Les régions côtières de l'Arctique, qui évoluent rapidement, ont un effet climatique démesuré qui se répercute dans le monde entier. Le suivi des processus à l'origine de cette évolution est une tâche ardue, même pour les meilleurs scientifiques.

Les côtes sont parmi les zones les plus dynamiques de la planète - des endroits où la mer, terrestre, les actions atmosphériques et humaines se rencontrent. Mais les régions côtières de l'Arctique sont confrontées aux problèmes les plus troublants liés au changement climatique d'origine humaine dû à l'augmentation des émissions de gaz à effet de serre, déclare Andrew Roberts, scientifique du Laboratoire national de Los Alamos (LANL).

« Les systèmes côtiers de l'Arctique sont très fragiles, " dit Roberts, qui dirige l'élément des systèmes de calcul haute performance d'un effort plus large du ministère de l'Énergie (DOE) Office of Science, animé par son bureau de Recherche Biologique et Environnementale (BER), pour simuler l'évolution des conditions côtières de l'Arctique. « Jusqu'à ces dernières décennies, épais, la glace de mer arctique pérenne semble avoir été généralement stable. Maintenant, le réchauffement des températures le fait fondre. »

Dans les années 1980, la glace pluriannuelle d'au moins quatre ans représentait plus de 30 pour cent de la couverture de l'Arctique; qui a diminué à pas beaucoup plus de 1 pour cent aujourd'hui. Alors que cette banquise pérenne circule autour de l'Arctique, un autre type connu sous le nom de banquise côtière—ancré à un rivage ou au fond de l'océan, agissant comme une extension terrestre flottante - recule vers la côte en raison de la hausse des températures.

Cela expose les régions côtières à des vagues destructrices qui peuvent disperser la glace et éroder le pergélisol côtier, dit Roberts.

Les chercheurs ont montré que l'étendue de la banquise arctique en septembre diminue d'environ 13% chaque décennie, alors que l'Arctique se réchauffe plus de deux fois plus vite que le reste de la planète, ce que les scientifiques appellent « l'amplification de l'Arctique ».

Les changements dans la fonte des glaces de mer et des glaces terrestres de l'Arctique peuvent perturber la soi-disant bande transporteuse océanique mondiale qui fait circuler l'eau autour de la planète et contribue à stabiliser le climat, rapporte Roberts. Le ruisseau se déplace à froid, dense, l'eau salée des pôles aux océans tropicaux, qui envoient de l'eau chaude en retour.

L'Arctique est maintenant coincé dans une boucle de rétroaction paralysante :la glace de mer peut refléter 80 pour cent ou plus de la lumière du soleil dans l'espace, mais son déclin incessant provoque des zones d'obscurité de plus en plus grandes, l'océan ouvert pour prendre sa place en été et absorber plus de 90 pour cent de la lumière du soleil de midi, conduisant à plus de réchauffement.

Roberts et ses collègues expliquent comment la réduction de la glace arctique et l'augmentation des températures arctiques affectent les inondations, biogéochimie marine, expédition, l'extraction des ressources naturelles et la perte d'habitats fauniques. L'équipe évalue également les effets du changement climatique sur les communautés traditionnelles, où le réchauffement anthropique affecte les conditions météorologiques et endommage les terrains de chasse et les infrastructures telles que les bâtiments et les routes.

Le pergélisol arctique, c'est-à-dire le sol gelé, fond rapidement en raison du réchauffement climatique. Certains scientifiques prédisent qu'environ 2,5 millions de kilomètres carrés de ce sol - environ 40 pour cent du total mondial - pourraient disparaître d'ici la fin du siècle et libérer des quantités gigantesques de puissants gaz à effet de serre, dont le méthane, dioxyde de carbone et vapeur d'eau.

Le projet de recherche global, la recherche interdisciplinaire parrainée par BER pour les environnements côtiers arctiques (InterFACE), dirigé par Joel Rowland, aussi de LANL, et est une collaboration multi-institutionnelle qui inclut d'autres laboratoires et universités nationaux. Roberts a supervisé les aspects informatiques du projet DOE qui ont bénéficié de 650, 000 nœuds-heures de temps de supercalcul en 2020 au National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) du Lawrence Berkeley National Laboratory.

