Qu'est-ce que le pergélisol ?

Le pergélisol désigne tout sol – sol, sédiments ou roche – qui demeure à 0°C ou moins (32°F) pendant au moins deux années consécutives. Il est une caractéristique caractéristique des régions polaires et subpolaires et sous-tend environ 24 % de la surface terrestre exposée dans l'hémisphère Nord. Les plus grandes étendues de pergélisol se trouvent en Alaska, dans le nord du Canada, en Sibérie et dans le plateau tibétain.

Le pergélisol peut être classé en trois types principaux selon sa distribution spatiale:

  • Pergélisol continu: Ce type couvre plus de 90 % du paysage dans les régions du haut Arctique et reste gelé presque partout sous la surface.
  • Pergélisol discontinu: Trouvé dans les zones subarctiques et boréales, ce pergélisol est patché, avec des zones de sol congelé et non congelé mélangées.
  • Pergélisol sporodique:[ Occupe des poches isolées où les conditions locales permettent le gel du sol, souvent influencé par les microclimats et la couverture végétale.

L'épaisseur du pergélisol varie considérablement, allant d'un mètre ou deux dans des régions plus chaudes à plus de 1 000 mètres dans certaines régions de Sibérie. Dans cette couche de glace, la glace existe sous diverses formes, notamment des lentilles de glace massives, de la glace séparée et de la glace interstitielle. Ces structures de glace font partie intégrante des propriétés physiques du pergélisol et influencent sa réaction au réchauffement.

Au-dessus du pergélisol se trouve la couche active , une zone de surface qui dégele pendant les mois d'été et se regele en hiver. L'épaisseur de la couche active varie de quelques centimètres dans l'Arctique élevé à plusieurs mètres dans des régions subarctiques plus chaudes. Cette couche de dégel saisonnier est vitale parce qu'elle soutient la plupart des écosystèmes terrestres arctiques, hébergeant la croissance des plantes et l'activité microbienne.

Le réservoir mondial de carbone de pergélisol

L'un des aspects les plus critiques du pergélisol est son rôle de réservoir de carbone massif. Pendant des dizaines de milliers d'années, les plantes mortes, les animaux et d'autres matières organiques accumulées dans les sols froids et à l'eau. Dans ces conditions anaérobies et de congélation, la décomposition a ralenti considérablement, permettant de stocker le carbone organique dans les sols gelés.

Les scientifiques estiment que les régions du pergélisol du Nord contiennent environ 1,460 à 1 600 gigatons (Gt) de carbone organique. Pour mettre en perspective cette quantité, elle représente environ le double du carbone présent dans l'atmosphère, soit environ 850 Gt de dioxyde de carbone (CO2) en termes de teneur en carbone.

Certaines formations géologiques, telles que les dépôts de Yedoma, contiennent des concentrations particulièrement élevées de matière organique. Le pergélisol est riche en glace qui se forme pendant l'époque du Pléistocène, principalement en Sibérie et en Alaska, et contient jusqu'à 30 % de carbone organique en poids. Ces dépôts contiennent également des coins de glace massifs, qui, après la fusion, peuvent entraîner une subsidence dramatique du sol.

Le potentiel de libération de ce carbone ancien dans l'atmosphère présente un risque important : alors que les températures mondiales augmentent en raison des activités humaines, le pergélisol dégele, permettant aux microbes d'accéder à des matières organiques préalablement congelées, ce qui entraîne la décomposition et l'émission de gaz à effet de serre, principalement de dioxyde de carbone et de méthane, alimentant ainsi le réchauffement.

Pergélisol et rejets de gaz à effet de serre

Le dégel du pergélisol n'est pas uniforme dans les régions ou le temps. Il peut se produire progressivement, avec l'approfondissement de la couche active sur plusieurs décennies, ou brusquement en raison de perturbations physiques. Les processus de dégel abrupts comprennent la formation de thermokarst – où la glace de fond fond fond pour faire s'effondrer la surface – le déglaçage, l'érosion et la subsidence.

Les gaz à effet de serre émis lors du dégel du pergélisol dépendent fortement des conditions environnementales locales, notamment de la disponibilité d'oxygène :

  • Conditions aérobies:[ Dans des sols bien drainés et riches en oxygène, généralement trouvés dans des zones de montagne dégelées, la respiration microbienne produit du dioxyde de carbone (CO2). Le CO2 est un gaz à effet de serre important, contribuant au réchauffement atmosphérique, mais est moins puissant par molécule que le méthane.
  • Conditions anaérobies:[ Dans les milieux aquatiques pauvres en oxygène, comme les étangs de dégel, les milieux humides ou les lacs thermokarst, les microbes produisent du méthane (CH4) par décomposition anaérobie. Le méthane est un gaz à effet de serre beaucoup plus puissant, avec un potentiel de réchauffement planétaire environ 28 fois plus grand que le CO2 sur un horizon de 100 ans, et jusqu'à 80 fois plus grand sur 20 ans.

Des recherches récentes indiquent que les régions de pergélisol pourraient libérer environ 20 à 30 gigatons de carbone[ d'ici à 2100 dans le cadre de scénarios à forte émission. Ce rejet est important parce qu'il pourrait ajouter substantiellement aux émissions anthropiques de gaz à effet de serre, ce qui compliquerait les efforts déployés pour atteindre les objectifs climatiques internationaux tels que ceux fixés par l'Accord de Paris.

