Les quantités de glace sur la planète diminuent-elles ?

Les glaces constituent l’une des figures emblématiques du changement climatique car leur évolution est souvent spectaculaire, sur des échelles de temps de quelques années ou de quelques dizaines d’années. Cette évolution est donc plus facilement perceptible par l’homme qu’un changement de température de quelques dixièmes de degrés.

Pourtant, l’évolution des glaces est très contrastée d’une région à l’autre de la planète et, pour dresser un panorama exhaustif de leur état de santé, il convient de distinguer les différentes formes de glace :

• glace de mer (banquise) ;
• glaciers et petites calottes ;
• et calottes polaires (Antarctique et Groenland).

L’échelle de temps considérée est celle des 20 ou 30 dernières années. C’est sur cette période que les observations satellitaires sont venues en appui des mesures de terrain et ont permis d’avoir une vision plus exhaustive de l’évolution des glaces, notamment dans les lointaines régions polaires.

Banquise

La banquise est une fine couche de glace (d’une épaisseur de quelques mètres, au plus), formée par le gel des eaux salées en surface des océans des régions polaires. Cette faible épaisseur et son contact à la fois avec l’atmosphère et avec l’océan expliquent la grande sensibilité de la banquise aux évolutions du climat. On étudie plus facilement les variations de l’extension de la banquise que celles de son épaisseur car la glace se distingue clairement de l’océan qui l’entoure, depuis les satellites.

Au pôle Nord, la banquise arctique présente un cycle saisonnier marqué par une extension maximale en février et minimale en septembre. Mesurée au moment du minimum de son extension (fin septembre), la surface de la banquise arctique est passée de 7,5 millions de km², au début des années 1980, à moins de 5 millions de km² pour les cinq dernières années, avec de fort minima en 2007 (4,3 millions de km²) puis en 2012 (3,6 millions de km²). L’épaisseur de la banquise et son évolution temporelle sont beaucoup plus délicates à déterminer. Toutefois, les mesures des sous-marins comparées à celles des plus récents satellites suggèrent une perte impressionnante de la moitié de l’épaisseur de la banquise entre 1980 et 2008

Kwok, R., and D. A. Rothrock, Decline in Arctic sea ice thickness from submarine and ICESat records: 1958-2008.Geophysical Research Letters, 2009, 36 (15), L15501.

.

La banquise répond donc fortement à un réchauffement qui, dans l’Arctique, est plus de deux fois supérieur à la moyenne globale. Le déclin de la banquise contribue de manière importante à cette amplification du réchauffement dans l’Arctique. En effet, lorsque cette banquise dotée d’un fort pouvoir réfléchissant disparaît, elle laisse la place à un océan qui absorbe efficacement le rayonnement solaire

Screen, J. A., and I. Simmonds, The central role of diminishing sea ice in recent Arctic temperature amplification. Nature, 2010, 464 (7293), 1334-1337.

. En revanche, la diminution du volume de la banquise n’affecte presque pas le niveau moyen des mers puisqu’elle flottait déjà sur l’océan (principe d’Archimède).

Autour de l’Antarctique, l’extension de la banquise est en légère augmentation mais cette moyenne cache des disparités fortes entre des zones (comme la mer d’Amundsen) où le recul est encore plus rapide que dans l’Arctique, et d’autres zones (autour de l’Antarctique de l’Est) où la banquise progresse. Cette augmentation s’expliquerait, en partie, par une augmentation de la puissance des vents circumpolaires qui tendent à repousser la banquise plus loin des côtes antarctiques

Stammerjohn, S., et al., Regions of rapid sea ice change: An inter-hemispheric seasonal comparison. Geophysical Research Letters, 2012, 39 (6), L06501.

.

Glaciers et petites calottes

Comme l’atteste la comparaison de photographies prises il y a plusieurs décennies et répétées récemment, la grande majorité des glaciers et des petites calottes du globe recule et perd de la masse. Pour comparer les différentes régions du globe avec une grandeur représentative de l’état de santé des glaciers, les glaciologues mesurent le « bilan de masse », sur le terrain ou grâce aux données des satellites. Le bilan de masse correspond au gain ou à la perte de neige/glace, exprimés sous forme d’une lame d’eau gagnée ou perdue annuellement par le glacier, sur toute sa surface

Berthier, É., et al., « Bilan de masse des glaciers et des calottes polaires », in Le climat à découvert. Outils et méthodes en recherche climatique, C. Jeandel et R. Mosseri (dir.), Paris, 2011, CNRS Éditions.

