Mercator modélise la banquise
Avec la collaboration de Gilles Garric, océanographe à Mercator Océan
Inégalités entre le Nord et le Sud
Nous parlons ici de la glace de mer ou banquise, c'est-à-dire de l'eau de mer qui gèle pendant les hivers polaires et devient une surface dure et blanche. La banquise est présente aux deux pôles terrestres mais bien des différences existent entre le Nord et le Sud.
Le pôle Nord est, comme chacun sait, un océan, entouré de terre, alors que le pôle Sud est un vaste continent entouré d'océan.
La glace de mer du pôle Sud, entourant le continent Antarctique est ouverte sur l'océan et donc libre de ses mouvements. Elle est de ce fait presque entièrement renouvelée chaque année, sauf en de rares endroits comme les mers de Ross ou de Weddel : elle se forme en hiver de façon privilégiée près du continent Antarctique et fond en été, sous l'effet de conditions météorologiques plus clémentes. La banquise du pôle sud n'est ainsi jamais très épaisse (1m d'épaisseur moyenne). On l'appelle encore glace de première année.
|
Au pole nord, tout change! Normalement (climatologiquement dans le jargon des océanographes), il existe une dérive transpolaire de la glace allant de la Sibérie au Groenland (détroit de Fram) qui permet d'évacuer la glace vers le sud et donc de la faire fondre. Mais la situation quasiment fermée du bassin Arctique emprisonne la glace, l'accumule en certains endroits comme le nord de l'archipel canadien ou la coince dans la gyre de Beaufort dont elle peut difficilement s'échapper. La banquise peut se retouver ainsi coincée plusieurs années sans fondre. On parle alors de la glace pluri-annuelle de deuxième, troisième, ... septième, jusqu'à neuvième année. Son épaisseur moyenne est de 3m. La glace bouge sous l'action presque exclusivement des vents et un peu sous l'effet des courants marins de surface. |
 Climatologie de la circulation de la glace dans l'océan Arctique, moyenne 1979-2003. La flèche rouge indique la dérive transpolaire. La boucle représente la gyre de Beaufort.
Source : C. Fowler |
Les mille facettes de la glace de mer
Ce qui caractérise d'abord la glace de mer est sa compacité, c'est-à-dire le pourcentage de la surface de la mer recouvert par la glace. Le pack est défini comme la frontière à partir de laquelle au moins 85% de la surface de l'océan est gelée. Au sein du pack peuvent apparaître des polynies (du russe qui veut dire lac), c'est-à-dire des zones plus ou moins libres de glace, de quelques dizaines à quelques centaines de Km. Ces zones se forment sous l'effet conjugué du vent et de la topographie locale. Elles peuvent apparaître ou disparaître au cours d'une même saison, et sont présentes quasiment tous les ans aux mêmes endroits. Les glaciologues les ont même nommées. Les plus connues dans l'Hemisphere Nord sont les polynies des côtes eurasiennes (Mer est-Sibérienne, Mer de Laptev), la polynie North Water (Baie de Baffin), la polynie de l'île St Lawrence (Mer de Bering) et, dans l'hémisphère sud la polynie de la mer du Cosmonaute en mer de Weddell, les polynies des bord est-Antarctiques, la polynie du glacier de Mertz, la polynie de la Bay Terra Nova (mer de Ross).
) Morceaux flottants de glace de mer.
Au fond : la plate-forme (glacier) de la mer de Ross Source : NOAA/DoC |
) Polynie en mer de Ross (Antarctique)
Source : NOAA/DoC |
) Glace fondante
Source: NOAA/DoC |
Polynie, "glace bleue", "glace verte", frasil, glace "en crêpes", sluch, floes, brash... C'est sûrement la beauté de ses aspects qui a inspiré les scientifiques pour nommer les mille aspects que peut prendre la glace. La "glace bleue" doit son nom au fait qu'elle est saturée d'eau liquide fondante, elle devient bleue. La "glace verte" doit son nom au phytoplankton (chlorophylle verte) qu'elle emprisonne lors de sa formation. Frasil est le terme français (qui nous vient des canadiens francophones) pour désigner la glace au tout début de sa formation, pan cake ice représente un stade plus avancé de consolidation et désigne la glace en plaques juxtaposées et en forme de crêpes, la rafted ice représente de la glace amoncelée, conséquence du mouvement chaotique de la glace et la ridged ice la glace en forme de crête qui s'est formée sous l'action d'une compression entre deux morceaux de banquise venus s'entrechoquer. |
 Glace de première année - ici d'épaisseur 70 à 120cm -
se développant à partir de la glace venant de se former. Elle peut être fine, d'épaisseur moyenne ou forte . Source : KNMI |
 Glace de deuxième année : surface érodée,
flaques peu connectées entre elles, trous de fonte Source : KNMI |
La banquise et la circulation océanique profonde
L'eau de mer est salée... C'est pourquoi elle ne gèle pas comme de l'eau douce. Un lac d'eau douce va geler brutalement sur toute sa profondeur (quelques mètres), alors que la congélation de l'eau de mer se fait petit à petit et sur une profondeur limitée (quelques centimètres pour la couche initiale). Au moment de la congélation, des phénomènes de microphysique créent un rejet du sel qui se retrouve dans la mer et entraîne une augmentation de la densité des eaux superficielles. Ces eaux plus lourdes coulent le long des talus continentaux en général et alimentent les eaux profondes.
