Calotte Polaire Antarctique

Les calottes polaires ont un rôle très important dans l'étude du climat, puisqu'elles sont à la fois les archives glaciaires de la Terre et un témoin de l'évolution climatique actuelle.

L'Antarctique est un continent de 14 millions de Km², représentant environ 30 millions de Km³, soit entre 60 et 80 m du niveau des océans. Chaque année, l'équivalent de 6 mm du niveau des océans (2200 Km³  de neige) se dépose en surface avant d'être évacué parfois quelques centaines de milliers d'année plus tard.

La géométrie de cette masse de glace s'établit en fonction de la capacité de la glace à évacuer la quantité de neige déposée chaque année : face à une altération climatique, la quantité de neige déposée réagit instantanément, l'écoulement de la glace réagit à des échelles de temps de 100 à 100000 ans. A l'heure actuelle la calotte évolue donc en fonction de toutes les variations climatiques ayant eu lieu depuis le dernier cycle climatique jusqu'à maintenant.

Les causes de non stationnarité des calottes polaires sont si nombreuses (variations de taux d'accumulation, du niveau de la mer, de la température, des vitesses des grands glaciers émissaires, instabilité des plates-formes de glace, réponses stochastiques à la variabilité climatique.) que l'Antarctique ne peut pas, mathématiquement, être en équilibre. Par ailleurs, il est très difficile de modéliser toutes les causes de non stationnarité pour évaluer l’état actuel ou l'évolution future.

Dans ce contexte, il est donc important de suivre d'un coté la dynamique et le bilan de masse du continent, et de l'autre de surveiller l'ensemble du système austral afin d'appréhender les forçages subis par le continent.

Topographie de l'Antarctique

Le relief des calottes est approximativement parabolique comme tout corps plastique reposant sur un socle : de la côte vers le centre, la hauteur augmente et la pente de surface diminue. Sur plus de 1000 Km, la pente est inférieure à quelques mètres par kilomètre.   A ce profil parabolique se rajoutent différentes signatures du kilomètre à la centaine de kilomètres. le relief est très marqué par tous les processus dynamiques ou climatologiques, actuels et passés, qui en contrôlent l'évolution.

Même si certaines signatures de la topographie de surface ont été découvertes et partiellement expliquées il y a déjà plusieurs décennies, à la suite des premières expéditions scientifiques, l'altimétrie spatiale en permet de nos jours une description beaucoup plus fine. Les cartes de topographie nous offrent une visualisation de l'effet de certains mécanismes physiques, permettant de quantifier certains mécanismes déjà connus ou d'en découvrir de nouveaux. L'analyse de cette topographie permet par exemple de détecter les nombreux lacs sous-glaciaires et les réseaux hydrologiques qui les relient, de décrire les contraintes longitudinales qui affectent l'écoulement lors de forte transition, comme par exemple autour du lac de Vostok.

Les cartes de topographie servent aussi à initialiser des modèles d'écoulement de la glace ou à les tester. Couplées à un modèle, elles permettent d'estimer les vitesses d'écoulement de la glace et de mettre en évidence les différents bassins de drainage.

Il est encore très difficile d'appréhender la majorité des processus dynamiques et rhéologiques qui ont lieu à la base de la glace. Même l'épaisseur de glace est encore mal connue.

La contrainte de modèle d'écoulement par la topographie issue de la mission ERS nous a déjà permis d'appréhender la rhéologie de la glace et de mettre en évidence certains processus (glissement, anisotropie.). Ces travaux s'appuieront aussi sur les vitesses estimées par interférométrie et sont principalement effectués en collaboration avec des collègues italiens dans le cadre du projet Concordia et des collègues allemands et australiens, sur les glaciers émissaires.

Flux de glace sortants

Les flux de glace sortants du continent sont encore peu accessibles. Nous développons encore d'autres moyens pour surveiller l'écoulement de glace. L'estimation des vitesses de bilan au moyen des dernières cartes de topographie nous a montré que plus de 80% de l'Antarctique sont drainés par quelques dizaines de glaciers important qui représentent quelques % de la côte et la présence de grands glaciers pénétrant très loin à l'intérieur du continent. Ce sont les glaciers émissaires rapides qu'il faut surveiller avec le plus d'attention par interférométrie. Cette technique permet de détecter la position de la ligne d’échouage (via la différence de marée), là où le glacier décolle du socle rocheux pour flotter sur l'eau, position particulièrement sensible aux conditions climatiques. L'interférométrie permet donc de suivre l'avance ou la retrait de cette ligne.

