D'en haut, la calotte glaciaire de l'Antarctique pourrait ressembler à un calme, couverture de glace perpétuelle qui a couvert l'Antarctique pendant des millions d'années. Mais la calotte glaciaire peut atteindre des milliers de mètres de profondeur à son plus épais, et il cache des centaines de lacs d'eau de fonte où sa base rencontre le substratum rocheux du continent. Profondément sous la surface, certains de ces lacs se remplissent et s'égouttent continuellement à travers un système de voies navigables qui finissent par se jeter dans l'océan.

Maintenant, avec l'instrument laser d'observation de la Terre le plus avancé que la NASA ait jamais volé dans l'espace, les scientifiques ont amélioré leurs cartes de ces systèmes de lacs cachés sous la calotte glaciaire de l'Antarctique occidental et ont découvert deux autres de ces lacs sous-glaciaires actifs.

La nouvelle étude fournit des informations essentielles pour repérer de nouveaux lacs sous-glaciaires depuis l'espace, ainsi que pour évaluer comment ce système de plomberie caché influence la vitesse à laquelle la glace glisse dans l'océan Austral, l'ajout d'eau douce qui peut altérer sa circulation et ses écosystèmes.

Glace de la NASA, Nuage et terre Elevation Satellite 2, ou ICESat-2, a permis aux scientifiques de cartographier avec précision les lacs sous-glaciaires. Le satellite mesure la hauteur de la surface de glace, lequel, malgré son épaisseur énorme, monte ou descend à mesure que les lacs se remplissent ou se vident sous la calotte glaciaire.

L'étude, publié le 7 juillet dans Lettres de recherche géophysique , intègre les données de hauteur du prédécesseur d'ICESat-2, la mission ICESat d'origine, ainsi que le satellite de l'Agence Spatiale Européenne dédié à la surveillance de l'épaisseur des glaces polaires, CryoSat-2.

Les systèmes hydrologiques sous la calotte glaciaire de l'Antarctique sont un mystère depuis des décennies. Cela a commencé à changer en 2007, quand Helen Amanda Fricker, glaciologue à la Scripps Institution of Oceanography de l'Université de Californie à San Diego, a fait une percée qui a aidé à mettre à jour la compréhension classique des lacs sous-glaciaires en Antarctique.

En utilisant les données de l'ICESat d'origine en 2007, Fricker a découvert pour la première fois que sous les courants glaciaires rapides de l'Antarctique, tout un réseau de lacs se connecte les uns aux autres, remplissage et vidange actifs dans le temps. Avant, on pensait que ces lacs retenaient statiquement l'eau de fonte, sans remplissage ni égouttage.

"La découverte de ces systèmes interconnectés de lacs à l'interface du lit de glace qui déplacent l'eau, avec tous ces impacts sur la glaciologie, microbiologie, et l'océanographie - c'était une grande découverte de la mission ICESat, " dit Matthieu Siegfried, professeur adjoint de géophysique à la Colorado School of Mines, Doré, Colo. et chercheur principal dans la nouvelle étude. "ICESat-2, c'est comme mettre vos lunettes après avoir utilisé ICESat, les données sont si précises que nous pouvons vraiment commencer à tracer les limites du lac à la surface."

Les scientifiques ont émis l'hypothèse que l'échange d'eau sous-glaciaire en Antarctique résulte d'une combinaison de facteurs, y compris les fluctuations de la pression exercée par le poids massif de la glace au-dessus, le frottement entre le lit de la calotte glaciaire et les roches en dessous, et la chaleur venant de la Terre en dessous qui est isolée par l'épaisseur de la glace. C'est un contraste frappant avec la calotte glaciaire du Groenland, où les lacs au fond de la glace se remplissent d'eau de fonte qui s'est drainée à travers des fissures et des trous à la surface.

Pour étudier les régions où les lacs sous-glaciaires se remplissent et se drainent plus fréquemment avec des données satellitaires, Siegfried a travaillé avec Fricker, qui a joué un rôle clé dans la conception de la façon dont la mission ICESat-2 observe la glace polaire depuis l'espace.

Les nouvelles recherches de Siegfried et Fricker montrent qu'un groupe de lacs, y compris les lacs Conway et Mercer sous les ruisseaux de glace Mercer et Whillans dans l'Antarctique occidental, connaissent une période de drainage pour la troisième fois depuis que la mission ICESat originale a commencé à mesurer les changements d'altitude à la surface de la calotte glaciaire. en 2003. Les deux lacs nouvellement découverts se trouvent également dans cette région.

En plus de fournir des données vitales, l'étude a également révélé que les contours ou les limites des lacs peuvent changer progressivement à mesure que l'eau entre et sort des réservoirs.

"Nous cartographions vraiment toutes les anomalies de hauteur qui existent à ce stade, " dit Siegfried. " S'il y a des lacs qui se remplissent et se vident, nous les détecterons avec ICESat-2."

« Nous aider à observer » sous la calotte glaciaire

Des mesures précises de l'eau de fonte basale sont cruciales si les scientifiques veulent mieux comprendre le système de plomberie sous-glaciaire de l'Antarctique, et comment toute cette eau douce pourrait modifier la vitesse de la calotte glaciaire au-dessus ou la circulation de l'océan dans lequel elle se jette finalement.

Une énorme couche de glace en forme de dôme couvrant la majeure partie du continent, la calotte glaciaire de l'Antarctique s'écoule lentement vers l'extérieur de la région centrale du continent comme du miel super épais. Mais alors que la glace s'approche de la côte, sa vitesse change radicalement, se transformant en ruisseaux de glace ressemblant à des rivières qui acheminent rapidement la glace vers l'océan à des vitesses allant jusqu'à plusieurs mètres par jour. La vitesse ou la lenteur avec laquelle la glace se déplace dépend en partie de la façon dont l'eau de fonte lubrifie la calotte glaciaire lorsqu'elle glisse sur le substrat rocheux sous-jacent.

