Observation et analyse des processus à l'interface océan-glace-atmosphère en Arctique à partir de mesures in situ.

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Observation et analyse des processus à l'interface océan-glace-atmosphère en Arctique à partir de mesures in situ.

Message  Frédéric Vivier le Mar 30 Avr - 11:52

La prospective INSU 2011-2016 souligne l'importance d'étudier les processus spécifiques aux interfaces entre les différents milieux, pour la compréhension, la quantification et une meilleure simulation des flux contrôlant in fine l’équilibre général du Système Terre. Ce besoin est particulièrement criant à l'interface océan-glace-atmosphère. En effet, si les modèles de climat s'accordent à prévoir une disparition de la banquise estivale en Arctique, les observations indiquent que celle-ci a lieu à un rythme substantiellement plus rapide que celui des simulations (en moyenne d'ensemble). Il existe par ailleurs de larges disparités entre les modèles. Documenter et analyser les processus d'échange à l'interface océan-glace-atmosphère en Arctique est donc particulièrement important pour mieux comprendre l'évolution de la banquise d'une part, mais aussi mieux paramétriser ces échanges pour améliorer la capacité prédictive des modèles de climat.

Dans ce contexte deux points nous semblent ici importants: 1) nécessité de poursuivre le développement et déploiement d'une instrumentation dédiée à l'observation des processus aux interfaces 2) Intérêt de maintenir une continuité de chantiers pluridisciplinaires dédiés à l'étude de processus engagés depuis plusieurs années dans deux régions très différentes de l'Arctique : l'Arctique Central (Pole Nord), et une polynie côtière (Svalbard).
1- Instrumentation.

Développer une instrumentation dédiée à l'étude des processus aux interfaces océan-glace-atmosphère était un objectif majeur du projet ANR/IPEV OPTIMISM (qui s'achève en 2013 ) réunissant un consortium de 5 laboratoires (INSU mais aussi INSIS). Des résultats très tangibles ont été obtenus avec la mise au point de la bouée Ice-T ('Ice-Thickness') qui fournit une mesure en temps réel de l'épaisseur et contenu thermique de la banquise ainsi que d'un certain nombre de paramètres océaniques permettant notamment d'estimer les flux de chaleur océan-glace, et d'autre part du court mât météorologique Bear ('Budget of Energy for Arctic Research') coiffant le flotteur Ice-T, permettant de mesurer les flux de chaleur radiatifs et turbulents, et de quantifier ainsi le bilan d'énergie en surface. Ensemble, ces deux systèmes permettent une mesure exhaustive des paramètres régissant le bilan thermodynamique de masse de glace. Les données collectées ont vocation à être utilisées pour tester les paramétrisations des modèles. Elles le sont déjà dans le cadre de modèles 1D et ces comparaisons devraient s'intensifier dans les années à venir (cf post de Marie-Noelle Houssais dans ce forum).
Alors qu'Ice-T a atteint une certaine maturité et donne satisfaction dans la mesure des paramètres glaciologiques et océanologiques, une mesure automatique du rayonnement pose encore des difficultés du fait du givrage des capteurs malgré les efforts engagés. La mesure automatique du rayonnement est probablement un des verrous technologiques majeurs à lever à l'heure actuelle en instrumentation polaire.

Nouvelles pistes de développement : De nouveaux développements sont envisagés tant sur le mat Bear que sur la bouée Ice-T. Concernant le mat météo, les efforts vont notamment continuer à se porter sur la question du givrage des capteurs, de leur chauffage et de l'approvisionnement en énergie.
Par ailleurs le flotteur Ice-T a été conçu comme une plate-forme susceptible d'accueillir des capteurs supplémentaires. Nous envisageons ainsi le développement d'un Ice-T « vert » , muni de capteurs bio-optiques pour caractériser l'activité biologique à la base de la glace (cf post de M Vancoppenolle dans ce forum). Une efflorescence phytoplanktonique sous la banquise consolidée a été récemment mise en évidence (Arrigo et al 2012). La mesure conjointe des variables physiques et de certains paramètres caractérisant l'activité biologique à la base de la glace, permettrait d'étudier l'impact de la physique du milieu sur la biologie. A noter qu'un tel instrument, fournissant des mesures à haute fréquence à l'interface océan-glace, sera tout à fait complémentaire des profileurs bio en cours de développement (eg NAOS).