Ceci fait l'objet de notre implication dans le projet de roue interférométrique du CNES. Par ailleurs, des techniques de corrélation d'images (optique ou radar) viennent compléter la panoplie d'outils de mesure des champs de vitesse d'écoulement. Nous aurons alors le flux d'eaux douces injecté dans l'océan austral et ses anomalies.

Flux de glace entrant

Nous utiliseront aussi les mesures Champ de gravité (puis s'améliorant au fur et à mesure de la mission et du cumul des données de GRACE, puis GOCE) pour améliorer la connaissance de l'épaisseur de glace, donc du volume total de glace.

La mission MIMOSA de radar basse fréquence, proposée à l'ESA, résoudra probablement nombres de questions en mesurant notamment l'épaisseur de glace mais surtout en détectant la stratification interne, isochrone permettant une visualisation de l'écoulement en 3D.

Les données ERS sont maintenant traitées en routine, ce qui nous permet l'obtention de près de 10 ans de données homogènes. Cependant, le bilan d'erreur de la neige de l'altimétrie (qq. 10 cm par passage) est important devant le signal recherché (qq. Cm), et les variations d'état de la neige peuvent entraîner des variations d'appréhension de la surface moyenne mesurée par l'altimètre due à la pénétration de l'onde radar dans la neige.

Par ailleurs, une fois un signal détecté, il faut pouvoir l'interpréter en terme d'évolution climatique, c'est-à-dire, être capable de séparer l'effet d'une variation de la dynamique de l'effet d'une variation du forçage atmosphérique. D'un point de vue thématique et technique, il est impératif de suivre simultanément l'évolution temporelle de tous les paramètres géophysiques issus de l'altimétrie (rugosité, extinction par la neige, hauteur).

Plates-formes de glace qui entourent l'Antarctique.

Ces structures caractéristiques sont de grandes plaques de glace d'une épaisseur moyenne de 400 m, rattachées au continent et qui flottent sur l'océan. Les plus grandes, comme celles de Ross ou de Ronne-Filchner sont confinées dans des baies et leur superficie est comparable à celle de la France.

En contact avec l'océan et l’atmosphère, les plates-formes répondent probablement plus rapidement au changement climatique que le continent. On peut schématiser leur bilan de masse en considérant 3 flux entrant : la glace arrivant du continent, la neige tombée sur la plate-forme et le regel sous la glace ; et 3 flux sortant : le vêlage d'iceberg, la fonte sous la glace et l'érosion due aux vents catabatiques.

Ces plates-formes sont particulièrement sensibles à toutes variations de leur environnement et la mesure altimétrique y est meilleure qu'ailleurs. En effet, d'un côté ces plates-formes subissent la marée, de l'autre, l'interférométrie permet d'estimer le marnage.

Les vents créent de nombreuses structures à la surface de la neige. Cette rugosité montrent toutes les échelles, quelques centimètres (rides), quelques dizaines de centimètres (sastrugi) à quelques centaines de mètres, (mégadunes). Cette rugosité affecte toutes les mesures de toutes les capteurs et doit être prise en compte car elle est très variable. En revanche, la rugosité à l'échelle de la dizaine de cetimètres crée une anisotropie qui est détectable par diffusiomètre et permet donc d'estimer la direction des vents.

Connaissance des propriétés du sous-sol

Les ondes radar pénètrent dans la neige car elle est très froide, sèche et peu dense. C'est à la fois une difficulté supplémentaire notamment dans le cas de l'altimètre puiqu'il voit une surface plus basse que la réalité mais c'est un moyen d'extraire de la mesure satellite des informations sur le manteau neigeux, la stratification, taille des grains de neige.

Ces paramètres sont importants car directement reliés aux taux d'accumulation de neige, un des paramètres pertinents les moins connus à l'heure actuelle. Nous essayons actuellement d'extraire ces paramètres avec les observations de l'altimètre bifréquence d'Envisat.

