Le rôle des différents types de neige dans l'évolution du pergélisol

Mercredi, 20 juin 2012

Une récente étude réalisée par une équipe de chercheurs issus du Laboratoire de glaciologie et géophysique de l’environnement (LGGE/OSUG, CNRS / UJF), d’AgroParisTech, du Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (LSCE/IPSL, CEA/CNRS/UVSQ), du laboratoire Takuvik (Université Laval de Québec / CNRS), du Lawrence Berkeley national laboratory (LBL, États-Unis), de la branche recherche de l’Agriculture et agroalimentaire Canada (AAC) et de l’Alfred Wegener institute for polar and marine research (AWI, Allemagne) a permis de mettre en évidence la très grande variation spatiale du pouvoir d’isolation thermique du manteau neigeux des hautes latitudes nord et de quantifier son impact sur la température du pergélisol. Il en ressort que le manteau neigeux pourrait être l’un des maillons d’une nouvelle boucle de rétroaction positive sur le climat, la boucle végétation – neige – pergélisol – climat.

Le pergélisol, sol gelé en permanence, recouvre environ la moitié du Canada, de l’Alaska et de la Russie, soit 10 millions de km2. Ces sols gelés contiennent d’énormes quantités de carbone organique, à savoir 1700 Pg de carbone (1Pg = 1015 g), à comparer aux 700 Pg de carbone contenus dans toute l’atmosphère. Or, le réchauffement climatique pourrait conduire au dégel progressif de ce pergélisol, avec pour conséquence une augmentation de l’activité bactérienne qui minéralisera le carbone contenu dans ces sols, dont une partie sera alors émise vers l’atmosphère sous forme de CO2 et CH4, deux puissants gaz à effet de serre. Ce processus représente une rétroaction(1) positive très forte sur le réchauffement (rétroaction pergélisol – climat). Prévoir aussi précisément que possible l’évolution future du pergélisol est donc très important.

Un acteur omniprésent en Arctique et essentiel dans ce contexte est le manteau neigeux, notamment parce qu’il forme en hiver une couche isolante qui limite le refroidissement du pergélisol et que sa fonte estivale permet aux sols de se réchauffer. Or, le manteau neigeux est très dur en Arctique, alors qu’il ne présente aucune résistance mécanique dans les régions subarctiques, une différence de constitution qui se traduit par une différence dans son pouvoir d’isolation thermique. Pour obtenir des prédictions fiables d’évolution du pergélisol, il apparait donc nécessaire de prendre en compte dans les modèles cette variation géographique du pouvoir isolant du manteau neigeux ce qui n’était pas fait jusqu’à présent.


C’est à cette question que se sont intéressés plusieurs chercheurs issus de diverses institutions (LGGE, AgroParisTech, LSCE, Takuvik, LBL, AAC et AWI). Ils ont étudié les caractéristiques physiques de la neige dans différentes zones arctiques et subarctiques et montré que la neige dense et dure de l’Arctique était formée de petits grains ronds fortement liés entre eux, alors que celle moelleuse et sans cohésion des régions subarctique était constituée de cristaux de "givre de profondeur", grains facettés et creux, faiblement liés entre eux. Ils ont également mesuré la conductivité thermique de ces deux types de neige et mis en évidence qu’elle est environ 3,6 fois supérieure en zone arctique qu'en zone subarctique(2). Ils ont finalement pu expliquer ces résultats par les interactions neige – végétation – climat. En effet, l’absence de végétation haute en Arctique expose la neige à l’action du vent : soulevée puis redéposée violemment par les blizzards plusieurs fois par saison, la neige se tasse progressivement, formant ce que l’on appelle des couches de neige ventée ou "plaques à vent", dures et faiblement isolantes, les petit grains ronds dont elle est constituée se formant lorsqu’elle est soulevée. En revanche, dans les régions subarctiques, la végétation (foret boréale ou taïga) empêche le vent de densifier la neige, dont l’évolution est alors totalement différente : tout le manteau neigeux se transforme en gros cristaux de "givre de profondeur", formant des couches sans cohésion et très isolantes.


Les chercheurs ont ensuite intégré ces nouvelles données dans le modèle de surfaces continentales ORCHIDEE et ont ainsi pu quantifier l’impact du pouvoir isolant du manteau neigeux sur le pergélisol : lorsque l’on tient compte de la variation géographique de la conductivité thermique du manteau neigeux, la température du sol s’avère plus élevée, jusqu’à 12°C de plus en hiver et 4°C en été (à 50 cm de profondeur), que lorsque l’on utilise pour toutes les régions une conductivité thermique proche de celle de la neige arctique.
Différences de température du sol à 50 cm de profondeur en hiver (en haut) et en été (en bas), calculées par le modèle de surfaces continentales ORCHIDEE (valeurs moyennées sur 30 ans entre 1970 et 2000), entre les scénarios VARIED et CTRL, VARIED utilisant les valeurs de conductivité thermique de la neige mesurées dans cette étude, soit 0.25 W m-1 K-1 sur la toundra et 0.07 W m-1 K-1 sur la taïga, et CTRL une valeur uniforme de 0.20 W m-1 K-1. La courbe bleue indique les limites d’expansion de la taïga.

La végétation subarctique gagnant du terrain avec le réchauffement, cet impact pourrait conduire à une accélération du réchauffement du pergélisol et donc de son dégel. Ce travail montre donc que les transformations physiques de la neige forment l’un des maillons de ce qui pourrait être une nouvelle boucle de rétroaction positive sur le climat, la boucle végétation – neige – pergélisol – climat.

Ce travail a été réalisé dans le cadre de la campagne polaire OASIS financée par l’IPEV, de la campagne SNORTEX financée par le PNTS du CNRS-INSU et par les programmes européens Page21, Combine et LIFE SNOWCARBO.

Note(s): 
  1. On parle de rétroaction quand une composante du système climatique est modifiée par le réchauffement climatique et que cette modification induite agit en retour sur le climat. Une rétroaction est dite positive si elle amplifie le réchauffement et négative si elle l'affaiblit.
  2. Le pouvoir isolant du manteau neigeux arctique (environ 35 cm d’épaisseur) équivaut à celui d’une couche de 10 à 15 cm de polystyrène, alors que celui du manteau neigeux des zones subarctiques (environ 60 cm d’épaisseur) équivaut à celui d’une couche de 30 à 50 cm de ce même matériau.
Source(s): 

I. Gouttevin, M. Menegoz, F. Dominé, G. Krinner, C. Koven, P. Ciais, C. Tarnocai, and J. Boike, How the insulating properties of snow affect soil carbon distribution in the continental pan-Arctic area, J. Geophys. Res., (2012), 117, G02020, doi:10.1029/2011JG001916

Contact(s):
  • Isabelle Gouttevin, AgroParisTech et LGGE/OSUG
    isabelle [dot] gouttevin [at] lgge [dot] obs [dot] ujf-grenoble [dot] fr, 04 76 82 42 51
  • Gerhard Krinner, LGGE/OSUG
    krinner [at] lgge [dot] obs [dot] ujf-grenoble [dot] fr, 04 76 82 42 42 - 06 82 39 73 71
  • Florent Domine, UMI Takuvik
    florent [dot] domine [at] takuvik [dot] ulaval [dot] ca, 00(1)418 656 2131 #7387

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