)
Source: M. A. Morales Maqueda.
La modélisation de la glace de mer à Mercator Océan
Epaisseur, compacité (concentration), dérive et types de glace, voilà donc les quatre paramètres qu'il serait idéal de modéliser pour dépeindre au mieux la réalité.
Cela est possible par la mise en oeuvre d'un modèle de glace couplé à un modèle d'océan et forcé par les conditions atmosphériques. Le modèle d'océan fournit au modèle de glace l'état de la mer (les conditions en température, salinité et courant) qui lui sont nécessaires pour qu'il calcule l'évolution des paramètres qu'il prend en compte (variables pronostiques). A son tour, il modifie les paramètres de l'océan : il fabrique ou fait fondre la glace, il refroidit ou réchauffe, désale ou sursale l'eau de mer. Ces nouvelles caractéristiques sont en retour injectées dans le modèle d'océan. C'est cela, une modélisation couplée.
A Mercator jusqu'à présent, la glace de mer n'était pas modélisée. Dans le prototype global basse résolution (Minipog), on dit qu'il y a formation de glace lorsque la température passe en dessous de -1,8°C, ce qui est effectivement le cas dans la réalité mais cela ne prend pas en compte ni la présence de glace de mer transportée par les courants et qui peut se retrouver dans des zones plus chaudes, ni les rétroactions dues à la formation/fonte de la glace.
Pour son prototype opérationnel océan global haute résolution, qui doit voit le jour à la fin de l'année 2005, Mercator doit se doter d'un modèle de glace. Signalons au passage que ceci constituera une première mondiale. Il existe bien-sûr dèjà dans le monde des modèles de glace opérationnels (canadiens, américains, norvégiens et les danois) mais ceux-ci restent régionaux ou concernent l'hémisphère nord uniquement.
C'est le modèle de glace Louvain Ice Model, développé par l'Institut d'Astronomie Georges Lemaître, en Belgique, qui est en cours d'implémentation dans Mercator. Il est couplé au modèle océanique global OPA (configuration ORCA) du LODYC, à une résolution du 1/4°, soit 10 Km en moyenne dans ces latitudes. Il travaille en mode analyse et prévision jusqu'à 14 jours avec des sorties journalières. Il n'assimile pas, pour l'instant de données mais c'est bien-sûr une évolution en perspective. Trois variables pronostiques sont prises en compte : la compacité de glace, son épaisseur et sa dérive. Le modèle ne rend compte que de deux types de glace : glace à 100% ou mixte glace+eau.
Ce qu'on demande à un modèle de glace de mer, c'est de prévoir de la façon la plus correcte possible la limite du pack, zone particulièrement importante pour la sécurité des transports maritimes, les activités de pêche, les animaux marins et les échanges énergétiques entre la mer et l'atmosphère. Cette limite est un point délicat à représenter par les modèles, configurés pour reproduire les phénomènes de méso-échelle et non ce qui se passe à des échelles plus petites (par exemple l'action des vagues en bordure du pack venant disloquer la banquise). On peut s'attendre à des progrès avec l'assimilation future des observations de glace et l'introduction de nouveaux modèles.
En avant première...
| Voici, en avant-première, les résultats d'un "run" sur l'Antarctique (on a fait "tourner" le modèle sur des données passées). Il s'agit d'une carte de compacité moyenne sur le mois de septembre 1994, exprimée en fraction, de 0 (eau libre) à 1 (100% de glace). On remarque les glaces les plus compactes le long de la côte antarctique. Cette carte montre la bonne représentation de la variabilité mésoéchelle le long de la frontière glace/mer ainsi qu'au sein du pack (formes tourbillonnaires). Quelques polynies sont bien représentées, comme celle du glacier de Mertz, de la plate-forme de Shackleton ou de la baie de Prydz (les polynies sont mises en évidence sur la carte agrandie). C'est ce type de carte qui sera produit de façon opérationnelle en analyse et en prévision chaque semaine à Mercator Océan. |
) Résultat de modélisation de la glace de mer : compacité de la glace moyennée sur le mois de septembre 1994 (Cliquer pour agrandir)
Source: Gilles Garric |
Et les satellites dans tout ça...