.

Les pertes de glace les plus fortes sont enregistrées aux moyennes latitudes et en zone subpolaire. Depuis deux décennies, les glaciers alpins, ceux de Patagonie ou, en allant vers les pôles, ceux des îles Kerguelen, d’Alaska et d’Islande perdent environ un mètre d’épaisseur par an, parfois davantage

Gardner, A. S., et al., A reconciled estimate of glacier contributions to sea level rise: 2003 to 2009. Science, 340, 852-857.

. Près des pôles, au Svalbard et dans l’Arctique russe et canadien, les pertes sont certes moins fortes (bilan de -0,1 à -0,4 m/an équivalent en eau) mais elles s’accentuent depuis quelques années

Gardner, A. S., et al., Sharply increased mass loss from glaciers and ice caps in the Canadian Arctic Archipelago. Nature, 2011, 473 (7347), 357-360.

. Les surfaces englacées de ces régions sont telles qu’elles contribuent de manière significative à la hausse du niveau des mers.

L’évolution des glaciers de l’Himalaya est largement médiatisée car leurs eaux de fonte alimentent les grands fleuves des régions très peuplées de l’Asie du Sud-Est

Immerzeel, W.W., van Beek, L.P.H., and M.F.P. Bierkens, Climate Change will affect the Asian Water Towers. Science, 2010, 328, 1382-1385.

. Les pertes de ces glaciers sont plutôt en dessous de la moyenne des autres régions du globe

Kääb, A., et al., Contrasting patterns of early 21st century glacier mass change in the Himalayas. Nature, 2012, 488, 495-498.

. À l’extrémité ouest de la chaîne, dans la région du Karakorum (au pied du K2), les glaciers gagneraient même légèrement de la masse

Gardelle, J., Berthier, É., and Y. Arnaud, Slight mass gain of Karakorum glaciers in the early 21st century. Nature Geoscience, 2012, 5 (5), 322-325.

. Cette anomalie des glaciers du Karakorum pourrait être liée à des précipitations neigeuses localement accrues.

Pour la période 1993-2010, l’ensemble des glaciers et des petites calottes (qui couvre au total 700 000 km²) perd de la masse, de manière nette, et contribue, pour un tiers, à la hausse totale du niveau de la mer de 3,2 mm/an. L’analyse conjointe des bilans de masse hivernaux et estivaux, mesurés in situ pour 30 à 40 glaciers, montre que les premiers sont stables depuis 40 ans (voire en très légère augmentation) alors que les bilans de masse estivaux sont de plus en plus négatifs. C’est donc l’augmentation des températures et de la fonte, surtout pendant la période estivale, qui expliquent les pertes importantes des glaciers au cours des 2 à 3 dernières décennies. Les glaciers sont ainsi un indicateur climatique précieux qui confirme la hausse globale des températures sur la planète

Oerlemans, J., Extracting a climate signal from 169 glacier records. Science, 2005, 308 (5722), 675-677 ; Ohmura, A., Observed mass balance of mountain glaciers and Greenland ice sheet in the 20th Century and the present trends. Surveys in Geophysics, 2011, 32, 537-554.

.

L’importance hydrologique des eaux de fonte des glaciers reste mal quantifiée. Deux contributions au débit des rivières sont à distinguer.

• La première contribution est saisonnière et elle existe même si le glacier est en équilibre de masse

  Kaser, G., Großhauser, M., and B. Marzeion, Contribution potential of glaciers to water availability in different climate regimes. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2010, 107, 20223-20227.

  . Elle traduit la fonction de château d’eau du glacier qui stocke l’eau, sous forme solide, pendant la période d’accumulation et la restitue, sous forme liquide, pendant la période de fonte. Cette contribution est particulièrement importante pour les grands bassins versants où les précipitations sont faibles pendant la période de fonte (par exemple, les bassins de la mer d’Aral).
• La seconde contribution est directement liée aux récentes pertes de masse des glaciers. À l’embouchure des grands fleuves du Sud-Est asiatique (Gange, Indus), la contribution des glaciers est seulement de quelques pourcents

  Voir notes 8 et 11.

  . En effet, entre la haute montagne et l’océan, les eaux glaciaires ont très largement été diluées dans de grands volumes d’eau de pluie.

