La Fondation Frozen : le pergélisol

Le pergélisol est la caractéristique physique caractéristique des tundras sibériennes et arctiques. Cette couche de sol qui demeure à 0°C ou en dessous pendant au moins deux années consécutives sous-tend environ 24 % de la surface terrestre de l'hémisphère Nord. En Sibérie, le pergélisol peut s'étendre à des profondeurs supérieures à 1 000 mètres, alors que dans les plaines côtières arctiques, il s'étend généralement de 200 à 600 mètres. La zone continue de pergélisol couvre les régions les plus septentrionales; vers le sud, il devient discontinu, sporadique ou isolé. Ce substrat gelé agit comme une barrière presque imperméable, empêchant l'eau de s'écouler vers le bas.

Types de pergélisol

Le pergélisol est classé selon sa teneur en glace. Le pergélisol riche en glace contient des volumes importants de glace souterraine sous forme de lentilles, de coins et de corps massifs, souvent supérieurs à 50% en volume. Cette glace peut être ancienne, remontant au dernier maximum glaciaire. Le pergélisol pauvre en glace contient peu de glace visible et se comporte plus comme le substrat rocheux gelé. La toundra sibérienne présente un pergélisol riche en glace dans les basses terres yakoutiennes, où la teneur en glace peut atteindre 90% dans certaines couches.

Pergélisol et stockage du carbone

Les régions du pergélisol du Nord stockent environ 1 400 à 1 600 milliards de tonnes de carbone organique, soit environ le double de la quantité actuellement présente dans l'atmosphère. Ce carbone s'est accumulé au fil des millénaires à mesure que le matériel végétal mort s'est gelé avant que la décomposition ne se produise. Au fur et à mesure que le pergélisol dégele, l'activité microbienne libère du dioxyde de carbone et du méthane, créant ainsi une puissante boucle de rétroaction climatique.

Végétation et composition du sol

La végétation des tundras sibériennes et arctiques est peu abondante, peu abondante et très spécialisée. Seulement 1 700 espèces végétales survivent dans ces vastes régions, comparativement à des dizaines de milliers dans les forêts tempérées.Les formes dominantes comprennent les mousses, les lichens, les carex, les graminées et les arbustes nains tels que Salix arctica (Saule arctique) et Cassiope tétragona (Chauffeur arctique).Ces plantes mesurent généralement moins de 20 centimètres de hauteur, une adaptation qui les protège des vents dessicants et leur permet de rester dans le microclimat plus chaud près de la surface du sol.

Adaptations des plantes aux conditions extrêmes

Beaucoup de plantes de la toundra ont développé des stratégies remarquables. photosynthèse à très basses températures, utilisant une forme spécialisée de métabolisme qui fonctionne même près de la congélation. Elles poussent souvent dans des coussins denses ou des taillis pour réduire la perte de chaleur et capturer la neige soufflante pour l'isolation. Les tiges et les feuilles poilues aident à piéger la chaleur, tandis que la pigmentation sombre absorbe davantage de rayonnement solaire. La plupart des plantes de la toundra sont vivaces avec des systèmes racinaires peu profonds qui se propagent horizontalement dans la couche active mince. Elles terminent rapidement leur cycle de vie pendant la courte saison de croissance de 6-10 semaines, souvent en floraison et en formation de graines dans un mois de fonte de neige.

Dynamique du sol dans la toundra

Les sols de la toundra sont classés principalement comme Gélisols—sols avec pergélisol à moins de 100 centimètres de la surface. Ils sont minces, acides et pauvres en éléments nutritifs parce que les températures sont faibles, la décomposition lente et l'altération minérale.La matière organique s'accumule comme une couche épaisse et tourbée au-dessus du sol minéral, surtout dans les zones où le drainage est faible.

Caractéristiques de surface: reliefs motif et forme terrestre cryogénique

La surface de la toundra est tout sauf uniforme. Les cycles de gel-dégel, la croissance de la glace et la dynamique du pergélisol créent un éventail remarquable de caractéristiques de sol à motifs qui couvrent des milliers de kilomètres carrés. Ces caractéristiques sont visibles de l'air comme des motifs géométriques et sont parmi les caractéristiques physiques les plus distinctives de la région.

