La solution du quiz de mars 2011 : au nord du sud, la péninsule antarctique et la barrière de Larsen vues par le satellite européen Envisat

14 millions de kilomètres, vingt-huit fois la surface de la France, un continent presque intégralement recouvert de glace, c’est l’antarctique. L’image du quiz du mois de mars 2011 en montre une toute petite partie, celle située la plus au nord du continent le plus au sud : la péninsule antarctique, un bras de 1 000 km de longueur entre la mer de Bellingshausen à l’ouest et la mer de Weddel à l’est.

L’image a été prise par le capteur MERIS du satellite européen ENVISAT le 5 février 2011. Une quinzaine de jours après son lancement, c’est dans cette région qu’un autre capteur d’Envisat, le radar ASAR, a pris le 18 mars 2002 une de ses premières images, devant pour l’occasion le témoin privilégié de la désintégration de la barrière de glace Larsen B.

C’est Serge Pantacchini, de l’équipe de Planète Sciences Méditerranée, qui est le premier à avoir trouvé la bonne réponse, suivi par… Jérémie. Bravo à Serge qui va recevoir le petit cadeau offert par le CNRS.

La péninsule antarctique vue par le capteur MERIS du satellite européen Envisat. Extrait d’une
image acquise le 5 février 2011 à 13h02 UTC. La résolution au sol est d’environ 300 mètres.
Crédit image : Agence Spatiale Européenne (ESA).

Le continent antarctique : beaucoup de latitude pour l’altitude sur un grand glaçon

Ce n’est pas un glaçon... Séparé en deux par la chaîne transantarctique, l'Antarctique est un continent de 14 millions de km² et sa côte mesure près de 18 000 km. Pourtant, parti à la découverte du pôle sud, James Cook, après avoir franchi pour la première fois le cercle polaire austral en 1773, ne le trouve pas. Le GPS, s’il avait existé lui aurait indiqué qu’il était à 130 km de la côte de l’Antarctique. Pour la petite histoire, un siècle plus tôt, au moment de l'opposition de 1672, Christian Huygens réalise un croquis de la planète Mars où est représentée la calotte polaire Sud. Comme quoi, la télédétection... S'éloigner pour mieux voir !

C’est en janvier 1840 que Dumont d'Urville, à la tête d’une équipe d’explorateurs français, posent le pied sur le continent. Amundsen, en décembre 1911, atteint le pôle sud géographique à skis et en traineau. Scott y parvient un mois plus tard et meut sur le chemin du retour.

98% de la surface de l’Antarctique est recouverte d’une épaisse couche de glace. Cela représente environ 90 % de la glace terrestre et 70 % de la totalité des réserves d’eau douce. Si toute cette glace fondait, le niveau des océans s’élèverait de 60 mètres. Le massif Vinson est le point culminant à 4 892 mètres d'altitude. Sur l'île de Ross, il y a le volcan actif le plus au sud : le mont Erebus.

L'Antarctique est le continent le plus froid, le plus sec et le plus venteux du monde. C'est en Antarctique que la température la plus basse de la planète, -89,2 °C, a été enregistrée en juillet 1983, pendant l’hiver austral, à la station russe de Vostok (rassurez-vous la température moyenne remonte à -28°C en janvier et le record de chaleur est de -12°C). Près des côtes, en été, il fait beaucoup plus chaud : les températures maximales se situent entre 5 °C et 15 °C. Il faut vraiment avoir envie de se baigner… A l’intérieur du continent, les précipitations sont inférieures à celles reçues par les déserts les plus chauds. De ce point de vue, l’antarctique est le désert le plus vaste du monde.

Une superbe carte du continent antarctique réalisée par l’Institut Géographique National en février
2007. L’échelle est de 1/6000000. Cliquer sur l’image pour accéder à la carte en plein format
sur le site de l’IGN. Copyright : IGN.

La barrière de glace Larsen fait de l’effet : une des premières images acquises par Envisat après son lancement le 1er mars 2002

En anglais, on les appelle « ice shelf ». Ce sont des banquises épaisses, 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 à l’intérieur des baies de la côte antarctique et leur superficie est de l’ordre de grandeur de celle de la France.

Prises en « sandwich » entre l'océan et l’atmosphère qui se réchauffent tous les deux, les plates-formes sont plus sensibles au changement climatique que le continent. Leur bilan de masse est lié à :

• Des flux entrants : la glace arrivant du continent, la neige tombée sur la plate-forme et le regel sous la glace.
• Des flux sortants : le vêlage d'iceberg (les icebergs qui se détachent en périphérie), la fonte sous la glace et l'érosion due aux vents.

