Glace de mer

Comprendre ses processus de formation et de croissance est important pour les marins, les climatologues, les écologues, les auteurs de simulations mathématiques, pour les spécialistes de la télédétection (en effet la composition et les propriétés microstructurales de la glace affectent la façon dont elle interagit avec le rayonnement électromagnétique).

La glace de mer recouvre environ 7 % de la surface du globe terrestre et environ 12 % des océans du monde[1]^,[2]^,[3]. La banquise mondiale, ne persiste que dans les deux régions polaires (banquise arctique au nord, sur l'océan Arctique ; banquise antarctique sur le sud de l'océan Austral), mais durant les périodes glaciaires, elles ont connu une forte extension (en surface et en volume).

La surface de la banquise de mer s'étend fortement durant les mois de nuit polaire, et diminuent durant l'été, selon un cycle annuel qui est un processus naturel dont dépend l'écologie arctique et subaquatique.

Représenation schématique des principaux types de glace de mer.

La glace de mer ne se contente pas d'épaissir puis de fondre. Durant sa durée de vie, sous l'action combinée des vents, des vagues, des courants et des fluctuations de température, elle se montre très dynamique, subissant d'importantes déformations et présentant une grande variété de types, de morphologie, de caractéristiques de glace, d'épaisseur et d'étendues.

La banquise est classée selon qu'elle peut dériver ou non, et selon son âge. C'est la glace de mer qui forme une grande partie de la glace dérivante ou la banquise dérivante (à ne pas confondre avec la banquise côtière qui est fixe). Selon leur emplacement, les étendues de glace de mer peuvent aussi incorporer des icebergs. Elle présente souvent une apparence contrastée avec les icebergs, qui sont eux des morceaux de banquise ou de glaciers qui vêlent dans l'océan.

La glace de mer peut être classée comme étant, ou non, attachée au rivage (ou fixée entre des hauts-fonds ou à des icebergs échoués).

• Si elle est attachée, elle est dite banquise côtière.
• Sinon, et contrairement à la banquise côtière, la banquise se trouve plus au large dans des zones très étendues et englobe de la glace qui est libre de se déplacer avec les courants et les vents.

La frontière physique entre la banquise côtière et la banquise est la frontière de la banquise côtière.

La zone de glace de dérive peut être divisée en une zone de cisaillement, une zone de glace marginale et un pack central[4]. La banquise se compose de floes, des morceaux individuels de glace de mer de 20 mètres (66 pieds) ou plus de diamètre. Selon la taille de ces floes, on les classe en :

• petit - 20 à 100 m (66 à 328 ft) ;
• moyen - 100 à 500 m (330 à 1 640 ft) ;
• grand - 500 à 2 000 m (1 600 à 6 600 ft) ;
• vaste - 2 à 10 kilomètres (1,2 à 6,2 mi) ;
• géant - plus de 10 km (6,2 mi)[5].

Quand la glace de mer ressemble à une grande masse unique (au-delà de 70 % de couverture), elle est appelée simplement banquise ou par son équivalent anglais spécifique pack ice[6]^,[7]^,[8]. Le terme banquise est utilisé soit comme synonyme de banquise[5], soit pour désigner une zone de banquise dans laquelle les floes sont densément compactés[5]^,[9]. Du point de vue de la navigation sous-marine, la couverture globale de glace de mer est parfois dite canopée de glace[9].

Nouvelle glace, nilas et jeune glace

Nilas dans la baie de Baffin.

La nouvelle glace est un terme général utilisé pour désigner l'eau de mer récemment gelée qui ne constitue pas encore de la glace solide. Il peut s'agir de « frasil » (plaques ou spicules de glace en suspension dans l'eau), de « gadoue » (neige saturée d'eau) ou de « shuga » (glace blanche spongieuse de quelques centimètres de diamètre). D'autres termes, tels que « sorbet » (« Grease ice ») et « glace en crêpe » (« pancake ice »), sont utilisés pour les accumulations de cristaux de glace sous l'action du vent et des vagues.

Exceptionnellement, quand la glace de mer commence à se former sur une plage et avec une légère houle, des « œufs de glace » pouvant atteindre la taille de un ballon de football peuvent se former[10].

Le mot « Nilas » désigne une croûte de glace de mer pouvant atteindre 10 centimètres (3,9 pouces) d'épaisseur, qui ondule sans casser sous l'effet des vagues et de la houle. Les nilas sont subsubdivisés en nilas sombres — jusqu'à cinq centimètres d'épaisseur et très sombres, et en nilas clairs — de plus de cinq centimètres d'épaisseur et de couleur plus claire.