Terrains à motifs

Le sol à motifs prend la forme de cercles, de polygones, de bandes et de filets. Les polygones à bords d'acier sont le type le plus courant dans les tundras arctiques et sibériennes. Ils se forment lorsque les contractions thermiques s'ouvrent à travers le sol gelé chaque hiver et se remplissent de glace; les coins de glace s'agrandissent au cours des siècles, poussant le sol environnant pour former des crêtes. Les polygones qui en résultent peuvent avoir un diamètre de 10 à 30 mètres. Sur des pentes plus raides, les polygones s'allongent en bandes de pierre , où les débris triés s'alignent en descente.

Argiles et pingos

Les coins de glace sont des masses massives de glace orientées verticalement qui peuvent être de plusieurs mètres de large et de dizaines de mètres de profondeur. Ils se forment sur des milliers d'années et fournissent un enregistrement des conditions climatiques passées. Lorsque les coins de glace fondent, le sol au-dessus s'effondre en dépressions allongées appelées des creux de la thyroïde, qui se remplissent souvent d'eau pour former des étangs linéaires. Les pingos sont de grandes collines à cœur de glace qui s'élèvent de façon spectaculaire de la plaine plate de toundra. Ils se forment lorsque l'eau est forcée vers le haut par des pressions de congélation, créant une lentille de glace qui élève le sol et la végétation.

Lacs Thermokarst

Lorsque le pergélisol est riche en glace, le sol s'abaisse et forme des dépressions qui recueillent de l'eau, créant des lacs thermokarst. Ces lacs sont abondants dans les tundras sibériennes et arctiques et se caractérisent par des rives irrégulières et pétoncles. Ils s'étendent latéralement par érosion thermique de leurs berges, surtout pendant les étés chauds. Certains lacs thermokarst ont des milliers d'années et ont atteint plusieurs kilomètres. Cependant, ils sont également vulnérables au drainage : lorsqu'un lac s'érode à travers un barrage pergélisol ou lorsque son eau se décroît un lien avec un sentier souterrain, il peut s'écouler de façon catastrophique, laissant derrière un bassin sec. Ce processus s'accélère avec le changement climatique.

Climat et cycles saisonniers

Le climat de la toundra est défini par des précipitations extrêmes et basses, mais aussi par des contrastes saisonniers remarquables en plein soleil. Les hivers sont longs, sombres et amers; les étés sont courts, frais et baignés en continu de jour. Comprendre ce régime climatique est essentiel pour saisir les caractéristiques physiques de la région.

Température extrême et rayonnement solaire

Dans la toundra sibérienne, les températures hivernales peuvent plonger en dessous de –50°C (–58°F) dans des régions comme Oymyakon et Verkhoyansk, qui sont parmi les endroits habités les plus froids de la Terre. La toundra arctique connaît des basses températures moins extrêmes, généralement –30°C à –35°C en hiver, mais encore sévère. La température moyenne du mois le plus chaud est inférieure à 10°C (50°F), ce qui définit la limite du climat de la toundra. Le rayonnement solaire varie considérablement : le soleil reste sous l'horizon pendant des semaines à des mois en hiver (nuit polaire), tandis qu'en été le soleil reste au-dessus de l'horizon pendant des semaines (solendre nocturne).

Précipitations et couverture de neige

La toundra est un désert, techniquement froid, ne recevant que 150 à 250 millimètres de précipitations par année, surtout sous forme de neige. Cependant, les faibles taux d'évaporation et l'engorgement par le pergélisol créent un paysage globalement humide. La couverture de neige est une caractéristique physique essentielle : elle isole le sol, prévient la congélation du pergélisol et fournit une source d'eau essentielle pour les plantes et les animaux.

Vent et neige soufflante

Les vents forts et persistants sont une caractéristique des tundras arctiques et sibériennes. La vitesse moyenne du vent peut dépasser 20 km/h, et les rafales de 50 km/h ou plus sont fréquentes. Ce vent fait défiler les surfaces libres de neige, abrade les roches exposées et la végétation avec des cristaux de glace, et provoque la formation de sastrugi—les crêtes de neige dues au vent. Le vent augmente également l'effet de refroidissement (refroidissement éolien), ce qui rend la survie difficile pour les plantes et les animaux.

