Un exemple de formation de gravats de glace par le golfe de Botnie, Finlande. Crédit :Janne Ranta/Université Aalto
Les conditions dans les eaux arctiques sont parmi les plus extrêmes au monde. Les vents et courants forts poussent puissamment la glace sur de vastes distances, résultant en de grandes crêtes atteignant des dizaines de mètres de hauteur. À la fois, le réchauffement climatique et la présence humaine accrue ont ajouté de nouvelles pressions dans ces environnements nordiques. Pourtant, les mécanismes derrière les effets de la glace sur les structures physiques, en particulier à long terme, sont restés une question ouverte à une époque de changement environnemental continu.
Des chercheurs de l'Université Aalto ont développé une nouvelle méthode d'évaluation de l'évolution constante, de lourdes charges de glace affectent les structures comme les ponts ou même les éoliennes dans une grande variété de conditions.
"Le frottement est le processus par lequel la glace - déplacée par les vents et les courants - se brise contre les structures marines et comment elle impacte ces structures, " explique Jukka Tuhkuri, un éminent chercheur sur la glace et professeur à l'Université Aalto. « Le procédé est extrêmement sensible aux conditions initiales, chaotique même, ce qui rend l'analyse systématique sur le terrain incroyablement difficile."
Pour prévoir une multitude de scénarios et d'effets à très long terme, l'équipe basée à Aalto utilise des expériences numériques - des simulations informatiques avancées qui s'appuient sur les connaissances acquises sur le terrain - pour voir les effets des changements de niveau micro sur les éléments connus du frottement.
« Avec cette méthode, nous pouvons vraiment voir ce qui se passe puisque nous avons le plein contrôle des facteurs impliqués. Avec de la vraie glace de mer, nous n'avons tout simplement pas cette possibilité, " déclare le professeur adjoint Arttu Polojärvi.
Les simulations précises ont permis aux chercheurs d'en apprendre davantage sur la mécanique derrière le processus d'une manière jamais possible auparavant.
"En exécutant constamment des simulations, nous avons appris que l'épaisseur de la glace est de loin la chose la plus importante lorsqu'il s'agit de l'impact des charges de glace sur les structures. La résistance à la compression vient en second mais on peut presque oublier tout le reste, contrairement à la pensée conventionnelle dans le domaine, " dit Tuhkuri.
La méthode permet également de relever le principal défi d'un climat en constante évolution :prévoir les conditions futures. Le réchauffement climatique signifie que la glace arctique s'amincit, les tempêtes deviennent plus violentes et plus de glace se déplace. À la fois, les conditions générales s'assouplissent dans ces régions; l'industrie et le tourisme reprennent, qui comporte des risques tant pour l'homme que pour l'environnement.
Un exemple d'expériences numériques sur la glace de mer à l'aide de simulations informatiques. Une calotte glaciaire entre en collision avec une structure inclinée et se brise dans des blocs de glace individuels, qui forment un tas de gravats. Ce type de simulation permet d'acquérir une compréhension détaillée de la mécanique de la glace de mer. Crédit :Arttu Polojärvi/Université Aalto
"Nous ne pouvons pas estimer l'avenir avec les données de terrain disponibles aujourd'hui. Fort, la glace épaisse reste là où elle est, mais même les petites tempêtes peuvent transporter de la glace mince, " dit Polojärvi. " Nous devons être en mesure d'estimer les charges de glace sur 100 ou même 500 ans sur les structures permanentes afin de garantir leur sécurité et leur durabilité. tout en minimisant les matériaux utilisés pour les rendre aussi durables que possible."
L'équipe présentera ses travaux le vendredi 7 juin 2019 lors d'un rassemblement d'une semaine d'éminents chercheurs sur la glace, le colloque de l'IUTAM sur la physique et la mécanique de la banquise, tenue à l'Université Aalto dans le Grand Helsinki, Finlande.
Questions et réponses
Q :Des expériences numériques ont-elles déjà été utilisées pour étudier les charges de glace ?
R :Cette recherche marque la première fois que des expériences numériques sont utilisées pour effectuer une analyse statistique des charges de glace, fournissant des estimations de l'usure future des structures physiques sur le très long terme. Autrefois, les chercheurs ont étudié le frottement de la glace ― c'est-à-dire comment la glace poussée par les vents et les courants se brise contre les structures marines et comment elle impacte les structures ― de diverses manières :expérimentalement en laboratoire, expérimentalement en observant des événements grandeur nature, en développant des modèles théoriques, et en utilisant différents outils numériques.
Q :La méthode peut-elle vraiment prédire comment la glace se comportera à mesure que le climat se réchauffera, même des siècles à venir ?
R : Oui, si des collègues géophysiques peuvent prédire comment la glace s'amincit et s'affaiblit avec le réchauffement climatique, nous pouvons prédire comment les charges de glace changent. C'est parce que le nouveau modèle est basé sur des relations physiques fondamentales et, Donc, nous pouvons changer l'épaisseur dans le modèle et voir ce qui se passe. D'autres modèles peuvent ne pas être aussi détaillés.
Q :Quels risques les charges de glace comportent-elles pour les humains et l'environnement ?
R :Les structures marines peuvent se briser et provoquer des accidents. Si les humains travaillent sur une plate-forme qui échoue, les conséquences peuvent être graves. Les défaillances structurelles peuvent également être très coûteuses et entraîner des risques environnementaux en raison de fuites potentielles dans les réservoirs de carburant et les tuyaux de carburant, etc.