La jeune glace est une phase de transition entre la nilas et la glace de première année, et son épaisseur varie de 10 cm (3,9 po) à 30 cm (12 po).
La jeune glace peut être subdivisée en glace grise — 10 cm (3,9 po) à 15 cm (5,9 po) d'épaisseur et glace gris-blanc — 15 cm (5,9 po) à 30 cm (12 po) d'épaisseur.
La jeune glace n'est pas aussi flexible que le nilas, tendant à se briser sous l'action des vagues. Sous compression, elle formera des radeaux (au stade de glace grise) ou des crêtes (au stade de glace gris-blanc).

Comparativement, la banquise côtière parait très stable (car physiquement attachée au rivage ou au fond marin), alors que la banquise de mer subit des processus de déformation constants et relativement complexes, qui sont a source d'une grande variété de paysages de banquise.

Au vu des connaissances actuelles, le vent semble être la première force agissante, avec les courants océaniques, mais la force de Coriolis et l'inclinaison de la surface de la glace de mer ont aussi été invoquées[5].

Ces forces maintiennent un état de contrainte au sein de la zone de banquise. Une plaque de banquise convergeant vers une autre puis se pressant contre elle va générer un état de compression La couverture de glace peut aussi subir des effets de plis et de tension (source de fissures). Si deux floes dérivent latéralement l'un contre l'autre tout en restant en contact, cela créera un état de cisaillement.

Elle résulte des interactions entre les blocs de banquises, plus ou moins poussées les uns contre les autres, avec trois types de résultantes caractéristiques[9] :

1. formation de « glace en radeaux », quand un petit bloc en remplace un autre ;
2. formation de « crêtes de pression » : une ligne de glace brisée s'incline vers le bas (formant la quille du radeau) et vers le haut (formant une voile) ;
3. formation de « hummocks », monticules de glace brisée créant un paysage entièrement bosselé.

Une « crête de cisaillement » est une crête de pression qui s'est formée sous le cisaillement - elle tend à être plus linéaire qu'une crête induite uniquement par la compression[9].

Une « crête nouvelle » est acérée, et son côté incliné a un angle supérieur à 40 degrés.
Une « crête altérée » est arrondie et ses côtés sont inclinés à moins de 40 degrés[9].

Les « stamukhi » sont encore un autre type d'empilement (ancrés et donc relativement stationnaires) ; ils résultent de l'interaction entre la banquise côtière et la banquise dérivante.

La « glace plate » est une glace de mer non affectée par la déformation, et donc relativement plate[9].

Les chenaux (souvent étroits et linéaires, d'une largeur variant du mètre au km) et les polynies sont des zones plus ou moins temporairement libres de glace (eaux libres) qui se forment et sont plus ou moins entretenues sein les étendues de glace de mer, même quand les températures de l'air sont inférieures au point de congélation.

Ce sont des interfaces directes entre l'océan et l'atmosphère qui sont très importantes pour la faune.

En hiver, l'eau dans les chenaux gèle rapidement, mais ils peuvent être utilisés à des fins de navigation - même lorsqu'ils sont recongelés, car la glace y est plus mince, permettant aux brise-glaces d'accéder à un chemin de navigation plus facile et aux sous-marins de faire surface plus facilement.

Les polynies sont plus vastes et plus uniformes que les chenaux, avec deux types reconnus :

1. les polynies à chaleur sensible, causées par la remontée d'eau plus chaude
2. les polynies à chaleur latente, résultant des vents persistants du littoral

Glace de mer en formation près de l'île Saint-Matthew en mer de Bering, vu de satellite.

Phénomène rare : formation de boules de glace (ici à Tallinn, en Estonie.

Il suffit que la couche supérieure d'eau refroidisse jusqu'au point de congélation pour qu'une glace de mer commence à se former[12]. La convection de la couche de surface implique les 100 à 150 mètres supérieurs, jusqu'à la pycnocline de densité accrue.

En eau calme, la première glace de mer à se former en surface est une écume de cristaux séparés qui se présentent initialement sous la forme de minuscules disques, flottant à plat à la surface et d'un diamètre inférieur à 0,3 cm (0,12 in). Chacun de ces disques a son axe c vertical et se développe latéralement vers l'extérieur. À un certain point, cette forme de disque devient instable et les cristaux isolés en croissance prennent une forme hexagonale et stellaire, avec de longs bras fragiles s'étendant sur la surface. Ces cristaux ont également un axe c vertical. Les bras dendritiques sont très fragiles et se cassent rapidement, laissant un mélange de disques et de fragments de bras. La moindre turbulence dans l'eau brisera davantage ces fragments en petits cristaux de forme aléatoire qui forment une suspension de densité croissante dans l'eau de surface, formant un type de glace dit frasil ou sorbet. En conditions calmes, les cristaux de frasil gèlent rapidement ensemble pour former une mince couche continue de jeune glace ; à ses débuts, quand il est encore transparent - c'est la glace appelée nilas. Une fois que les nilas se sont formés, un processus de croissance tout à fait différent se produit, dans lequel l'eau gèle au fond de la calotte glaciaire existante, un processus appelé croissance par congélation. Ce processus de croissance produit de la glace de première année.