De nouveaux instruments : Le mélange océanique vertical est un paramètre critique pour le devenir de la banquise arctique. Un accroissement du mélange pourrait par exemple conduire à l'érosion de la halocline froide qui isole la couche de mélange océanique et la banquise des eaux chaudes nord-atlantique sous-jacentes. Ce paramètre a également un impact majeur sur l'activité biologique. Un profileur automatique dédié à la mesure de la turbulence est en projet (flotteur MICROPRO, ANR WATT, PI P Bouruet-Aubertot). Le déploiement de ce type d'instrument en Arctique serait particulièrement pertinent.

2-Deux régions laboratoires pluridisciplinaires: assurer une continuité des séries temporelle.

2.1 Pole Nord. Le North Pole Environmental Observatory (NPEO; Pi J Morison, APL, Seattle) est un observatoire international soutenu par la NSF, déployé chaque printemps depuis l'an 2000 au Pole Nord à partir d'un camp de glace (http://psc.apl.washington.edu/northpole/). La philosophie de ce projet est de déployer des instruments automatiques complémentaires qui survivent au camp de glace et qui, collectivement, fournissent une mesure de nombreux paramètres environnementaux en Arctique central tout au long de l'année. En collaboration active avec les équipes américaines et japonaise nous contribuons depuis 2010 à cet observatoire en déployant chaque année un ou plusieurs flotteurs Ice-T co-localisés avec un profileur japonais (POPS, Polar Ocean Profiling System, JAMSTEC), les deux instruments étant totalement complémentaires (l'un profilant entre 800m et 10m sous la surface, l'autre fournissant ses observations à l'interface). Les deux instruments sont par ailleurs installés au centre d'un réseau de bouées GPS permettant d'étudier la déformation de la glace autour du dispositif (J Hutchings, U. Alaska Fairbanks). Une webcam américaine (APL, Seattle) permet en outre de surveiller les conditions environnementales autour du dispositif. A noter qu'un prototype complet Ice-T + Bear a été déployé pour la première fois cette année.
Des études en collaboration avec américains et japonais sont en cours sur le bilan thermique de la couche de mélange et sur bilan de masse de glace. Les mesures Ice-T acquises au cours de sa dérive vont par ailleurs directement bénéficier à la modélisation d'une part (collaboration D Salas y Melia et coll.) et sont également utiles pour la validation des mesures satellites d'épaisseur de glace et de neige en Arctique central (eg Cryosat 2, lancé en 2010).
Les changements d'une année sur l'autre sont palpables dans cette région particulièrement emblématique de l'Arctique et il y a une grande motivation à assurer une continuité des séries temporelles sur ce site dans le contexte de ce programme international.

