Le permafrost: des sols de l'Arctique aux modèles climatiques

Publié par Isabelle le 27/04/2021 à 13:00
Source: CNRS INSU

Un ravin d'érosion (gully) en Sibérie en 2019. © Ludwig Jardillier, ESE, U. Paris-Saclay
Le permafrost ou pergélisol, occupe le quart des terres émergées de l'hémisphère nord. Il est aujourd'hui sujet à un profond changement en raison du réchauffement climatique (Le réchauffement climatique, également appelé réchauffement planétaire, ou...). Victime de ce dernier, le permafrost en est aussi un acteur (Un acteur est un artiste qui incarne un personnage dans un film, dans une pièce de théâtre, à...) dans la mesure où il est susceptible de libérer des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) à effet de serre (L'effet de serre est un processus naturel qui, pour une absorption donnée d'énergie...) en dégelant.

Dans le cadre du programme Make Our Planet (Un Planet est un site Web dynamique qui agrège le plus souvent sur une seule page, le contenu...) Great Again initié en 2017, le chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) canadien Frédéric Bouchard, géologue spécialiste des terres arctiques, a rejoint les équipes du laboratoire Géosciences Paris-Saclay (GEOPS), en proposant le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...) de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) PEGS, PErmafrost and Greenhouse gas dynamics in Siberia, qui traite du sujet des relations entre le pergélisol et les gaz à effet de serre (Une serre est une structure généralement close destinée à la production...) en Sibérie. Ce projet vise à améliorer la fiabilité (Un système est fiable lorsque la probabilité de remplir sa mission sur une durée...) des modèles climatiques en prenant en compte de manière plus précise le dégel du pergélisol. Frédéric Bouchard nous guide à travers ces singulières terres gelées.

Le permafrost, une bombe à retardement

Le pergélisol est, par définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la...), un sol perpétuellement gelé, et la composante invisible de la cryosphère1. Dans ces régions arctiques, quand les températures chutent, le sol gèle en profondeur et devient imperméable. En zone de pergélisol, la couche superficielle (roche, sédiment minéral ou organique) représente une couche active qui se développe chaque été et regèle chaque hiver (L'hiver est une des quatre saisons des zones tempérées.). Ces cycles de gel et de dégel façonnent les paysages de marécages des toundras, l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) ne pouvant s'infiltrer en profondeur et restant donc à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...).

Le pergélisol est un écosystème complexe, encore mal connu. Au-delà des cimetières de mammouths dont il regorge, le permafrost contient un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de composants. Riche en matière organique (La matière organique (MO) est la matière carbonée produite en général par...), il contient aussi de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...), de l'eau, des bactéries (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées...) et de la glace (La glace est de l'eau à l'état solide.). Dans ce sol stratifié2, plus le permafrost dégèle, plus la couche active gagne en épaisseur et plus les conséquences sont importantes tant sur le carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande...), piégé en profondeur, que sur la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...) du sol.

En effet, les régions de pergélisol contiennent deux fois plus de carbone que l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :). Elles sont considérées comme des "bio-réacteurs" de gaz à effet de serre (GES), notamment le CO2 et le méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la...). Ces gaz sont, en particulier, produits par l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) bactérienne du sol après le dégel ou relâchés par les lacs se formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) lors des périodes de dégel. Ils entrent ainsi dans les cycles atmosphériques et climatiques. Les scientifiques estiment que la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) de CO2 piégée dans le permafrost équivaut à quatre fois celle que les activités humaines ont émise depuis le milieu du XIXe siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui...). Or, on mesure encore mal les différentes variations spatiales et temporelles de ces émissions. C'est pour ces raisons que le permafrost est qualifié par les climatologues de "bombe à retardement".

Le pergélisol, une urgence climatique et humaine

Aujourd'hui, on estime entre 3 et 4 millions le nombre de personnes vivant sur la vingtaine de millions de km2 de pergélisol de l'hémisphère nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.). Et ces régions se réchauffent beaucoup plus rapidement que le reste du globe ! L'augmentation des températures de l'air et du sol entraîne le dégel du pergélisol.

Des agglomérations entières, des infrastructures ont été bâties, parfois depuis plusieurs siècles, sur des sols qui autrefois étaient gelés en permanence. Or aujourd'hui ces sols dégèlent et se gorgent de boue (En sédimentologie, la boue est un mélange d'eau et de particules sédimentaires fines...). Coulées de boues, glissements de terrains: les risques naturels sont très importants. Les risques sont également industriels (miniers, pétrolier (Un pétrolier est un navire citerne servant à transporter le pétrole ainsi que ses...), gazier etc.) et aussi, bien évidemment, humains.


Un ravin d'érosion (gully) en Sibérie en 2019, provoqué par le dégel du pergélisol riche en glace. On voit ici le transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus...) de sédiments, qui forment un delta, vers le lac (En limnologie, un lac est une grande étendue d'eau située dans un continent où il...) en aval.
© Antoine Séjourné, GEOPS, U. Paris-Saclay


Même ravin d'érosion, on voit ici la glace en train de fondre. Il s'agit de phénomènes très rapides qui peuvent avoir un impact sur les infrastructures environnantes (ici, la route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie...) et l'aqueduc (Un aqueduc est un ouvrage destiné à l'adduction d'eau pour la consommation d'une ville....) qui passent tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) près).
© Ludwig Jardillier, ESE, U. Paris-Saclay.

Le projet PEGS

L'objectif principal de ce projet multidisciplinaire est d'identifier les facteurs qui contrôlent la mobilisation de carbone organique et en particulier les émissions de gaz à effet de serre (méthane et CO2) qui résultent de la dégradation du pergélisol en Yakoutie centrale (Sibérie).