Groenland

La calotte polaire du Groenland est la plus importante masse glaciaire de l’Arctique : elle couvre 1 700 000 km². En termes de hausse du niveau des mers, le potentiel de cette calotte est de 7 m (en cas de fonte totale). Presque tous les voyants climatiques sont au rouge pour cette calotte : augmentation de la fonte de la neige en surface, accélération des glaciers émissaires et perte de masse.

Durant la période estivale, la superficie de la calotte qui fond s’accroît, chaque année, depuis le début des observations en 1979. En 25 ans, la surface sujette à des épisodes de fonte s’est agrandie de plus de 40 % alors qu’elle était initialement confinée au sud et à basse altitude. De la fonte de surface est maintenant observée à plus de 1 500 m d’altitude et jusqu’au plus hautes latitudes. Le 12 juillet 2012, fait rarissime (mais non unique), 97% de la surface de la calotte a connu de la fonte

Nghiem, S. V., et al., The extreme melt across the Greenland ice sheet in 2012, Geophysical Research Letters, 2012, 39, L20502.

. L’augmentation de la surface de fonte est cohérente avec celle des températures, estimée à 2,4 °C pendant cette période.

Les principaux glaciers émissaires de la calotte ont vu leurs vitesses augmenter de quelques dizaines de pourcents (parfois plus) pendant la dernière décennie. Ainsi le plus emblématique glacier du Groenland, le Jakobshavn Isbrae (classé au patrimoine mondial de l’Unesco), a-t-il connu un doublement de sa vitesse depuis 1995, passant de 20 m par jour à plus de 40 m par jour. Conséquence ? Le glacier s’amincit rapidement près de son front. Les causes de cette accélération restent débattues. Pour de plus en plus de scientifiques, c’est l’intrusion d’eaux océaniques chaudes sous les glaciers émissaires qui en seraient la cause. L’anomalie se propagerait ensuite depuis le front du glacier vers l’intérieur de la calotte. La percolation d’eau de fonte, depuis la surface de la calotte jusqu’au socle rocheux, peut certes provoquer des accélérations transitoires au printemps, mais elle tendrait, au contraire, à ralentir les glaciers sur des échelles de temps plus longues

Schoof, C., Ice-sheet acceleration driven by melt supply variability. Nature, 2010, 468 (7325), 803-806.

.

Puisque l’accumulation de neige est relativement stable, au bilan, le Groenland perd de la masse. Les estimations de ces pertes varient, selon les études, entre 100 et 250 gigatonnes par an (moyenne pour la première décennie du xxie siècle), ce qui équivaut à une hausse du niveau des mers de 0,3 à 0,7 mm/an

Cazenave, A., and F. Remy, Sea level and climate: measurements and causes of changes. Wiley Interdisciplinary Reviews-Climate Change, 2011, 2 (5), 647-662 ; Shepherd, A., et al., A Reconciled Estimate of Ice-Sheet Mass Balance. Science, 338, 1183-1189.

. Ces pertes semblent aller en s’accélérant, même si une tendance reste difficile à détecter sur des séries de données courtes et compte tenu de la forte variabilité inter-annuelle. Les pertes ont été exceptionnelles au cours de l’année hydrologique 2011-12 (575 Gt/an équivalent à 1,6 mm/an de hausse du niveau des mers), conséquence de la « canicule » sur le Groenland au cours de l’été 2012

Tedesco, M., et al., Evidence and analysis of 2012 Greenland records from spaceborne observations, a regional climate model and reanalysis data. The Cryosphere, 7, 615-630.

. En moyenne sur les dix dernières années, les pertes se répartissent, à parts égales, entre l’accroissement de la fonte en surface et l’accélération des glaciers et donc du largage d’icebergs dans l’océan

van den Broeke, M., et al., Partitioning recent Greenland mass loss. Science, 2009, 326 (5955), 984-986.

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Antarctique

L’Antarctique est vaste (12 millions de km²), froid (jusqu’à -89 °C) et il est recouvert d’une calotte de 2 000 mètres d’épaisseur, en moyenne. Au-delà de ces superlatifs et malgré son isolement relatif par rapport au système climatique planétaire, l’Antarctique est également soumis à des changements importants.