A la latitude de 67°30’ sud et la longitude de 62°30 à l’ouest, la barrière de Larsen se trouve à l’ouest de la mer de Weddel. Elle comprend en fait trois plateformes qui occupent (ou plutôt occupaient) des baies successives le long de la côte est de la péninsule antarctique, avec du nord au sud : les trois plateformes sont nommées Larsen A (la plus petite que le satellite ERS a vu se désintégrer en janvier 1995), Larsen B et Larsen C (la plus grande, qui semble être encore stable.

Contrairement aux glaciers, la fonte des barrières, qui flottent à la surface de l’eau, n’entraîne pas d’élévation du niveau de la mer. Par contre leur disparition peut changer l’écoulement de la glace des glaciers, avec cette fois-ci un impact sur le niveau de l’eau. Au cours des 30 dernières années, il y a eu une accélération de la fonte en surface, créant des bassins et des canaux, qui ont progressivement fragilisé en profondeur la structure de la plateforme.

Les chercheurs du LEGOS pensent que plus de 80% des glaces de l'Antarctique sont drainées par quelques dizaines de glaciers importants qui ne n’occupent qu’une petite partie de la côte antarctique mais pénètrent profondément à l'intérieur du continent. Dans leur stravaux, les scientifiques prennent en compte les différentes vitesses de réaction en réponse à une évolution climatique :

• la neige, comme la glace de mer, réagit rapidement,
• l'écoulement de la glace continentale réagit avec des constantes de temps variant de 100 à 100000 ans.

L’évolution actuelle de la calotte antarctique est donc un phénomène très complexe, dépendant de toutes les variations climatiques ayant eu lieu depuis le dernier cycle climatique jusqu'à aujourd’hui.

Envisat a donc été témoin en 2002 d’un évènement spectaculaire qui s’est produit en quelques semaines : la disparition brutale de la barrière de glace Larsen-B a beaucoup surpris les spécialistes qui estiment que cette zone était stable depuis le dernier âge de glace, il y a 12000 ans. Larsen-B est une victime indirecte du réchauffement climatique. Depuis le début des années cinquante, la température augmente en moyenne d'environ 0,5°C tous les dix ans.

3850 km², l’équivalent du la surface du Luxembourg ou de la moitié de la Corse, et 200 mètres de haut, cela fait 720 milliards de tonnes de glace qui disparaissent !

Sur l’image de l’année 2002, on voit nettement à la surface de la mer de Weddel les milliers de petits icebergs provenant de la désintégration de la barrière de Larsen-B. Une autre image ASAR, prise le 22 févier 2007, met en évidence de nouveaux changements. En étant parfaitement rigoureux, reste à savoir s’il s’agit d’un phénomène nouveau ou d’une observation nouvelle, liée justement à l’arrivée des satellites.

A gauche, une des premières images ASAR acquise le 18 mars 2002 par le satellite Envisat.
A droite, la même zone vue le 22 février 2007. Crédit image : Agence Spatiale Européenne (ESA).

Cela faisait plusieurs années que Larsen était sous surveillance, par les satellites européens, américains et canadiens. Les deux illustrations suivantes montrent l’évolution de la surface de la plate-forme Larsen-B vue successivement par les satellites ERS-1, ERS-2 et ENVISAT. La dislocation de la plate-forme de Larsen est un nouvel exemple de l’intérêt des satellites pour étudier l’évolution de l’environnement sur plusieurs années dans les endroits les plus inaccessibles de la planète. A condition que soit assurée la continuité des missions d’observation de la Terre, les satellites sont des outils irremplaçables qui ont contribué à mieux comprendre des phénomènes aussi divers que la déforestation en Amazonie, l’oscillation El Niño, l’élévation du niveau de la mer ou encore l’évolution de la couche d’ozone.

L’image de notre quiz de mars, provenant du capteur optique MERIS, montre également dans le cas de l’antarctique l’intérêt des capteurs radar, comme l’instrument ASAR (Advanced Synthetic Aperture Radar) du satellite Envisat : difficiles d’accès, les côtes de l’antarctique présentent également des conditions d’observation difficiles, avec une faible illumination et une couverture nuageuse épaisse. En pouvant travailler dans l’obscurité et à travers la couche nuageuse, les capteurs radar sont donc bien adaptés à l’observation continue de cette région. C’est également l’instrument ASAR qui a fourni un suivi de la débâcle intervenue au niveau de la Barrière de Wilkins.

A gauche, carte publiée en 2002 par l’ESA montrant l’évolution de la plate-forme de Larsen en 1992, 1995, 2000 et 2002. A droite, une mise à jour avec les images acquises en mars 2007.
Crédit image : Agence Spatiale Européenne (ESA).

