Environ 10 pour cent de la masse terrestre de la Terre est recouverte de glaciers, dont la plupart glissent lentement à travers le pays au fil des années, creusant des fjords et traînant des rivières dans leur sillage. Mais environ 1% des glaciers peuvent soudainement surgir, se déversant sur le sol à 10 à 100 fois leur vitesse normale.

Quand cela arrive, une houle glaciaire peut déclencher des avalanches, inonder les rivières et les lacs, et submerger les établissements en aval. Ce qui déclenche les poussées elles-mêmes est une question de longue date dans le domaine de la glaciologie.

Aujourd'hui, des scientifiques du MIT et du Dartmouth College ont développé un modèle qui détermine les conditions qui déclencheraient la montée d'un glacier. A travers leur modèle, les chercheurs constatent que l'onde glaciaire est provoquée par les conditions des sédiments sous-jacents, et en particulier par les minuscules grains de sédiments qui se trouvent sous un glacier imposant.

"Il y a une énorme séparation d'échelles :les glaciers sont ces choses massives, et il s'avère que leur flux, cette incroyable quantité d'élan, est en quelque sorte entraîné par des grains de sédiments millimétriques, " dit Brent Minchew, le professeur assistant Cecil et Ida Green au département de la Terre du MIT, Sciences atmosphériques et planétaires. "C'est une chose difficile à comprendre. Et c'est excitant d'ouvrir cette toute nouvelle piste d'enquête que personne n'avait vraiment envisagée auparavant."

Le nouveau modèle d'onde glaciaire pourrait également aider les scientifiques à mieux comprendre le comportement de plus grandes masses de glace en mouvement.

"Nous considérons les ondes glaciaires comme des laboratoires naturels, " dit Minchew. " Parce qu'ils sont si extrêmes, événement transitoire, les surtensions glaciaires nous donnent cette fenêtre sur le fonctionnement d'autres systèmes, comme les cours d'eau rapides de l'Antarctique, qui sont les choses qui comptent pour l'élévation du niveau de la mer."

Minchew et son co-auteur Colin Meyer de Dartmouth ont publié leurs résultats ce mois-ci dans la revue Actes de la Royal Society A .

Un glacier se déchaîne

Alors qu'il était encore doctorant. étudiant, Minchew lisait "La physique des glaciers, " le manuel standard dans le domaine de la glaciologie, quand il est tombé sur un passage plutôt sombre sur la perspective de modéliser une vague glaciaire. Le passage exposait les exigences de base d'un tel modèle et se terminait par une perspective pessimiste, notant qu'"un tel modèle n'a pas été établi, et aucun n'est en vue."

Plutôt que de se décourager, Minchew a pris cette déclaration comme un défi, et dans le cadre de sa thèse, il a commencé à définir le cadre d'un modèle pour décrire les événements déclencheurs d'une poussée glaciaire.

Comme il s'en rendit vite compte, la poignée de modèles qui existaient à l'époque reposaient sur l'hypothèse que la plupart des glaciers de type houle reposaient sur le substratum rocheux – des surfaces rugueuses et imperméables que les modèles supposaient restées inchangées au fur et à mesure que les glaciers s'écoulaient. Mais les scientifiques ont depuis observé que les surtensions glaciaires ne se produisent souvent pas sur la roche solide, mais plutôt à travers les sédiments en mouvement.

Le modèle de Minchew simule le mouvement d'un glacier sur une couche perméable de sédiments, composé de grains individuels, dont il peut ajuster la taille dans le modèle pour étudier à la fois les interactions des grains au sein du sédiment, et ultimement, le mouvement du glacier en réponse.

Le nouveau modèle montre que lorsqu'un glacier se déplace à une vitesse normale sur un lit de sédiments, les grains au sommet de la couche sédimentaire, en contact direct avec le glacier, sont entraînés avec le glacier à la même vitesse, tandis que les grains vers le milieu se déplacent plus lentement, et ceux du bas restent en place.

Ce déplacement en couches des grains crée un effet de cisaillement dans la couche de sédiments. A l'échelle microscopique, le modèle montre que ce cisaillement se produit sous la forme de grains de sédiments individuels qui s'enroulent les uns sur les autres. Au fur et à mesure que les grains s'enroulent, plus de, et loin avec le glacier, ils ouvrent des espaces dans la couche de sédiments saturés d'eau qui se dilatent, fournissant des poches pour que l'eau s'infiltre. Cela crée une diminution de la pression de l'eau, qui agit pour renforcer le matériau sédimentaire dans son ensemble, créant une sorte de résistance contre les grains des sédiments et les rendant plus difficiles à rouler avec le glacier en mouvement.

Cependant, comme un glacier accumule les chutes de neige, il s'épaissit et sa surface s'accentue, ce qui augmente les forces de cisaillement agissant sur le sédiment. Au fur et à mesure que les sédiments s'affaiblissent, le glacier se met à couler de plus en plus vite.

"Plus ça coule vite, plus le glacier s'amincit, et comme tu commences à maigrir, vous diminuez la charge sur les sédiments, parce que vous diminuez le poids de la glace. Vous rapprochez donc le poids de la glace de la pression de l'eau des sédiments. Et cela finit par fragiliser le sédiment, " explique Minchew. " Une fois que cela se produit, tout commence à se déchaîner, et vous obtenez une poussée."

Cisaillement antarctique

Pour tester leur modèle, les chercheurs ont comparé les prédictions de leur modèle aux observations de deux glaciers qui ont récemment subi des surtensions, et a constaté que le modèle était capable de reproduire les débits des deux glaciers avec une précision raisonnable.

Afin de prédire quels glaciers vont surgir et quand, les chercheurs disent que les scientifiques devront savoir quelque chose sur la force des sédiments sous-jacents, et en particulier, la distribution granulométrique des grains du sédiment. Si ces mesures peuvent être effectuées sur l'environnement d'un glacier particulier, le nouveau modèle peut être utilisé pour prédire quand et de combien ce glacier montera.

Au-delà des surtensions glaciaires, Minchew espère que le nouveau modèle aidera à éclairer la mécanique de l'écoulement de la glace dans d'autres systèmes, comme les calottes glaciaires de l'Antarctique occidental.

"Il est possible que nous puissions obtenir 1 à 3 mètres d'élévation du niveau de la mer depuis l'Antarctique occidental au cours de notre vie, " dit Minchew. Ce type de mécanisme de cisaillement dans les ondes glaciaires pourrait jouer un rôle majeur dans la détermination des taux d'élévation du niveau de la mer que vous obtiendriez de l'Antarctique occidental. "

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.