Les deux grands phénomènes qui contrôlent l’évolution de la masse de la calotte antarctique sont l’accumulation de neige et l’écoulement de la glace. La glace s’écoule du centre du continent vers les côtes jusqu’à ce qu’elle fonde au contact de l’océan, sous les plateformes de glace qui flottent sur l’océan et qui constituent le prolongement des glaciers. La glace peut également être libérée sous forme d’iceberg. Contrairement au Groenland, l’Antarctique ne fond presque pas au contact de l’atmosphère car la température à la surface de la calotte n’atteint que rarement 0 °C.

Lorsque l’on veut analyser les changements qui affectent la calotte antarctique, il convient de distinguer trois grandes régions : l’est, l’ouest et la Péninsule.

1. L’Antarctique de l’Est constitue la partie de la calotte la plus importante (plus de 50 m d’équivalent de niveau des mers), la plus élevée et aussi la plus stable. Les mesures des satellites (suivi du champs de gravité ou de l’altitude de la surface par les altimètres) ne montrent pas d’évolution claire de la masse totale de la calotte. À l’échelle régionale, on distingue néanmoins des zones qui s’amincissent (glacier Totten, par exemple) et d’autres qui gonflent, sans doute par accumulation accrue de neige. Depuis une quinzaine d’années, les mesures altimétriques montrent des oscillations de la hauteur de la calotte, avec une période d’environ 4 à 5 ans, probablement contrôlées par les conditions météorologiques.
2. L’Antarctique de l’Ouest est considéré comme particulièrement sensible au réchauffement atmosphérique et océanique à cause d’un lit rocheux largement situé sous le niveau de la mer. Les scientifiques surveillent donc de près

   Flament, T. and F. Remy, Dynamic thinning of Antarctic glaciers from along-track repeat radar altimetry. Journal of Glaciology, 2012, 58 (211), 830-840.

   les glaciers de l’Antarctique de l’Ouest dont certains se sont déjà fortement accélérés, comme le glacier du Pine Island. De 2002 à 2010, les observations du satellite Envisat ont mesuré un bilan de masse négatif pour l’Antarctique de l’Ouest, avec des pertes qui varient entre 50 Gt/an et 150 Gt/an, selon les auteurs.
3. La Péninsule est la région la plus chaude de l’Antarctique, donc celle où la fonte est présente chaque été. La fonte est de plus en plus prononcée car cette région est l’une de celles qui se réchauffent le plus sur Terre, avec près de 3 °C supplémentaires depuis 50 ans. Avec des conséquences en cascade… Les plateformes de glace sont amincies par la fonte accrue, à la fois en surface mais aussi à leur base, au contact des eaux océaniques. Trop minces, ces plateformes se disloquent, parfois de manière spectaculaire comme celle de Larsen B en mars 2002. Lorsque ces contreforts disparaissent, les glaciers situés en amont s’accélèrent brutalement

   Scambos, T. A., et al., Glacier acceleration and thinning after ice shelf collapse in the Larsen B embayment, Antarctica. Geophysical Research Letters, 2004, 31, L18402

   et ils véhiculent vers l’océan des quantités de glace de plus en plus importantes. Les pertes totales de la péninsule Antarctique sont aujourd’hui voisines de 30 Gt/an.

En résumé, voici les grandes tendances observées ces 30 dernières années pour les trois différentes formes de glace sur la planète.

1. Glaces de mer – Au pôle Nord, l’extension de la surface de la banquise a diminué de plus de 30 % entre le début des années 1980 et la fin des années 2000. Autour de l’Antarctique, l’extension de la banquise est en légère augmentation, avec de fortes disparités régionales.
2. Glaciers et petites calottes – Pour la période 1993-2010, l’ensemble des glaciers et des petites calottes perd de la masse et contribue, pour un tiers, à la hausse totale du niveau de la mer. Ce sont les bilans de masse estivaux des glaciers qui sont de plus en plus négatifs, signe du réchauffement global.
3. Calottes polaires – Au Groenland, la surface de la calotte sujette à des épisodes de fonte s’est accrue de plus de 40 % en 25 ans. Selon les études, les estimations de la perte de masse de la calotte depuis 10 ans varient entre 100 et 250 Gt/an. Dans l’est de l’Antarctique, les mesures des satellites ne montrent pas d’évolution claire de la masse totale de la calotte. En revanche, le bilan de masse est négatif dans la Péninsule (pertes d’environ 30 Gt/an) et en Antarctique de l’Ouest (pertes comprises entre 50 et 150 Gt/an).