Des orbites polaires pour l’année polaire internationale

En 2008, c’était la dernière l’année polaire internationale. Elle a donné lieu à des nombreux projets de recherche scientifique dont une série de campagnes d’acquisition d’images satellite du continent Antarctique, du Groënland et de l’océan arctique.

L’illustration ci-dessous montre par exemple un plan d’acquisition d’images des satellites français Spot, ciblant en priorité les zones côtières.

Plan d’acquisition d’images Spot autour du continent antarctique dans le cadre de l’année polaire internationale (projet SPIRIT). Crédit image : Astrium Geo-Information Services / Spot image

Beaucoup d’autres satellites sont régulièrement sollicités pour surveiller l’évolution des glaces et des glaciers. Tous ces satellites, avec des capteurs optiques, radar ou altimétriques, ont des orbites polaires ou quasi-polaires.

L’interférométrie permet par exemple de suivre l’avance ou le retrait de la ligne d’échouage (par 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 radar permet également de surveiller l’évolution des glaciers émissaires.

Les mesures du champ de gravité, en accumulant les données fournies par les satellites GRACE et GOCE contribuent à améliorer la connaissance de l'épaisseur de glace. L’altimétrie spatiale, avec le satellite Jason, est également très bien adaptée à l’étude des barrières de glace.

5000 mètres de glace, un million d’années de mémoire du climat du passé : des trous dans la glace pour éviter les trous de mémoire…

La neige qui se dépose conserve des informations sur les conditions climatiques au moment de sa formation. Au niveau des pôles, l’accumulation de la neige depuis des centaines de milliers d’années a formé d’épaisses calottes glaciaires. Il est dons possible de reconstituer l’évolution du climat en analysant des échantillons de glaces de plus en plus profondes, donc, de plus en plus anciennes.

Les calottes polaires et la calotte antarctique en particulier jouent ainsi un rôle très important dans l'étude du climat, puisqu'elles sont à la fois la mémoire du climat de la Terre et un témoin de l'évolution climatique actuelle.

L’altitude moyenne du continent Antarctique est de 2300 mètres. L’épaisseur de la calotte de glace (appelée « inlandsis ») varie entre 1300 et 2200 mètres avec un maximum de près de 5000 mètres au niveau du site « Dome C ». C’est là qu’ont été réalisés les forages les plus profonds permettant de remonter des échantillons de glace.

Une coupe à travers le continent antarctique mettant en évidence le socle rocheux et l’épaisseur de glace.
La carte en haut à gauche montre les deux traits de coupe. Crédit image : Frédérique Rémy (LEGOS)

Les carottes dont on parle ici sont des cylindres de 12 cm de diamètre environ, ramenés à la surface sous la forme de tronçons de trois mètres de longueur.

C’est le forage de Vostok qui détient le record de profondeur à ce jour (-3623 mètres), remontant ainsi sur une période de 420 000 ans. Cependant, le forage EPICA (European Project for Ice Coring in Antarctica) Dome C a permis, pour une profondeur inférieure (-3270 mètres), de remonter à 800 000 ans d'archives du climat. Comment ?

A cause du tassement en profondeur en dessous d’un dôme, les couches de glace sont « amincies » par comparaison à celle du site de Vostok, situé le "flanc" d'une ligne de crête. A Vostok l'écoulement de glace se fait en deux dimensions et l'amincissement des couches de glace est moindre : il faut forer plus profondément pour remonter au même âge.

Ces forages ont mis en évidence :

• des cycles climatiques dont la période est de l’ordre de 100000 ans,
• une relation stable entre températures et teneur en gaz à effet de serre,
• une augmentation rapide depuis le début du 19ème siècle des teneurs en gaz à effet de serre qui atteignent des niveaux jamais égalés, supérieurs pour le CO2 de 27% aux valeurs observées depuis 650 000 ans.

Les scientifiques recherchent un nouveau site pour remonter encore davantage vers le passé (1,2 millions d'années). Il s'agit en particulier de comprendre plus finement les relations climat / gaz à effet de serre et le rôle de ces derniers dans l’évolution du climat..

A noter : bien que ce soit déjà une performance de récupérer ces carottes, bien plus profondément que celles de mon jardin, un long travail commence lorsqu’elles sont ramenées à la surface avec l’analyse des microbulles qu’elles contiennent.

Savoir manier la carotte et le ballon pour faire avancer la connaissance...

Après les carottes sous la glace, les ballons dans l’atmosphère de l’antarctique : en septembre et octobre 2010, dans le cadre du programme Concordiasi, 19 ballons-sondes ont été lâchés depuis la base américaine de McMurdo. 6 ballons embarquaient des charges utiles de mesure de l’atmosphère et 13 larguaient 640 sondes « dropsondes ». Au cours de leur descente, ces sondes « tombantes » mesurent en continu température, humidité et vent et fournissent ainsi une série de profils verticaux très précis.

