Situation géographique et taille

Les calottes glaciaires de l'Antarctique et du Groenland sont les deux plus grands réservoirs de glace d'eau douce de la planète, qui abritent ensemble plus de 99 % de la glace glaciaire du monde. Leur échelle est difficile à comprendre : la calotte glaciaire de l'Antarctique couvre environ 14 millions de kilomètres carrés, une zone plus grande que l'ensemble des États-Unis et du Mexique réunis. Elle couvre le continent antarctique, centré asymétriquement autour du pôle Sud, avec de la glace qui s'étend bien au-delà de la masse continentale sous forme de plate-forme de glace flottante.

Ces deux calottes glaciaires diffèrent non seulement en taille, mais aussi en contexte géographique. L'Antarctique est un continent entouré d'océans, tandis que le Groenland est une grande île de l'Atlantique Nord avec l'océan Arctique au nord et la mer du Labrador à l'ouest. Cette différence de contexte géographique influence profondément leurs climats respectifs, leurs interactions avec l'océan et leurs réactions au réchauffement climatique. La calotte glaciaire de l'Antarctique est limitée par l'océan Sud, où le courant circumpolaire de l'Antarctique crée une barrière thermique qui isole partiellement le continent des eaux plus chaudes.

La géographie de l'Antarctique est particulièrement caractéristique du fait qu'environ 75 % de son substrat rocheux se trouve sous le niveau de la mer, ce qui signifie qu'une grande partie de la glace est échouée au fond de la surface de l'océan. Cette échafaudage sous-marin rend la nappe glaciaire particulièrement vulnérable aux incursions d'eau chaude de l'océan qui peut fondre de la glace en dessous. La nappe glaciaire de l'Antarctique est largement échouée sur un haut plateau continental bien au-dessus du niveau de la mer, tandis que la nappe glaciaire de l'Antarctique occidental est échouée sur une série d'îles et sur une plate-forme continentale submergée.

Contraste topographique

La surface de glace de l'Antarctique atteint des altitudes supérieures à 4 000 mètres au-dessus du niveau de la mer dans le plateau est de l'Antarctique, les régions de Dome Argus et de Dome Fuji étant parmi les plus hautes. La surface de glace de l'Antarctique occidental est plus basse et plus ondulée, avec des altitudes maximales d'environ 2 000 mètres. La banquise du Groenland atteint son point le plus élevé au camp de Sommet, à environ 3 200 mètres au-dessus du niveau de la mer, situé près du centre de l'île. La surface de glace du Groenland est caractérisée par une forme plus douce, semblable à un dôme, avec des marges plus raides où les glaciers de sortie s'écoulent à travers les chaînes de montagnes le long de la côte.

La nappe glaciaire de l'Antarctique est drainée par un nombre relativement restreint de très grands glaciers de sortie et de cours d'eau de glace, comme le glacier de l'île Pine et le glacier de Thwaites dans l'Antarctique occidental. Ces caractéristiques à écoulement rapide déplacent la glace de l'intérieur à la côte à des vitesses de plusieurs centaines de mètres par année. Le Groenland, par contre, a des centaines de glaciers de sortie qui s'écoulent à travers la frange de montagne, avec quelques systèmes majeurs tels que Jakobshavn Isbræ, Helheim Glacier et Kangerdlugssuaq Glacier, qui représentent une part disproportionnée du rejet de glace.

Climat et température

Le climat de l'Antarctique est le plus extrême de la Terre. L'intérieur de la Ice Sheet de l'Antarctique oriental connaît régulièrement des températures inférieures à -60°C en hiver, avec la température la plus basse jamais enregistrée sur la planète, -89,2°C, mesurée à la station russe Vostok en 1983. L'intérieur est un désert polaire de haute altitude, recevant moins de 50 millimètres d'équivalent en eau de neige par an. La caractéristique climatique dominante est le système éolien katabatique : un air froid et dense coule en pente de l'intérieur supérieur vers la côte, générant des vents persistants qui peuvent dépasser 200 kilomètres à l'heure dans certains endroits.

Le climat du Groenland est froid mais beaucoup plus doux que celui de l'Antarctique. Les températures hivernales à l'intérieur de la calotte glaciaire du Groenland varient généralement de -30°C à -50°C, tandis que les régions côtières connaissent des températures hivernales comprises entre -10°C et -25°C. Les températures estivales le long de la côte peuvent dépasser 10°C, les régions intérieures atteignant parfois 0°C lors d'événements de fonte extrême. Les précipitations sont plus élevées que dans l'Antarctique, en particulier le long de la côte sud-est où la collision de l'air atlantique humide avec la marge de la calotte glaciaire produit de fortes chutes de neige, avec des taux d'accumulation supérieurs à 1 500 millimètres d'équivalent eau par année dans certaines régions.

