Note sur le retrait et l’avancée des glaciers comme marqueur du climat

Paul Pettré Ingénieur en Chef Honoraire de Météo France, Habilité à Diriger des
Recherches (HDR) (*)

Le recul des glaciers est généralement désigné comme un marqueur du réchauffement climatique actuel. L’idée est que la fonte des glaciers est accélérée par l’élévation de la température de l’air.

Cependant le problème n’est pas aussi simple qu’il y paraît parce que contrairement à l’idée reçue la glace fond à des températures très négatives, au moins jusqu’à -60°C, et pas à 0°C comme on le trouve trop souvent dans la littérature.

Vous pouvez le vérifier vous-même si vous avez un congélateur « no frost » ou « froid ventilé » en français. Il vous suffit de laisser votre bac à glaçon sans couvercle à l’air libre et au bout d’un à deux mois les glaçons auront disparu, en fait fondu, à une température d’environ -18°C dans un espace fermé.

La fonte des glaçons sera plus rapide si vous libérez les glaçons dans un bac non compartimenté parce que cela augmente la surface de glace exposée à la « sublimation », c’est-à-dire la vaporisation de la glace aux températures inférieures à 0°C.

Thermodynamique de H2O et diagramme des phases de l’eau

Pour comprendre ce phénomène physique il faut se rapporter à la thermodynamique de l’eau (H2O) qui peut se trouver dans trois états : glace, eau liquide et vapeur d’eau.

Pour fondre la glace doit changer d’état (en physique on dit changer de phase), c’est-à-dire passer de l’état solide à liquide ou vapeur. Ces changements de phase obéissent à des lois de la thermodynamique qu’il serait trop long d’exposer ici, mais que l’on représente dans un diagramme tri-phase qu’il convient d’interpréter correctement.

L’ordonnée désigne la pression ou tension saturante à ne pas confondre avec une pression atmosphérique quoi que ce soit la même unité de mesure qui est utilisée. L’abscisse désigne la température en degrés Kelvin.

Les courbes représentent l’état d’équilibre entre deux phases. Il y a six changements de phases possibles : glace vers eau liquide, eau liquide vers vapeur d’eau et glace vers vapeur d’eau, et les trois changements de phase inverses. Ce que montre ce diagramme c’est que la courbe d’équilibre entre la glace et l’eau liquide est supérieure à celle d’équilibre entre l’eau liquide et la vapeur d’eau. En conséquence la glace ne passe pas de l’état solide à vapeur d’eau sauf au point d’équilibre des phases à 0°C, mais cela montre que l’on peut trouver de l’eau liquide, dite surfondue en français, pour des températures inférieures à 0°C.

L’eau surfondue résultant de la fonte de la glace peut vaporiser si la tension saturante diminue ou si la température augmente. La seule condition nécessaire pour que cela puisse se produire est qu’il y ait un espace d’air.

Vous pouvez l’observer avec votre bac à glaçons : la glace reste collée aux parois du bac à glaçons, mais si vous déformez le bac pour décoller les glaçons, il se forme immédiatement une couche fine d’eau liquide qui peut vaporiser dans l’air non saturé. C’est ce qui se passe en continue dans votre congélateur « no frost » pour la partie exposée à l’air des glaçons. Dans les congélateurs ordinaires la vapeur d’eau qui pénètre dans l’enceinte à chaque ouverture givre sur les glaçons ou ailleurs.

Le point d’équilibre des trois phases de l’eau est obtenu pour T0 = 273,17 K et une Tension saturante = 6,11 hPa. Ce point d’équilibre est obtenu en laboratoire : on place dans une enceinte fermée de l’eau, de la glace et on pompe l’air de manière que l’espace vide soit saturé par la vapeur d’eau.

Dans la nature seuls les lacs sous glaciaires peuvent constituer un système thermodynamique en équilibre proche de ce dispositif expérimental. Par exemple on a mesuré la température du lac Vostok en Antarctique proche de 2°C.

La température limite de fonte de la glace est obtenue pour une tension saturante nulle. C’est une valeur théorique de l’ordre de -80°C d’après Queney, mais dans la nature on peut estimer que cette valeur est de l’ordre de -60°C

Le changement de phase est une transformation adiabatique, ce qui signifie qu’il n’y a pas d’échange de chaleur entre le système étudié et son environnement. Ceci explique pourquoi les glaçons fondent dans le congélateur à -18°C.

Cependant dans le processus de changement de phase une certaine quantité de chaleur est absorbée ou dégagée par unité de masse de la substance concernée qu’on désigne par chaleur latente.