Au fur et à mesure que la calotte glaciaire bouge, il souffre de fissures, crevasses, et autres imperfections. Lorsque les lacs sous la glace gagnent ou perdent de l'eau, ils déforment également la surface gelée au-dessus. Grand ou petit, ICESat-2 cartographie ces changements d'altitude avec une précision de quelques centimètres à l'aide d'un système d'altimètre laser capable de mesurer la surface de la Terre avec des détails sans précédent.

Le suivi de ces processus complexes avec des missions satellitaires à long terme fournira des informations cruciales sur le sort de la calotte glaciaire. Une partie importante de ce que les glaciologues ont découvert sur les calottes glaciaires au cours des 20 dernières années provient d'observations de l'évolution de la glace polaire en réponse au réchauffement de l'atmosphère et de l'océan, mais des processus cachés tels que la façon dont les systèmes lacustres transportent l'eau sous la glace seront également essentiels dans les futures études de la calotte glaciaire de l'Antarctique, dit Fricker.

"Ce sont des processus qui se déroulent sous l'Antarctique dont nous n'aurions aucune idée si nous n'avions pas de données satellitaires, " Fricker a dit, soulignant comment sa découverte de 2007 a permis aux glaciologues de confirmer que le système de plomberie caché de l'Antarctique transporte l'eau beaucoup plus rapidement qu'on ne le pensait auparavant. "Nous avons eu du mal à obtenir de bonnes prédictions sur l'avenir de l'Antarctique, et des instruments comme ICESat-2 nous aident à observer à l'échelle du processus."

« Un système d'eau qui est connecté à l'ensemble du système terrestre »

L'impact de l'eau douce de la calotte glaciaire sur la circulation de l'océan Austral et de ses écosystèmes marins est l'un des secrets les mieux gardés de l'Antarctique. Parce que l'hydrologie sous-glaciaire du continent joue un rôle clé dans le déplacement de cette eau, Siegfried a également souligné le lien de la calotte glaciaire avec le reste de la planète.

"Ce n'est pas seulement la calotte glaciaire dont nous parlons, " a déclaré Siegfried. "Nous parlons vraiment d'un système d'eau qui est connecté à l'ensemble du système terrestre."

Récemment, Fricker et une autre équipe de scientifiques ont exploré ce lien entre l'eau douce et l'océan Austral, mais cette fois en regardant des lacs près de la surface d'une banquise, une grande plaque de glace qui flotte sur l'océan comme une extension de la calotte glaciaire. Leur étude a rapporté qu'un grand le lac couvert de glace s'est effondré brusquement en 2019 après qu'une fissure ou une fracture s'est ouverte du fond du lac à la base de la plate-forme de glace d'Amery dans l'Antarctique oriental.

Avec les données de ICESat-2, l'équipe a analysé le changement accidenté du paysage de la banquise. L'événement a laissé une doline, ou gouffre, une dépression dramatique d'environ quatre milles carrés (environ 10 kilomètres carrés), ou plus de trois fois la taille de Central Park à New York. La fissure a canalisé près de 200 milliards de gallons d'eau douce de la surface de la banquise dans l'océan en moins de trois jours.

Pendant l'été, des milliers de lacs d'eau de fonte turquoise ornent la surface d'un blanc éclatant des plateaux de glace de l'Antarctique. Mais cet événement brutal s'est produit au milieu de l'hiver, quand les scientifiques s'attendent à ce que l'eau à la surface de la banquise soit complètement gelée. Parce que ICESat-2 orbite autour de la Terre avec des traces au sol exactement répétitives, ses faisceaux laser peuvent montrer le changement dramatique du terrain avant et après le drainage du lac, même pendant l'obscurité de l'hiver polaire.

Roland Warner, un glaciologue avec l'Australian Antarctic Program Partnership à l'Université de Tasmanie, et auteur principal de l'étude, repéré pour la première fois la banquise cicatrisée sur les images de Landsat 8, une mission conjointe de la NASA et du US Geological Survey. L'événement de drainage a probablement été causé par un processus d'hydrofracturation dans lequel la masse de l'eau du lac a conduit à une fissure de surface qui a traversé la plate-forme de glace jusqu'à l'océan en dessous, dit Warner.

"En raison de la perte de ce poids d'eau à la surface de la banquise flottante, le tout se penche vers le haut centré sur le lac, " Warner a déclaré. "C'est quelque chose qui aurait été difficile à comprendre juste en regardant les images satellites."

Les lacs et les ruisseaux d'eau de fonte sur les plateaux de glace de l'Antarctique sont courants pendant les mois les plus chauds. Et parce que les scientifiques s'attendent à ce que ces lacs d'eau de fonte soient plus fréquents à mesure que la température de l'air augmente, le risque d'hydrofracturation pourrait également augmenter dans les décennies à venir. Toujours, l'équipe a conclu qu'il était trop tôt pour déterminer si le réchauffement du climat de l'Antarctique avait causé la disparition du lac observé sur la plate-forme de glace d'Amery.

Assister à la formation d'une doline avec des données altimétriques était une opportunité rare, mais c'est aussi le type d'événement que les glaciologues doivent analyser afin d'étudier toute la dynamique des glaces qui sont pertinentes dans les modèles de l'Antarctique.

"Nous avons tellement appris sur les processus dynamiques des calottes glaciaires grâce à l'altimétrie par satellite, il est vital que nous prévoyions que la prochaine génération de satellites altimétriques poursuive ce record, " a déclaré Fricker.