Différences de circulation atmosphérique

La dynamique atmosphérique qui conduit aux climats des deux calottes glaciaires est fondamentalement différente. L'Antarctique est isolé par le vortex polaire, un système de basse pression persistant qui circule autour du continent et piège l'air froid sur la calotte glaciaire. Le mode annulaire du Sud influence la force et la position des vents de l'ouest qui entourent l'Antarctique, modulant l'échange de chaleur et d'humidité entre le continent et les latitudes moyennes. Une phase positive du mode annulaire du Sud renforce les omeces et tend à isoler l'Antarctique de l'air plus chaud, tandis qu'une phase négative permet un échange plus méridien des masses d'air.

Le climat du Groenland est fortement influencé par l'oscillation de l'Atlantique Nord, qui décrit la différence de pression entre le bas islandais et le haut açores. Une oscillation positive de l'Atlantique Nord apporte des vents plus forts de l'ouest et des hivers plus doux au nord de l'Europe, mais peut produire des conditions plus froides et plus sèches au Groenland. Une phase négative conduit souvent à des patrons de blocage plus susceptibles d'apporter de l'air chaud et humide sur la calotte glaciaire du sud, contribuant à des événements de fonte extrêmes tels que la saison de fonte de 2012, lorsque presque toute la surface de la calotte glaciaire du Groenland a connu la fonte pour la première fois dans le dossier satellite.

Dynamique des plaques de glace et fusion

Les processus qui conduisent à la perte de glace diffèrent considérablement entre les deux couches de glace. La nappe glaciaire de l'Antarctique perd de sa masse principalement par la fonte basale des plates-formes de glace par les eaux chaudes de l'océan et par le vêlage des icebergs à partir des fronts de la plate-forme de glace. La fonte de surface est limitée aux marges côtières et à la péninsule de l'Antarctique, avec l'intérieur vaste qui reste bien en dessous du gel toute l'année.

Le Groenland perd de sa masse tant par la fonte de surface que par le vêlage de l'iceberg, la fonte de surface étant de plus en plus dominante au cours des dernières décennies. L'été, la zone de fonte s'étend de la côte jusqu'à des altitudes d'environ 1 500 à 2 000 mètres, couvrant jusqu'à 50 % de la surface de la nappe glaciaire au cours d'événements extrêmes. La fonte forme des ruisseaux, des rivières et des lacs sur la surface de la glace, dont certains s'écoulent par les moules, des puits verticaux dans la glace, jusqu'à la base de la nappe glaciaire, où ils peuvent lubrifier l'interface du lit de glace et accélérer le flux de glace.

Influence de la plate-forme de glace en Antarctique

Les plateaux de glace de l'Antarctique jouent un rôle crucial dans la régulation de l'écoulement de glace du continent. Le plateau de glace de Ross, le plateau de glace de Filchner-Ronne et de nombreuses plates-formes de glace de moindre taille flottent sur l'océan tout en restant attachés à la nappe glaciaire échouée. Ces plateaux servent de contreforts, entravant l'écoulement de la glace intérieure. Lorsque les plateaux de glace s'effondrent ou s'effondrent, les glaciers échoués s'accélèrent, augmentant le débit de glace dans l'océan.

Le Groenland a un développement relativement limité de la plate-forme glaciaire en raison de son climat plus chaud et de la géométrie de ses fjords. La plus grande plate-forme glaciaire restante au Groenland est le glacier Nord à 79° (Nioghalvfjerdsbrae), qui conserve encore une langue flottante importante. Petermann Glacier, dans le nord-ouest du Groenland, possède également une plate-forme glaciaire importante, bien qu'il ait connu des événements majeurs de mise bas en 2010 et 2012. La plupart des glaciers de sortie du Groenland se terminent par des langues de glace flottantes plus petites et plus transitoires que les plateaux de glace de l'Antarctique, ce qui reflète l'environnement énergétique plus élevé de l'Atlantique Nord.

Impact sur l'élévation du niveau de la mer

Les deux calottes glaciaires contribuent à l'élévation du niveau de la mer mondiale par la perte de masse nette, mais leurs contributions relatives et le rythme des changements diffèrent. La calotte glaciaire du Groenland a été la plus importante cause de l'augmentation du niveau de la mer au cours des deux dernières décennies, ajoutant environ 0,6 à 0,8 millimètre par an au niveau moyen de la mer mondiale. La calotte glaciaire de l'Antarctique contribue environ 0,4 à 0,5 millimètre par an, bien qu'avec une grande incertitude.