Thermodynamique des glaciers

En première approximation un glacier est une masse d’eau pure à l’état solide, c’est-à-dire de la glace, que l’on peut définir comme un système en équilibre thermodynamique.

Dire que le système est en équilibre thermodynamique signifie qu’il dispose d’une énergie interne qui est stable. Par exemple si vous chauffez un morceau de fer à l’une de ses extrémités vous créez un gradient thermique qui rend le système instable, mais si vous cessez le chauffage le système va revenir à un état stable qui peut être différent de l’état avant chauffage.

Pour un glacier on peut considérer que son énergie interne est représentée par sa masse. Son équilibre thermodynamique dépend de son bilan de masse.

Ce que dit le diagramme des phases c’est que la fonte d’un glacier est permanente puisque le taux de fonte ne dépend que de la température de la glace et de la surface exposée. Tous les glaciers fondent par la base et cette fonte est compensée par les précipitations de neige en surface pendant l’hiver. Cette neige se tasse sous l’effet de la gravité et devient de la glace qui s’intègre au glacier.

En été le glacier est exposé en surface et il peut perdre de la masse par sublimation.

Si la perte de masse par fonte n’est pas compensée par les précipitations neigeuses, alors le glacier régresse. Au contraire si les précipitations neigeuses sont surabondantes le glacier progresse.

C’est ce qu’a fait la météo suisse pour un groupe de glaciers alpins dans le cadre d’une étude sur les effets sur des glaciers suisses du Petit Age Glaciaire (PAG) :

4.6 Le Petit Age Glaciaire et le réchauffement récent du climat | Géomorphologie de la montagne froide

Bilan de masse hivernal, estival et annuel

« Ce graphe montre l’évolution du bilan de masse hivernal, estival et annuel entre 1965 et 2018. Les données, sont calculées sur la moyenne des glaciers pour lesquels le réseau GLAMOS dispose des plus longues séries de mesures (Allalin, Giétro, Gries, Silvretta; équivalent en eau en cm). L’année 2003, marquée par une importante canicule estivale est exceptionnelle du point de vue de la perte de volume glaciaire. Pour la période 2017/2018, également marquée par une canicule estivale, la perte est en partie compensée par l’importance des précipitations neigeuses hivernales. ».

Si on parle de climat on doit examiner ce processus à l’échelle du millénaire.

Ce graphe montre qu’au début du 20^ème siècle les glaciers observés avaient reculé autant qu’aujourd’hui.

Ces résultats sont confirmés par le fait que l’on retrouve des arbres fossiles libérés par la fonte de certains glaciers dont on peut dater l’existence. Par exemple le glacier de Trient a livré des pins Cembros morts au XIIème et XIIIème siècles. Certains ont eu le temps de devenir pluri centenaires, puisqu’ils ont atteint l’âge moyen de 310 ans.

D’autre part plusieurs études récentes utilisant des données géologiques montrent que la marge glaciaire s’est retirée derrière son extension actuelle dans tous les secteurs pendant une période limitée entre environ 7 et 4 kyr cal. B.P. et dans la plupart des secteurs entre environ 1,5 et 1 kyr cal. B.P., en réponse à des températures atmosphériques et océaniques estivales plus élevées qu’aujourd’hui de l’ordre de 2 à 4 degrés Celsius.

On a vu que même s’il y a des températures estivales élevées la perte de masse des glaciers peut être compensée par des précipitations hivernales suffisantes. La variation globale des températures n’est donc pas suffisante pour expliquer l’avancée ou le recul des glaciers quel que soit l’échelle de temps considérée climatique ou climatologique.

(*) Paul Pettré est Ingénieur en Chef de la Météorologie Honoraire. Sa formation scientifique s’est déroulée à l’Université Pierre et Marie Curie (Paris VI) où il a obtenu un doctorat de géophysique avec le Professeur Paul Queney. Sa carrière s’est développée à Météo- France par l’analyse de campagnes aérologiques sur les vents locaux et les problèmes de pollution atmosphérique. En fin de carrière Paul Pettré s’est orienté vers l’étude de la circulation atmosphérique et du climat de l’Antarctique où il a effectué sept missions. Paul Pettré a publié de nombreux articles dans les revues à comité de lecture de haut niveau sur le plan international et noué des collaborations avec plusieurs équipes de recherche internationales.

Références

John A. Dutton, The Ceaseless Wind, an introduction to the theory of atmospheric motion, 1976 McGraw-Hill.

Paul Queney, ELEMENTS DE METEOROLOGIE, 1974 Masson et Cie.