Calotte Polaire Antarctique

Les calottes polaires ont un rôle très important dans l'étude du climat, puisqu'elles sont à la fois les archives glaciaires de la Terre et un témoin de l'évolution climatique actuelle.

L'Antarctique est un continent de 14 millions de Km², représentant environ 30 millions de Km³, soit entre 60 et 80 m du niveau des océans. Chaque année, l'équivalent de 6 mm du niveau des océans (2200 Km³ de neige) se dépose en surface avant d'être évacué parfois quelques centaines de milliers d'année plus tard.

La géométrie de cette masse de glace s'établit en fonction de la capacité de la glace à évacuer la quantité de neige déposée chaque année : face à une altération climatique, la quantité de neige déposée réagit instantanément, l'écoulement de la glace réagit à des échelles de temps de 100 à 100000 ans. A l'heure actuelle la calotte évolue donc en fonction de toutes les variations climatiques ayant eu lieu depuis le dernier cycle climatique jusqu'à maintenant.

Les causes de non stationnarité des calottes polaires sont si nombreuses (variations de taux d'accumulation, du niveau de la mer, de la température, des vitesses des grands glaciers émissaires, instabilité des plates-formes de glace, réponses stochastiques à la variabilité climatique.) que l'Antarctique ne peut pas, mathématiquement, être en équilibre. Par ailleurs, il est très difficile de modéliser toutes les causes de non stationnarité pour évaluer l’état actuel ou l'évolution future.

Dans ce contexte, il est donc important de suivre d'un coté la dynamique et le bilan de masse du continent, et de l'autre de surveiller l'ensemble du système austral afin d'appréhender les forçages subis par le continent.

Topographie de l'Antarctique

Le relief des calottes est approximativement parabolique comme tout corps plastique reposant sur un socle : de la côte vers le centre, la hauteur augmente et la pente de surface diminue. Sur plus de 1000 Km, la pente est inférieure à quelques mètres par kilomètre.   A ce profil parabolique se rajoutent différentes signatures du kilomètre à la centaine de kilomètres. le relief est très marqué par tous les processus dynamiques ou climatologiques, actuels et passés, qui en contrôlent l'évolution.

Même si certaines signatures de la topographie de surface ont été découvertes et partiellement expliquées il y a déjà plusieurs décennies, à la suite des premières expéditions scientifiques, l'altimétrie spatiale en permet de nos jours une description beaucoup plus fine. Les cartes de topographie nous offrent une visualisation de l'effet de certains mécanismes physiques, permettant de quantifier certains mécanismes déjà connus ou d'en découvrir de nouveaux. L'analyse de cette topographie permet par exemple de détecter les nombreux lacs sous-glaciaires et les réseaux hydrologiques qui les relient, de décrire les contraintes longitudinales qui affectent l'écoulement lors de forte transition, comme par exemple autour du lac de Vostok.

Les cartes de topographie servent aussi à initialiser des modèles d'écoulement de la glace ou à les tester. Couplées à un modèle, elles permettent d'estimer les vitesses d'écoulement de la glace et de mettre en évidence les différents bassins de drainage.

Il est encore très difficile d'appréhender la majorité des processus dynamiques et rhéologiques qui ont lieu à la base de la glace. Même l'épaisseur de glace est encore mal connue.

La contrainte de modèle d'écoulement par la topographie issue de la mission ERS nous a déjà permis d'appréhender la rhéologie de la glace et de mettre en évidence certains processus (glissement, anisotropie.). Ces travaux s'appuieront aussi sur les vitesses estimées par interférométrie et sont principalement effectués en collaboration avec des collègues italiens dans le cadre du projet Concordia et des collègues allemands et australiens, sur les glaciers émissaires.

Flux de glace sortants

Les flux de glace sortants du continent sont encore peu accessibles. Nous développons encore d'autres moyens pour surveiller l'écoulement de glace. L'estimation des vitesses de bilan au moyen des dernières cartes de topographie nous a montré que plus de 80% de l'Antarctique sont drainés par quelques dizaines de glaciers important qui représentent quelques % de la côte et la présence de grands glaciers pénétrant très loin à l'intérieur du continent. Ce sont les glaciers émissaires rapides qu'il faut surveiller avec le plus d'attention par interférométrie. Cette technique permet de détecter la position de la ligne d’échouage (via la différence de marée), là où le glacier décolle du socle rocheux pour flotter sur l'eau, position particulièrement sensible aux conditions climatiques. L'interférométrie permet donc de suivre l'avance ou la retrait de cette ligne.