La nappe glaciaire de l'Antarctique contient suffisamment de glace pour élever le niveau mondial de la mer d'environ 58 mètres si elle est complètement fondue. La contribution potentielle de la nappe glaciaire du Groenland est d'environ 7,4 mètres de hausse du niveau de la mer. Même une perte partielle de l'une ou l'autre des deux nappes glaciaires aurait de graves conséquences pour les communautés côtières du monde entier. La nappe glaciaire du Groenland est considérée plus vulnérable immédiatement parce qu'elle connaît déjà une fonte de surface généralisée et se situe dans une région qui se réchauffe rapidement en raison de l'amplification de l'Arctique, où les taux de réchauffement sont deux à trois fois plus élevés que la moyenne mondiale.

Calendrier et points de basculement

La réaction du Groenland est relativement rapide : la fonte de surface répond en quelques années au réchauffement atmosphérique et la dynamique des glaciers sortants réagit en quelques décennies au réchauffement de l'océan. La calotte glaciaire du Groenland devrait avoir un point de basculement autour d'une augmentation de la température mondiale de 1,5 à 2,0 °C par rapport aux niveaux préindustriels, au-delà de laquelle la fonte de surface dépasserait l'accumulation de chutes de neige, ce qui obligerait la calotte à s'effondrer au cours des siècles jusqu'à des millénaires.

La réponse de l'Antarctique est plus lente mais potentiellement plus importante. La nappe glaciaire de l'Antarctique occidental est considérée comme particulièrement vulnérable parce que la majeure partie de son lit est échouée sous le niveau de la mer sur une pente rétrograde, ce qui signifie que le lit s'approfondit à l'intérieur de l'intérieur de l'océan, ce qui la rend vulnérable à l'instabilité de la nappe glaciaire marine. Les eaux chaudes de l'océan peuvent en effet encombrer les plateaux de glace et faire reculer la ligne de terre en accélérant le processus.

Fondations géologiques et topographie du substratum rocheux

Le substrat rocheux sous chaque calotte glaciaire a une histoire géologique distincte qui influence la dynamique des glaces. Le substrat rocheux de l'Antarctique est une mosaïque complexe de cratons anciens, de chaînes de montagnes et de bassins sédimentaires, dont beaucoup sont enfouis sous des kilomètres de glace. Les monts Gamburtsev, une étendue de la taille des Alpes européennes, sont complètement enfouis sous la calotte glaciaire de l'Antarctique oriental et ont été découverts uniquement par des relevés radars de pénétration de glace. Ces montagnes servent d'ancre à la calotte glaciaire, branchant la surface de la glace et influençant les schémas de flux de glace.

Contrairement à l'Antarctique, la roche du Groenland est en fait sous le niveau de la mer, formant un grand bassin central entouré d'une bordure de montagnes le long de la côte. Le poids de la banquise a dépéri la surface du substrat rocheux, certaines régions intérieures se trouvant à plus de 200 mètres sous le niveau de la mer. Cette topographie influence le flux de glace : la glace passe par les cols de la montagne pour atteindre la côte en tant que glaciers de sortie. L'interaction entre la glace et la banquise est essentielle pour comprendre le comportement passé et futur de la banquise, car la forme du lit contrôle la stabilité de la banquise.

Hydrologie subglaciaire

Les conditions à la base des calottes glaciaires diffèrent considérablement. En Antarctique, de vastes lacs subglaciaires ont été découverts sous la glace, le plus grand étant le lac Vostok, enfoui à 4 kilomètres sous la calotte glaciaire de l'Antarctique oriental. Ces lacs sont reliés par un réseau de cours d'eau subglaciaires qui influencent le flux de glace en lubrifiant le lit. La présence d'eau liquide à la base de la calotte glaciaire, maintenue par la chaleur géothermique et la fonte de la pression, permet aux cours d'eau de glace de s'écouler rapidement.

Les différences dans l'hydrologie subglaciaire ont des implications importantes pour la dynamique des glaces. Les lacs et les systèmes d'eau subglaciaires persistants de l'Antarctique créent des cours d'eau relativement stables mais à écoulement rapide qui sont restés à peu près aux mêmes endroits depuis des milliers d'années. Le système subglaciaire du Groenland est plus transitoire, avec une variabilité saisonnière de la pression de l'eau qui peut entraîner des accélérations temporaires ou des ralentissements de l'écoulement des glaces.

Évolution historique et paléoclimate records

Les deux plaques de glace conservent des données détaillées sur l'histoire du climat terrestre. Les carottes de glace profondes de l'Antarctique, comme celles de Dome C, Vostok et Dome Fuji, ont fourni des données climatiques continues remontant à plus de 800 000 ans. Ces données montrent un couplage étroit entre les concentrations atmosphériques de dioxyde de carbone et la température de l'Antarctique au cours des cycles glaciaires et interglaciaires, confirmant le rôle des gaz à effet de serre dans la régulation du climat mondial.