Les calculs côtiers de l'Arctique ont utilisé le Cori de la NERSC, un système Cray XC40 avec 700, 000 cœurs de traitement pouvant effectuer 30 000 milliards d'opérations en virgule flottante par seconde.

Les chercheurs du LANL, avec des collègues de nombreux autres laboratoires nationaux, se sont appuyés sur et ont contribué au développement d'un outil de recherche sophistiqué soutenu par le DOE appelé Energy Exascale Earth System Model (E3SM), en leur permettant d'utiliser la simulation par superordinateur et la gestion des données pour mieux comprendre les changements dans les systèmes côtiers de l'Arctique. Les activités d'InterFACE contribuent au développement de l'E3SM et bénéficient de son développement plus large.

E3SM dépeint l'atmosphère, océan, la glace de terre et de mer, y compris les changements de masse et d'énergie entre elles, en haute résolution, modèles tridimensionnels, concentrer la puissance de calcul de Cori sur de petites régions de grand intérêt. Les scientifiques ont créé des mailles en forme de grille de cellules triangulaires dans les composants de la glace de mer et de l'océan de l'E3SM pour reproduire les côtes de la région avec une grande fidélité.

"L'une des grandes questions est de savoir quand la fonte des glaces de mer rendra l'océan Arctique navigable toute l'année, " dit Roberts. Bien que les navires gouvernementaux et commerciaux, même les navires de croisière, aient pu manœuvrer dans le passage du Nord-Ouest dans l'archipel canadien au cours des derniers étés, d'ici 2030, la région pourrait être régulièrement navigable pendant de nombreux mois de l'année si la fonte des glaces de mer se poursuit à un rythme soutenu, il dit.

Le développement de l'E3SM aidera les chercheurs à mieux comprendre à quel point le passage du Nord-Ouest est navigable par rapport aux maillages rectangulaires traditionnels utilisés dans de nombreux modèles climatiques à faible résolution, note Roberts.

E3SM dispose d'une résolution à l'échelle météorologique, c'est-à-dire suffisamment détaillé pour capturer les fronts, tempêtes, et les ouragans, et utilise des ordinateurs avancés pour simuler des aspects de la variabilité de la Terre. Le code aide les chercheurs à anticiper les changements à l'échelle décennale qui pourraient influencer le secteur énergétique américain dans les années à venir.

« Si nous avions la puissance de calcul, nous aimerions avoir des simulations haute résolution partout dans le monde, ", dit-il. "Mais c'est incroyablement cher à entreprendre."

Ethan Coon, un scientifique du Laboratoire national d'Oak Ridge et un co-chercheur d'un projet connexe, soutenu par le Leadership Computing Challenge (ALCC) du programme DOE Advanced Scientific Computing Research (ASCR), dit que le réchauffement des terres dans l'extrême nord "transforme le cycle hydrologique de l'Arctique, et nous constatons des changements importants dans le débit des rivières et des cours d'eau. » Le programme ALCC alloue du temps de superordinateur aux projets du DOE qui mettent l'accent sur les risques élevés, simulations très rentables et qui ont élargi la communauté des chercheurs.

Nègre, un ancien élève de la bourse d'études supérieures en sciences informatiques du DOE, dit que le réchauffement modifie les voies des rivières et des ruisseaux. À mesure que le dégel du pergélisol s'enfonce plus bas sous la surface, les eaux souterraines coulent plus profondément sous terre et restent plus froides lorsqu'elles se jettent dans les cours d'eau, affectant potentiellement les poissons et d'autres espèces sauvages.

Ce qui se passe sur terre a un grand impact sur l'océan, Roberts est d'accord. Enfin, il dit, "nous avons enfin la capacité de vraiment affiner les régions côtières et de simuler leurs processus physiques."