements climatiques), la physique et la chimie (ex. : l’eau et les propriétés matérielles), la géologie (ex. : propriétés des roches) et la météorologie (ex. : le vent et la température).

Pour des niveaux secondaires avec des élèves plus jeunes (13-15 ans), l’article pourrait être une bonne source d’information sur ce qu’est le pergélisol, comment il est étudié et quelle serait l’information importante qu’il pourrait révéler. Pour les jeunes plus vieux (16-19 ans), l’article pourrait aussi aider à comprendre comment tout ce qui se passe sur la planète a des implications directes et indirectes qui vont au-delà de ce qu’on pourrait s’imaginer à premier abord. Par exemple, les élèves réaliseront que le réchauffement climatique peut avoir un effet négatif sur l’utilisation des territoires par les humains ainsi que leur développement.
Questions appropriées de compréhension et de discussions seraient:

  1. Quelles sont les différences majeures entre le pergélisol, le talik et la couche active en rapport avec les propriétés et leur position?
  2. Quels critères sont habituellement employés par les chercheurs pour trouver des sites de pergélisol?
  3. Expliquez comment des changements dans la couche active peut contribuer au réchauffement climatique.
  4. Pourquoi est-ce important de mesurer la température à différentes profondeurs dans le pergélisol?
  5. Une compagnie de construction planifie de construire des maisons dans une région où existe le pergélisol. Supporteriez-vous ces plans? Justifiez

L’article serait très approprié à étudier pour des pays du nord de l’Europe ainsi que des pays avec des montagnes très élevées, puisque ceux-ci possèdent du pergélisol. Quoi qu’il en soit, à cause des changements climatiques, qui influencent et sont affectés par le pergélisol, c’est un problème global. Cet article peut procurer des informations essentielles pour toutes les classes n’importe où dans le monde.


Michalis Hadjimarcou, Chypre




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