La nappe glaciaire du Groenland a fourni des données climatiques à haute résolution au cours des 120 000 dernières années, avec les projets GRIP, GISP2 et NorthGRIP qui ont permis de récupérer des carottes de glace qui conservent des signes de changements climatiques rapides au cours de la dernière période glaciaire.Ces carottes ont révélé l'existence d'événements dans la région de l'Atlantique Nord, qui ont eu des effets sur la stabilité de la nappe glaciaire du Groenland. Les carottes du Groenland et de l'Antarctique ont permis de mieux comprendre le fonctionnement du système climatique, y compris le profil bipolaire de la scie dans lequel le réchauffement dans un hémisphère est associé au refroidissement dans l'autre.

Configurations antérieures des feuilles de glace

Les données géologiques montrent que les deux calottes glaciaires ont subi des changements importants dans le passé. Au cours du dernier maximum glaciaire, il y a environ 20 000 ans, la calotte glaciaire du Groenland s'est étendue pour couvrir toute l'île et s'est étendue sur le plateau continental adjacent. Depuis, elle a reculé jusqu'à sa portée actuelle, avec des périodes de réintroduction au cours de la Petite Age glaciaire et de la retraite subséquente au cours du siècle dernier.

La nappe glaciaire de l'Antarctique est également plus étendue pendant les périodes glaciaires, et la nappe glaciaire de l'Antarctique occidental s'est déplacée vers le bord du plateau continental. La nappe glaciaire de l'Antarctique oriental a été plus stable à long terme, bien que des données provenant de sédiments marins laissent croire que certaines parties de la nappe glaciaire ont reculé de façon significative au cours des périodes chaudes passées, y compris l'époque du Pliocène il y a environ 3 millions d'années, lorsque les niveaux atmosphériques de CO2 étaient semblables à ceux d'aujourd'hui.

Importance écologique et biogéochimique

Au-delà de leurs caractéristiques physiques, les calottes glaciaires soutiennent des communautés biologiques uniques et jouent un rôle important dans les cycles biogéochimiques mondiaux. La calotte glaciaire de l'Antarctique abrite un écosystème microbien diversifié dans ses lacs glaciaires, neigeux et subglaciaux, y compris des bactéries, des archéas et des champignons qui survivent à des températures extrêmement basses et des concentrations nutritives.

Les nappes glaciaires influencent également le cycle mondial du carbone en stockant du carbone organique déposé sur des millions d'années. À mesure que les nappes glaciaires fondent, ce carbone ancien est rejeté dans l'océan et l'atmosphère, ce qui pourrait créer une rétroaction positive sur le changement climatique. La nappe glaciaire du Groenland contient environ 27 milliards de tonnes de carbone organique, comparable à la quantité stockée dans les tourbières du monde.

Projections et priorités de recherche futures

Le sixième rapport d'évaluation du GIEC présente des projections selon différents scénarios d'émissions, mais les incertitudes demeurent importantes, en particulier pour l'Antarctique où le potentiel de perte rapide de glace par l'instabilité des nappes glaciaires marines n'est pas pleinement pris en compte par les modèles actuels. Dans un scénario à forte émission, le Groenland pourrait contribuer jusqu'à 20 centimètres à l'élévation du niveau de la mer d'ici 2100, tandis que la contribution de l'Antarctique pourrait aller de quelques centimètres à plus de 30 centimètres selon le comportement des glaciers de l'Antarctique occidental.

Les missions satellitaires telles que l'ICESat-2 de la NASA et le CryoSat-2 de l'ESA ont révolutionné notre capacité à mesurer les changements d'altitude des calottes glaciaires, tandis que les missions GRACE et GRACE-FO ont fourni des mesures directes du bilan massique des calottes glaciaires par des anomalies de gravité.

Pour le Groenland, l'évolution de la fonte de surface et son interaction avec la dynamique des glaces sont des domaines d'étude critiques. L'ampleur et l'intensité de la fonte de surface devraient augmenter à mesure que le réchauffement de l'Arctique se poursuivra, la région de fonte s'étendant à des altitudes plus élevées. Le potentiel de rétroaction positive entre la fonte, la réduction de l'albédo et la circulation atmosphérique est au centre des recherches en cours.

Les deux calottes glaciaires, souvent considérées ensemble comme les principaux réservoirs de glace de la planète, sont en fait profondément différentes dans leur géographie, leur climat, leur dynamique et leur vulnérabilité au changement. La compréhension de ces différences est essentielle pour prédire l'élévation future du niveau de la mer et pour élaborer des stratégies efficaces d'atténuation et d'adaptation.