Ken Golden répand du colorant vert dans un étang de fonte pour tester l'infiltration de l'eau de l'étang dans les couches supérieures de la banquise. Crédit :Avec l'aimable autorisation de Ken Golden/Université de l'Utah
Quand le printemps arrive dans l'Arctique, la rupture des calottes glaciaires hivernales froides commence à la surface avec la formation d'étangs de fonte. Ces flaques de neige fondue et de glace assombrissent la surface de la glace, augmenter la quantité d'énergie solaire absorbée par la calotte glaciaire et accélérer la fonte. Une équipe comprenant le mathématicien de l'Université de l'Utah, Kenneth Golden, a déterminé comment ces étangs de fonte se forment, résoudre un mystère paradoxal sur la façon dont une flaque d'eau repose en réalité sur une glace très poreuse. Leurs résultats sont publiés dans Journal of Geophysical Research - Océans .
"Ici, nous sommes présentés avec ce puzzle fondamental, " Golden dit. " Comment diable faites-vous des étangs ? Quand ils se forment, à quelle profondeur ils sont, et leur étendue est absolument critique pour la façon dont la glace va fondre. »
Golden étudie la dynamique de la banquise, qui est un système composite de solides et de liquides de salinité et de chimie variables. Les étangs de fonte sont au centre de ses recherches car ils affectent considérablement l'albédo, ou réflectivité, de la banquise, l'un des paramètres les plus importants de la modélisation climatique. Ils peuvent également permettre à plus de lumière de pénétrer à travers la glace, permettant aux algues de proliférer dans l'eau de mer en dessous.
En 2014, Doré, avec le premier auteur de l'étude Chris Polashenski du U.S. Army Corps of Engineers Cold Regions Research and Engineering Laboratory et ses collègues ont voyagé à bord du garde-côte américain Healy jusqu'à la mer des Tchouktches, entre l'Alaska et la Sibérie, pour étudier les proliférations massives d'algues sous la glace, qui avait été observée pour la première fois en 2011. Dans le cadre de leur étude, ils devaient mesurer la perméabilité de la glace. La perméabilité est une mesure de la façon dont les vides et les canaux interconnectés dans un matériau permettent au fluide de s'écouler.
Ken Golden fore une carotte de glace de mer pour mesurer la perméabilité aux fluides de la glace poreuse, alors que Chris Polashenski enlève l'excès de neige et de glace. Crédit :Amanda Kowalski©Woods Hole Oceanographic Institution
Leur première tentative consistait à percer un trou dans la glace en dessous du « niveau de franc-bord, " ou nappe phréatique, pour voir à quelle vitesse l'eau a rempli le trou.
"Il s'est rempli jusqu'au niveau de franc-bord en une seconde et demie environ, " Golden dit, indiquant que la glace était trop perméable pour faire une mesure. Prochain, l'équipe a essayé d'ajouter de l'eau dans le trou pour voir à quelle vitesse le niveau d'eau s'est rééquilibré au niveau du franc-bord. Ils ont planifié plusieurs tentatives, et j'ai remarqué que lors de la deuxième tentative, le niveau de l'eau a baissé beaucoup plus lentement que lors de la première tentative.
"Et puis la troisième fois c'était le charme, " dit Golden. L'équipe a versé de l'eau dans le trou et le niveau n'a pas baissé du tout. " Nous avons formé un bassin de fonte ! " dit-il.
Une carotte de glace de mer extraite d'une zone où un colorant vert était répandu sur la surface de la neige et de la glace. Le colorant a bien pénétré dans les couches supérieures, mais ensuite arrêté. Crédit :Ken Golden/Université de l'Utah
Intrigué, l'équipe a testé différents niveaux de salinité de l'eau dans les forages et utilisé des colorants pour suivre la progression de l'eau à travers la glace. (L'équipe a utilisé du colorant alimentaire rouge et vert de la cuisine de Healy, Golden dit). Toutes leurs expérimentations ont mis en évidence un mécanisme clair pour la formation d'un étang de fonte.
"Le point de congélation de l'eau douce de fonte de la neige est de zéro Celsius, " dit Golden. "Mais la glace elle-même est peut-être -1 ou -1,5. Le point de congélation de l'eau de mer est de -1,8. Donc en gros, vous obtenez cette infusion d'eau fraîche et il y a assez de froid pour boucher les pores. Vous réduisez la perméabilité de la glace par ce processus de gel des bouchons d'eau douce dans la microstructure poreuse." Avec une perméabilité réduite, l'eau de fonte peut former une mare au-dessus de la glace.
Autres, dont Polachenski, avait spéculé qu'un tel processus pourrait être à l'origine de la formation d'un étang de fonte, Golden dit, mais que son équipe était au bon endroit au bon moment avec le bon équipement pour raconter l'histoire sur le terrain. Avec un peu de chance, il dit, comprendre les conditions qui conduisent à la formation d'étangs de fonte peut aider les scientifiques à prédire où et quand les étangs pourraient se former à mesure que les températures de l'Arctique continuent d'augmenter.