Paysages glaciaires et périglaciaires

Bien que la toundra elle-même soit aujourd'hui largement exempte de calottes glaciaires permanentes, les processus glaciaires ont laissé une empreinte durable. La toundra arctique du Canada et du Groenland contient des glaciers de montagne et des calottes glaciaires qui s'étendent jusqu'à la côte.

Histoire glaciaire et caractéristiques de relique

Pendant la dernière glaciale Maximum (il y a environ 20 000 ans), les calottes glaciaires Laurentides et eurasiennes couvraient une grande partie de l'hémisphère Nord. La retraite de ces glaciers laissés derrière est une pierre d'or—des crêtes de sable et de gravier sinueuses déposées par les rivières d'eau fondue sous la glace—et ] des drumlins[, des collines de till rationalisées. Dans la toundra sibérienne, de vastes zones de till glaciaires et ] des plaines de lavage se forment au fur et à mesure que la glace fond.

Feuilles de glace et étagères

Dans la toundra arctique, en particulier dans l'archipel arctique canadien et le nord du Groenland, il reste plusieurs calottes glaciaires et calottes glaciaires. Le devon (environ 14 000 km2) et le de barnes sont des vestiges de l'ancienne calotte glaciaire Laurentide. Ces calottes glaciaires influencent le climat et l'hydrologie locaux, alimentant les cours d'eau fondus qui caressent les vallées et déposent des sédiments sur les plaines de la toundra.

Rivières et lacs

Le système de drainage de la toundra est fortement influencé par le pergélisol et l'humidité saisonnière. Les rivières sont souvent tressées, avec des canaux qui transportent de l'eau chargée de sédiments pendant la brève fonte estivale. De nombreuses rivières en Sibérie, comme le Lena, l'Ob et l'Yenisei, proviennent des montagnes au sud et coulent vers le nord à travers la toundra à l'océan Arctique.

Expansion et drainage du lac Thermokarst

Comme mentionné, les lacs thermokarst sont une caractéristique dominante.Ils couvrent jusqu'à 30 à 40 % de la surface du sol dans certaines régions, comme le delta de la rivière et le versant nord d'Alaskan. Ces lacs subissent des processus cycliques : ils se forment dans les dépressions de dégel, se développent par érosion thermique, et finissent par s'égoutter ou se remplir de sédiments.

Étangs et zones humides

Au-delà des lacs, la toundra est parsemée d'innombrables petits étangs et de vastes zones humides.Ces plans d'eau se forment dans des dépressions peu profondes créées par la fonte des coins de glace, l'activité animale ou le dégel inégal. Ils sont souvent frangés par des anneaux de végétation qui stabilisent les bords.Les zones humides sont des habitats importants pour les oiseaux migrateurs et servent également de points chauds pour l'émission de méthane.

Impact humain et tundra en évolution

Les caractéristiques physiques uniques des tundras sibériennes et arctiques sont maintenant modifiées par le changement climatique et les activités humaines. L'augmentation des températures mondiales entraîne le dégel du pergélisol à des taux sans précédent, entraînant des subsidences au sol, des dommages à l'infrastructure et le rejet de gaz à effet de serre. En Sibérie, des cratères massifs se sont formés dans des endroits où des explosions de méthane, probablement dues au dégel du pergélisol, ont fait sauter le sol surplombant.

Les infrastructures humaines, les routes, les pipelines, les bâtiments et les aéroports, sont très vulnérables à la dégradation du pergélisol. La fondation de nombreuses structures repose sur le gel du sol; lorsqu'il dégele, le sol perd sa force portante, ce qui entraîne une inclinaison, une fissure et un effondrement. Le Conseil arctique a souligné que de nombreuses communautés du Nord doivent supporter des coûts de réinstallation de milliards de dollars, car le dégélisol menace les établissements existants.

Conclusion : Un paysage fragile

Les tundras sibériennes et arctiques possèdent une série de caractéristiques physiques uniques, comme le pergélisol, le sol à motifs, les lacs thermokarst et un climat rude, qui créent ensemble l'un des environnements les plus extrêmes et les plus sensibles de la Terre. Ces caractéristiques non seulement façonnent la biologie et l'écologie de la région, mais exercent également une influence mondiale par le biais du stockage du carbone et des rétroactions climatiques.