Ils sont essentiels pour l'étude de la glace de mer. Ils sont utilisés en routine par les agences nationales des pays baignés par la banquise en hiver, comme la Norvège, le Danemark (pour le Groenland), le Canada ou les Etats-Unis. Responsables de la sécurité maritime des bateaux croisant dans leurs eaux, ces pays ont mis en place des systèmes opérationnels d'observation de l'évolution de la banquise. Cryosat, le prochain satellite de l'Agence Spatiale Européenne prévu pour être lancé en Mars 2005, sera même capable de mesurer l'épaisseur de la glace.
Le modèle de glace implémenté dans Mercator n'utilise, pour l'instant les satellites uniquement pour la validation de ses calculs. Pour cela il dispose d'une série continue de données issues de deux types de capteurs:
- Depuis 1979, les capteurs radiométriques SSM/I (embarqués sur les satellites américains de la série DMSP), d'une résolution de 25 Km mesurant la compacité de la glace. Ces produits sont fournis par le NSIDC.
- Depuis 1999 le capteur SeaWinds, diffusiomètre embarqué sur le satellite QuikScat, d'une résolution de 12,5 Km pour la compacité et de 62,5 Km pour la dérive de la glace. Ces produits sont fournis par le Cersat. Le Cersat fournit en plus des produits de compacité de glace à 12,5 Km de résolution en combinant les données SSM/I et QuikScat. Ce sont des produits opérationnels accessibles avec un délai de quelques jours pour l'instant et à terme, en temps réel.
)
|
)
|
|
Cartographie de la glace de mer pour le 18/11/2004 établie à partir des données du satellite AMSR-E, en Arctique (à gauche) et Antarctique (à droite) Source : IUP (Institute for Environmental Physics, Bremen, Allemagne) |
||
Pour le plaisir des yeux...
 Glace en "crêpes" en présence de chenaux
Source : KNMI |
 |
) Vapeur d'eau à la surface de la mer due à la congélation
de l'eau de mer (Baie des Baleines, Antarctique). Cette photo illustre magnifiquement les phénomènes de pertes de chaleur à la surface Source : NOAA/DoC |
) "Rafted ice" (glace en "radeaux")
Source : NOAA/DoC |
) Le bord de la mer de Ross (Antarctique) :
le point navigable le plus au sud de la planète Source : NOAA/DoC |
 Glace fine de première année
KNMI |
) Le pack au large de l'Ile de Tigvariak (Arctique)
Source : NOAA/DoC |
) Premier signe de la fonte printannière
Source : KNMI |
 Un iceberg n'est pas de la glace de mer mais est constitué
d'eau douce en provenance des glaciers continentaux polaires (ceux du Groenland en Arctique et ceux des côtes antarctiques) Source : KNMI |
) Encore des crêpes...
Source : NOAA/DoC |
Pour en savoir plus :
- Institut Polaire Paul Emile Victor
- British Antarctic Survey
- Danish Meteorological Institute
- Canadian Ice Service
- National Snow and Ice Data Centre
- The US Navy Sea Ice Model
- Modèle norvégien
- Ice Forecast in the Baltic Sea
- DMI Ocean Forecast
Références
- G. Garric and D. B. Stephenson and L. Terray, 1997, Simulation couplée globale atmopshère, banquise et océan superficiel, C. R. Acad. Sci. Paris, t. 324, série IIa, p. 529-536.
- G. Garric, Simulation couplée globale atmosphère, banquise et océan superficiel, Thèse de doctorat de l'Université Paul Sabatier, Toulouse, 1996.
- M. A. Morales Maqueda, A. J. Willmott and N. R. T. Biggs, polynia dynamics: a review of observations and modeling,Reviews of Geophysics,2004, vol. 42 doi:2002RG000116"
- M. A. Morales Maqueda, Redraw from Ocean Circulation, A. Colling (Ed.), Open University, 2nd edition, a286 pp., Butterworth-Heinemann, Boston, 2001.
- Fowler, C. 2003, Polar Pathfinder Daily 25 km EASE-Grid Sea Ice Motion Vectors. Boulder, CO, USA: National Snow and Ice Data Center. Digital media.