Une partie des sondes a été largué au moment des passages du satellite européen Metop-A, à bord duquel se trouve IASI, le spectromètre infrarouge développé par le CNES. Il s’agissait de comparer, sur une même verticale, les mesures de la dropsonde, celles fournies par IASI et les profils calculés par les modèles météo.

« L’assimilation des mesures IASI dans les modèles en Antarctique est un vrai défi, car les signaux infrarouges sont très faibles, les propriétés d’émission de la glace très mal connues et la détection des nuages difficile », explique Didier Renaut, responsable du programme IASI au CNES.

Les ballons sont des ballons stratosphériques pressurisés et plafonnants (jusqu’à 20000 mètres d’altitude), dérivant plusieurs mois dans la basse stratosphère.

Le programme Concordiasi a deux objectifs scientifiques :

• Mieux connaître le temps et le climat en Antarctique, en particulier les précipitations neigeuses, et améliorer la qualité des prévisions des modèles météo dans cette zone où il y a peu de stations de mesures.
• Comprendre la dynamique de formation du trou d’ozone, en collectant des données au niveau de la basse stratosphère : chaque printemps austral, la dynamique de l’atmosphère et les nuages glacés entraînent des réactions chimiques aboutissant à la destruction de l’ozone à haute altitude.

Quelques photographies des lâchers de ballon du projet Concordiasi. De gauche à droite et de haut en
bas : 1) Lâcher de ballon. 2) Gros plan sur une des nacelles et les panneaux solaires qui lui fournissent l’énergie. La nacelle de servitude est notamment équipée d’un récepteur de positionnement par satellite
et d’un système de communication par satellites Iridium. Elle possède également une balise Argos, reconnaissable à son antenne cylindrique située au sommet de la nacelle. 3) La récupération d’une nacelle.
4) Relevé des trajectoires des ballons Concordiasi sur représenté sur Google Earth.
Cliquer sur les images pour les agrandir. Crédit image : CNES / P. Cocquerez

En 2005, une autre campagne avec une superbe photo de ballon en vol sur fond de montage
antarctique. Lâcher du dernier ballon stratosphérique surpressurisé lors de la campagne Vorcore à
McMurdo. Crédits : CNES / P. Cocquerez.

En savoir plus :

• Sur le site de l’ESA, les pages sur le satellite européen ENVISAT et les articles sur la barrière Larsen B en 2007 et en 2002.
• Sur le blog Un autre regard sur la Terre, une page sur le satellite Envisat.
  
• Sur le site de l’IGN (Institut Géographique National), un dossier pédagogique sur les conséquences du réchauffement climatique en Antarctique et une carte de l’Antarctique.
• Sur le site du LEGOS (Observatoire de Midi-Pyrénées), une page sur les travaux de recherche menés sur l’Antarctique.
  
• Sur le site du programme AVISO, une page sur les questions scientifiques au sujet du niveau moyen des mers.
  
• Le site des Terres australes et antarctiques françaises (TAAF).
• Sur le site de l’Institut Polaire français Paul-Emile Victor, une page sur l’Antarctique et une autre sur la calotte glaciaire et la banquise.
• Dans la revue « Rayonnement du CNRS, un article de Valérie Delmotte Masson sur l’apport des forages polaires pour la connaissance des climats du passé.
  
• Sur le site du CEA, un article de Valérie Masson-Delmotte, Olivier Cattani, Gabrielle Dreyfus, Sonia Falourd-Mederbel, Jean Jouzel, Amaëlle Landais et Bénédicte Minster : « 800 000 ans d’histoire du climat lus dans la glace ».
• Sur le site du CNRS (INSU), une page sur la découverte d'un phénomène de bascule climatique au cours de la dernière transition glaciaire-interglaciaire (comme pour la période glaciaire précédente). Il s'agit d'une évolution synchrone mais opposée des climats des deux pôles.
• Les pages sur la campagne de ballons Concordiasi 2010 sur le blog image du CNES et sur celui de l’Institut Polaire.
• Sur le site de Météo FRance (CNRM), l'archive des mesures du projet Concordiasi.
  
• D’autres articles du blog Un autre regard sur la Terre sur les pôles, les glaces et le changement climatique.

Suggestions d’utilisations pédagogiques en classe :

• En géographie, lecture commentée de la carte de l’IGN. Construction d’une maquette en relief du continent antarctique en utilisant les courbes.
• En utilisant les images ASAR d’Envisat, analyse des changements entre les années 2002 et 2007.
• Travail sur l’histoire du climat : faire l’inventaire des méthodes utilisées pour reconstituer le climat passé.