Modélisation mécanique des glaces de mer: nouvelles approches

jweiss Mar 23 Avr - 9:25

Le déclin de la banquise au cours de ces dernières décennies est
certainement l’une des manifestations les plus spectaculaires des changements
environnementaux dans l’Arctique, avec des conséquences climatiques (échanges
océan-atmosphère), environnementales, économiques (routes maritimes,
exploitation off-shore), …

Des travaux menés depuis une dizaine d’années au sein de l’Observation des
Sciences de l’Univers de Grenoble (OSUG) par des chercheurs du LGGE et
d’IsTerre ont démontré :

(i)
que
l’évolution récente des glaces de mer arctiques ne se limitait pas à une rétraction
de leur extension spatiale dans le bassin arctique ou à leur amincissement,
mais était également caractérisée par une accélération spectaculaire de leur
dynamique (dérive et déformation)

(ii)
que
ces changements étaient symptomatiques d’un affaiblissement mécanique et d’une
modification de la rhéologie de la banquise

(iii)
que
ces changements pouvaient avoir un effet majeur sur le bilan de masse négatif
des glaces arctiques (p.ex. par un export accru à travers les détroits)

(iv)
que
ces changements n’étaient pas reproduits par les simulations climatiques de
l’exercice CMIP3, ce qui pouvait expliquer en grande partie pourquoi ces
modèles sous-estiment fortement le déclin observé de la banquise arctique

(v)
et
que cette déficience des modèles actuels était vraisemblablement liée à une
mauvaise représentation de la mécanique des glaces.

En conséquence, il semble essentiel dans les prochaines années de revoir
fondamentalement le schéma de modélisation rhéologique des glaces de mer, issu
des années 70-80 et dont les limitations apparaissent de plus en plus nettement
avec la résolution spatiale accrue des modèles.

Dans cette optique, les chercheurs impliqués dans cette thématique
travaillent actuellement sur deux types d’approches :

-
Une
approche dont l’objectif est d’intégrer les propriétés élasto-fragiles de la
glace dans une modélisation d’un milieu continu, compatible avec un couplage
avec les modèles d’océan et d’atmosphère, un schéma aux différences finies,
ect.. L’objectif final est dans ce cas de remplacer le modèle classique
« VP » actuellement utilisé par quasiment tous les modèles
climatiques

-
Une
approche basée sur les éléments discrets, c’est-à-dire sur une modélisation
explicite d’un assemblage de floes de formes et tailles diverses interagissant
mécaniquement entre eux par l’intermédiaire de lois de friction et de collisions
inélastiques. Ce type d’approche semble particulièrement pertinent pour
modéliser le comportement de la zone marginale (MIZ) et des situations
correspondant à une banquise relativement peu compacte, fortement fragmentée.
Avec le recul prononcé des glaces pluri-annuelles, ce type de situation
pourrait devenir particulièrement pertinent.

Dans l’optique d’une modélisation climatique grande échelle, l’approche par
éléments discrets pourrait servir de référence pour la mise au point de modèles
rhéologiques simplifiés « moyens », mais néanmoins réalistes,
compatibles avec un milieu continu et permettant une meilleure représentation
des zones marginales ou de la banquise estivale.

Les problèmes de « paramétrisation sous-maille » des processus de
fracturation et donc des échanges océan-atmosphère (p.ex. répartition des
largeurs de leads) pourraient également être abordés par cette voie.

A l’heure actuelle, ces recherches sont financées par l’industrie, et donc
dans une optique « petites échelles » : de l’échelle locale
(~km²) à l’échelle régionale (ex., Mer de Kara), horizon temporel inférieur à
quelques semaines. L’intégration de ces développements dans les modélisations
climatiques devra se faire dans un autre cadre, avec d’autres moyens.

Chercheurs impliqués : J. Weiss (LGGE),
D. Amitrano et D. Marsan (IsTerre), S. Labbé (LJK). Etroite collaboration avec
le NERSC à Bergen (P. Rampal, L. Bertino,..) et l’Université de
Louvain-la-Neuve (T. Fichefet, V. Legat)