2.2 Svalbard: polynie du Storfjord.
Une deuxième région, très différente de la précédente, sur laquelle nous sommes engagés et pour laquelle il nous semble important de maintenir une continuité du point de vue des observations (si toutefois une logistique adaptée peut être assurée) est la polynie du Storfjord dans l'archipel du Svalbard. Les polynies, en tant qu'usines à glace, jouent un rôle singulier dans le climat. Le rejet de sel lors du processus de formation de glace a pour effet de densifier les eaux sous-jacentes qui s'accumulent dans le fjord avant de s'écouler vers l'océan profond. Ce sont donc de véritables fenêtres de communication entre l'atmosphère et l'océan profond. Ce processus est commun à l'ensemble des polynies qui jalonnent le bassin Arctique, mais également représentatif des polynies de chaleur latente en Antarctique où l'eau Antarctique de fond est formée.
La polynie du Storfjord présente le double avantage d'être relativement facilement accessible et de bénéficier d'une certaine continuité dans son observation. Coté français, son étude a été initiée par J-C Gascard (eg projets Brines, DAMOCLES) et s'est poursuivie dans le cadre du projet IPEV Ice-Dyn, puis du projet ANR/IPEV OPTIMISM. Ces deux derniers projets ciblent en particulier l'étude des processus dans cette polynie : par exemple le rôle du mélange océanique dans le bilan de masse de glace ou dans le devenir des eaux denses formées et la dynamique spécifique des ondes internes à ces hautes latitudes. Les mécanismes susceptibles d'expliquer la forte variabilité interannuelle des propriétés des eaux denses font également parti des sujets d'étude. Un mouillage océanographique a été déployé au coeur de la polynie en 2011 et redéployé en 2012. Il y aurait une logique évidente à le pérenniser d'autant qu'une dynamique très conséquente dans la communauté s'est mise en place autour de l'étude de cette polynie. Elle couvre de larges champs disciplinaires :

  • Implication de la communauté paléo-océanographique notamment sur l'étude des isotopes du DIC (cf post de Claire Waelbroeke et Elisabeth Michel dans ce forum) dans les régions de formation de brines. Le LSCE est à cet égard associé aux dernières campagnes dans le cadre du projet OPTIMISM sur ce site.
  • Forte implication également de la communauté des modélisateurs au LOCEAN sur cette zone, du fait notamment de la disponibilité de mesures de terrain (modélisation couplée océan-glace haute résolution). La problématique rencontrée dans la modélisation de cette région est en effet symptomatique des difficultés à modéliser les polynies en général et leur rôle dans la formation d'eau profonde ou de fond (en Antarctique) et de l’export de carbone vers les profondeurs.
Cette région dispose donc de nombreux atouts pour devenir une zone laboratoire pour les polynies arctiques et agrège une large communauté. Il y a de plus matière à interagir fortement sur ces différentes questions avec les programmes d'études dédiés aux polynies antarctiques (e.g. ALBION).
Le devenir des projets expérimentaux dans cette région du Svalbard dépend néanmoins de la mise en place d'une logistique adaptée. Alors que l'effort pour maintenir un mouillage pluridisciplinaire dans cette zone semble tout à fait gérable au niveau des laboratoires, la réelle difficulté est dans la disponibilité de temps bateau pour travailler dans cette région, alors que la France ne dispose pas de moyens à la mer en Arctique. La solution à ce problème pourrait passer par une intégration de cette zone dans le périmètre du Svalbard Integrated Observing system (SiOS) infrastructure européenne (ESFRI) en cours de définition pour encore un an et par une collaboration soutenue avec nos partenaires norvégiens. La forte dynamique interdisciplinaire enclenchée côté français pourrait à cet égard être déterminante.

Chercheurs/ingénieurs impliqués : F Vivier, A Lourenço, P Bouruet-Aubertot, L Eymard, Y Cuypers, N Martin D Dausse, M Vancoppenolle, C Rousset, G Madec, R Benshila, M-N Houssais, C Herbaut (LOCEAN) A Weill, M Dechambre (LATMOS), E Michel, C Waelbroeke, B Lansard (LSCE) F Bonnefoy, P Ferrant, J-M Rousset (Centrale Nantes, LHEEA), H Barrois (DT-INSU), J-M Panel (Metéo France/CEN).

Collaborations Internationales : J Morison (APL, Seattle, USA) J Hutchings (UAF, Fairbanks, USA) T Kikuchi, Y Kawaguchi (Jamstec, Japon) ; M Babin (UMI Takuvik, Canada) ;F Nislen, R Skogseth (UNIS, Norvège); .

Frédéric Vivier

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Date d'inscription : 24/04/2013

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