Dans cette région, les lacs de thermokarst3 se forment par le dégel du sol. Ils affectent les couches plus profondes et riches en glace. Les terrains thermokarstiques peuvent être affectés par des affaissements, la formation de cavités, une forte érosion, etc., à l'image des terrains karstiques4 plus communs dans les zones tropicales ou tempérées. Ils offrent un terrain d'expérimentation (L'expérimentation est une méthode scientifique qui consiste à tester par des expériences...) idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau....). Le permafrost y est en effet parmi les plus épais et les plus riches en glace de la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de...) et c'est aussi l'un des plus anciens. En effet, lors de la dernière période glaciaire, culminant il y a environ 20 000 ans, contrairement au grand nord canadien, cette région de Sibérie n'était pas sous la calotte glaciaire et le pergélisol affleurait déjà.

Le projet combine des campagnes de mesure de terrain, des analyses en laboratoire et l'intégration de ces données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) dans des modélisations analogiques. Apportant son expertise, développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de...) au Canada sur l'échantillonnage (L'échantillonnage est la sélection d'une partie dans un tout. Il s'agit d'une notion importante...) de CO2 et de méthane, le Dr Bouchard a initié le projet PEGS avec des collaborateurs des laboratoires LSCE5, de GEOPS, de l'Alfred Wegener Institute à Potsdam, ou encore l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) du pergélisol à Yakoutsk.

En 2018, le projet débute autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) de quatre campagnes de terrain, au cours de chacune des saisons pour mesurer les concentrations de ces gaz et leur variabilité saisonnière dans les lacs. En effet, l'émission de gaz par le dégel du pergélisol n'est pas homogène. Il existe des variations spatiales et temporelles de ces émissions qui ne sont pas intégrées dans les modèles climatiques actuels. Obtenir des mesures fiables enregistrant ces variations et les inclure dans les rétroactions6 "permafrost/gaz à effet de serre/climat" est fondamental pour améliorer la fiabilité des modèles climatiques présents et futurs (Futurs est une collection de science-fiction des Éditions de l'Aurore.). C'est là le coeur du projet PEGS, qui s'achèvera en 2022.

A l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur...) actuelle, les modèles numériques intègrent le dégel du pergélisol graduellement et de façon homogène. Or, les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...), depuis quelques années, montrent que les perturbations du permafrost peuvent être très localisées et très abruptes (cratère, glissement de terrain, etc.), à l'opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à...) du comportement intégré par les modèles climatiques.


Frédéric Boucard et Lara Hughes-Allen utilisent des seringues pour "siphonner" le gaz accumulé dans les lacs (août 2019).
© Ludwig Jardillier, ESE, U. Paris-Saclay


Frédéric Boucard et Lara Hughes utilisent des entonnoirs ou "funnels" pour piéger les bulles (août 2019).
© Ludwig Jardillier, ESE, U. Paris-Saclay

Des flux de gaz à effet de serre contrastés

Evaluer les grandes variations dans le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) des émissions de CO2 et de méthane, est fondamental pour estimer leurs potentiels en terme d'impact climatique.

Grâce aux données acquises sur le terrain, les scientifiques ont pu mettre en évidence de grandes différences dans les flux et les concentrations en gaz à effet de serre dissous dans les eaux des lacs, alternant entre des phases de stockage et d'émission. En hiver, le CO2 et le méthane s'accumulent sous la couverture de glace. En été, la production et le stockage de ces gaz est favorisé par l'activité photosynthétique des végétaux ou encore l'anoxie7 des couches d'eau profondes. Lors des saisons intermédiaires du printemps (Le printemps (du latin primus, premier, et tempus, temps, cette saison marquant autrefois le...) et de l'automne (L'automne est l'une des quatre saisons des zones tempérées. Elle se place entre l'été et...), les changements de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) provoquent un brassage des eaux lacustres qui facilite l'émission des gaz retenus pendant l'hiver et l'été. Ces flux de gaz, déjà observés dans les lacs canadiens, sont, ici, parmi les plus élevés enregistrés dans les régions arctiques et subarctiques.

Les origines exactes du carbone, contenu dans le CO2 et le méthane émis par les lacs, font encore l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) de recherche, mais les composants même de ce pergélisol sont de bons candidats (sources biogéniques, gaz géologiques très anciens, etc.).

Les lacs thermokarstiques sont l'illustration de la complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par...) du pergélisol et de ses réponses aux changements de température, de précipitations et d'influences anthropiques. Ils doivent être considérés avec attention, car leurs dynamiques et leurs rétroactions vis-à-vis des émissions gazeuses peuvent contribuer à l'amplification (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les...) de l'effet de serre.

A plus grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un...), la compréhension du système complexe et sensible du permafrost dans son ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) et de ses évolutions, représente un défi scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) et sociétal, pour les décennies à venir.

Propos recueillis par Aurore Delahayes

Notes:
1 Cryosphère: partie de la surface terrestre gelée en permanence: permafrost, glaces de mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.), glaciers terrestres.
2 Stratifié: composé de plusieurs couches superposées.
3 Thermokarst: phénomène strictement physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) ou thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) de dégel d'un sol ou fonte de glace.
4 Karst: reliefs affectant les régions calcaires, créés par l'action physico-chimique érosive de l'eau et présentant des cavités, grottes, gouffres, réseaux hydrographiques souterrains.
5 LSCE: Laboratoire Sciences du Climat (Le climat correspond à la distribution statistique des conditions atmosphériques dans une...) et de l'Environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) UMR CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...).
6 Rétroaction: effet d'une action qui impacte la cause qui l'a fait naître.
7 Anoxie: absence d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...) dans un milieu.
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