Dans les eaux agitées, la glace de mer fraîche se forme au fur et à mesure que l'océan perd ses calories dans l'atmosphère. La couche supérieure de l'océan est surfondue jusqu'à légèrement en dessous du point de congélation, moment auquel de minuscules plaquettes de glace (frasil) se forment. Ce processus conduit à une couche de surface pâteuse (sorbet). La formation de frasil peut également être enclenchée par des chutes de neige plutôt que par une surfusion. Les vagues et le vent agissent alors pour comprimer ces particules de glace en plaques plus grandes, de plusieurs mètres de diamètre, appelées crêpes de glace. Ceux-ci flottent à la surface de l'océan et entrent en collision les uns avec les autres, formant des bords retournés. Avec le temps, les plaques de glace à crêpes peuvent elles-mêmes être suspendues les unes aux autres ou congelées ensemble dans une couverture de glace plus solide, connue sous le nom de glace à crêpes consolidées. Une telle glace a un aspect très rugueux en haut et en bas.

Si assez de neige tombe sur la banquise pour abaisser le franc-bord sous le niveau de la mer, l'eau de mer s'écoulera et une couche de glace se formera d'un mélange neige/eau de mer. Ceci est particulièrement fréquent autour de l'Antarctique.

Variation du volume de glace de mer arctique (méthode de dessin du système de coordonnées polaires ; le temps va dans le sens inverse des aiguilles d'une montre ; avec un cycle par an).

En Arctique, la surface de banquise augmente en hiver d'un minimum en septembre à un maximum en mars ou parfois en février, avant de fondre en été. Dans l'Antarctique, où les saisons sont inversées, le minimum annuel est généralement en février et le maximum annuel en septembre ou octobre. La présence de glace de mer jouxtant les fronts de vêlage des plates-formes glaciaires influe sur l'écoulement glaciaire et donc potentiellement sur la stabilité de la calotte glaciaire de l'Antarctique[13]^,[14].

La croissance et le taux de fonte sont aussi affectés par l'état de la glace elle-même et son inertie thermique. L'épaississement de la glace en croissance due au gel est lui-même dépendant de l'épaisseur, de sorte que la croissance de la glace ralentit à mesure que la glace s'épaissit[5]. De même, la glace de mer la plus mince fond plus vite. Ceci explique des comportements différents pour la glace pluriannuelle et la glace de première année. De plus, les étangs de fonte formés à la surface de la glace lors la saison de fonte abaissent l'albédo, faisant qu'une plus grande quantité de rayonnement infrarouge est absorbée, ce qui par rétroaction accélère la fonte. La présence d'étangs de fonte est affectée par la topographie et la perméabilité de la glace de mer. La glace de première année est plus plate que la glace de plusieurs années en raison de l'absence de crêtes dynamiques, de sorte que les étangs y sont souvent plus grands, avec un albédo plus faible (qui permet mieux au soleil d'atteindre l'océan sous-jacent)[15].

La fonte de la surface de glace de mer génère de l'eau liquide qui s'accumule dans les dépressions de surface et les approfondit (mares de fonte), jusqu'à atteindre la mer sous-jacente.

La glace de mer est une composante-clé des écosystèmes arctiques et antarctiques, vitale pour diverses espèces polaires, en particulier le phoque et l'ours polaire. Pars son inertie thermique et son albédo (en réfléchissant une grande partie du rayonnement infrarouge du soleil ainsi renvoyé dans l'espace), elle contribue à garder les habitats polaires froids. À ce stade, la relation de la glace de mer avec le réchauffement climatique est cyclique ; la glace aide encore à maintenir les polaires climats frais en été, mais plus la banquise fond, plus sa surface rétrécit, moins elle réfléchit la chaleur solaire qui réchauffe alors l'océan, ce qui accélère la fonte de la glace[16]. La taille et l'épaisseur de la banquise sont naturellement affectées par les saisons, mais aussi par de petits changements de la température mondiale en raison de ces effets de rétroaction positive. Chaque cycle de rétrécissement de la glace s'auto-entretien, faisant des régions polaires (arctique notamment) les lieux les plus rapidement sensibles au changement climatique sur la planète[5].

De plus, la glace de mer affecte aussi le mouvement des eaux océaniques. Quand l'eau de mer gèle, une grande partie des sels qu'elle contient est expulsée hors des cristaux de glace, le reste persistant dans la glace. Le sel expulsé est piégé sous la banquise, y rendant la mer plus salée et donc plus dense. Cette eau froide et dense « coule » vers les fonds marins et se déplace le long du pied du plateau continental océanique vers l'équateur, pendant que de l'eau plus chaude à la surface de l'océan se déplace vers les pôles. C'est ce qu'on appelle la circulation thermohaline (qui alimente notamment le Gulf stream et contribue à la distribution de nutriments dans l'océan mondial)[5].

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Sea ice » (voir la liste des auteurs).