Ceci fait l'objet de notre implication dans le projet de roue interférométrique du CNES. Par ailleurs, des techniques de corrélation d'images (optique ou radar) viennent compléter la panoplie d'outils de mesure des champs de vitesse d'écoulement. Nous aurons alors le flux d'eaux douces injecté dans l'océan austral et ses anomalies.

Flux de glace entrant

Nous utiliseront aussi les mesures Champ de gravité (puis s'améliorant au fur et à mesure de la mission et du cumul des données de GRACE, puis GOCE) pour améliorer la connaissance de l'épaisseur de glace, donc du volume total de glace.

La mission MIMOSA de radar basse fréquence, proposée à l'ESA, résoudra probablement nombres de questions en mesurant notamment l'épaisseur de glace mais surtout en détectant la stratification interne, isochrone permettant une visualisation de l'écoulement en 3D.

Les données ERS sont maintenant traitées en routine, ce qui nous permet l'obtention de près de 10 ans de données homogènes. Cependant, le bilan d'erreur de la neige de l'altimétrie (qq. 10 cm par passage) est important devant le signal recherché (qq. Cm), et les variations d'état de la neige peuvent entraîner des variations d'appréhension de la surface moyenne mesurée par l'altimètre due à la pénétration de l'onde radar dans la neige.

Par ailleurs, une fois un signal détecté, il faut pouvoir l'interpréter en terme d'évolution climatique, c'est-à-dire, être capable de séparer l'effet d'une variation de la dynamique de l'effet d'une variation du forçage atmosphérique. D'un point de vue thématique et technique, il est impératif de suivre simultanément l'évolution temporelle de tous les paramètres géophysiques issus de l'altimétrie (rugosité, extinction par la neige, hauteur).

Plates-formes de glace qui entourent l'Antarctique.

Ces structures caractéristiques sont de grandes plaques de glace d'une épaisseur moyenne de 400 m, rattachées au continent et qui flottent sur l'océan. Les plus grandes, comme celles de Ross ou de Ronne-Filchner sont confinées dans des baies et leur superficie est comparable à celle de la France.

En contact avec l'océan et l’atmosphère, les plates-formes répondent probablement plus rapidement au changement climatique que le continent. On peut schématiser leur bilan de masse en considérant 3 flux entrant : la glace arrivant du continent, la neige tombée sur la plate-forme et le regel sous la glace ; et 3 flux sortant : le vêlage d'iceberg, la fonte sous la glace et l'érosion due aux vents catabatiques.

Ces plates-formes sont particulièrement sensibles à toutes variations de leur environnement et la mesure altimétrique y est meilleure qu'ailleurs. En effet, d'un côté ces plates-formes subissent la marée, de l'autre, l'interférométrie permet d'estimer le marnage.

Les vents créent de nombreuses structures à la surface de la neige. Cette rugosité montrent toutes les échelles, quelques centimètres (rides), quelques dizaines de centimètres (sastrugi) à quelques centaines de mètres, (mégadunes). Cette rugosité affecte toutes les mesures de toutes les capteurs et doit être prise en compte car elle est très variable. En revanche, la rugosité à l'échelle de la dizaine de cetimètres crée une anisotropie qui est détectable par diffusiomètre et permet donc d'estimer la direction des vents.

Connaissance des propriétés du sous-sol

Les ondes radar pénètrent dans la neige car elle est très froide, sèche et peu dense. C'est à la fois une difficulté supplémentaire notamment dans le cas de l'altimètre puiqu'il voit une surface plus basse que la réalité mais c'est un moyen d'extraire de la mesure satellite des informations sur le manteau neigeux, la stratification, taille des grains de neige.

Ces paramètres sont importants car directement reliés aux taux d'accumulation de neige, un des paramètres pertinents les moins connus à l'heure actuelle. Nous essayons actuellement d'extraire ces paramètres avec les observations de l'altimètre bifréquence d'Envisat.