Les boucles de rétroaction climatique qui impliquent le pergélisol

Les boucles de rétroaction sont des mécanismes où un changement initial dans un système déclenche d'autres changements qui amplifient (rétroaction positive) ou diminuent (rétroaction négative) l'effet initial. Le dégel du pergélisol déclenche plusieurs boucles de rétroaction positives qui amplifient le réchauffement climatique, ce qui en fait une composante critique du système climatique de la Terre.

Rétroaction carbone-climat

La boucle de rétroaction la plus directe concerne les émissions de carbone provenant du pergélisol dégelant. Au moment du dégel des sols gelés, les microbes décomposent le carbone organique, libèrent du CO2 et du CH4 dans l'atmosphère. Ces gaz à effet de serre emprisonnent davantage de chaleur, provoquant un réchauffement supplémentaire. Ce réchauffement accélère le dégel du pergélisol, libère encore plus de carbone, créant un cycle d'auto-renforçage.

Commentaires d'Albedo

L'albédo se réfère à la fraction du rayonnement solaire reflétée par la surface de la Terre. La neige et la glace ont une haute albédo, reflétant la majorité des rayons solaires entrants, ce qui contribue à maintenir le froid dans les régions polaires. Lorsque le dégel du pergélisol se déplace souvent de la toundra brillante couverte de neige à des surfaces plus sombres comme le sol nu, les arbustes ou l'eau libre. Ces surfaces absorbent davantage d'énergie solaire, ce qui entraîne un réchauffement localisé et un dégel du pergélisol.

Commentaires hydrologiques

La fonte de la glace souterraine provoque une subsidence du sol (thermokarst), qui forme souvent de nouveaux étangs et lacs. Ces plans d'eau ont non seulement un faible taux d'albédo, absorbant davantage de rayonnement solaire, mais peuvent aussi devenir des sources importantes d'émissions de méthane. Inversement, les voies de drainage induites par le dégel peuvent entraîner le séchage de certaines zones, modifier la végétation et accroître la sensibilité au feu.

Commentaires microbiologiques

Le dégel du pergélisol réactive les anciennes communautés microbiennes qui sont en sommeil depuis des millénaires. Ces microbes reprennent la décomposition de la matière organique, accélérant le cycle des nutriments et la production de gaz à effet de serre. Le rejet de nutriments comme l'azote et le phosphore peut stimuler la croissance des plantes, ce qui peut constituer un puits de carbone à court terme appelé « effet de fertilisation ». Toutefois, à plus long terme, l'augmentation de la respiration microbienne entraîne généralement des pertes nettes de carbone.

Impacts sur le climat et les écosystèmes mondiaux

Les boucles de rétroaction déclenchées par le dégel du pergélisol ont des conséquences de grande portée qui dépassent les augmentations de température et affectent les écosystèmes, les infrastructures et les communautés humaines.

  • Accélération de l'amplification arctique: La région arctique se réchauffe à près de quatre fois le taux moyen mondial, phénomène connu sous le nom d'amplification arctique. Le dégel du pergélisol contribue de façon significative à cette accélération en libérant des gaz à effet de serre et en modifiant les propriétés de surface.
  • Les changements apportés aux écosystèmes terrestres : À mesure que le pergélisol se dégrade, les écosystèmes de la toundra peuvent se transformer en arbustes ou en forêts boréales dans certaines régions.Ces changements de végétation modifient les habitats et la disponibilité de nourriture pour les espèces indigènes, y compris le caribou, le renard arctique et les oiseaux migrateurs.
  • Les systèmes d'eau douce : Le dégel du pergélisol augmente la distribution de sédiments et de nutriments aux rivières et aux lacs, ce qui a des répercussions sur les écosystèmes aquatiques.
  • Érosion du littoral : Les côtes du pergélisol, qui représentent environ 34 % du littoral mondial dans les régions arctiques, s'érodent à des vitesses sans précédent, jusqu'à 20 mètres par an dans certains endroits.

Recherche et surveillance du pergélisol

Étant donné le rôle crucial du pergélisol dans le climat mondial, il est essentiel de mener des recherches et des activités de surveillance solides pour comprendre sa dynamique et prévoir les changements futurs, ce qui nécessite l'intégration de multiples méthodes et la coopération internationale.

Observations par satellite

La télédétection par satellite fournit des données inestimables pour la surveillance du dégel du pergélisol sur de grandes régions souvent inaccessibles.Les instruments embarqués à bord de la NASA , Suomi NPP, ESA , Copernicus Sentinel-1 et Sentinel-2, ainsi que la mission NASA-ISRO Synthetic Aperture Radar (NISAR) utilisent l'imagerie thermique, l'interférométrie radar et les capteurs optiques pour détecter les changements de température de surface, de déformation du sol, de couverture végétale et d'étendue des eaux de surface.

Études de terrain

Malgré les progrès de la télédétection, les observations au sol demeurent vitales.Les scientifiques forent des forages pour obtenir des profils de température par des couches de pergélisol et installent des instruments tels que des chambres de flux de gaz du sol pour mesurer directement les émissions de gaz à effet de serre.Les carottes de sol et de glace sont analysées pour quantifier la teneur en carbone organique et étudier les communautés microbiennes.

Modéliser les scénarios futurs

Malgré les progrès réalisés, d'importantes incertitudes subsistent en raison de l'hétérogénéité des paysages du pergélisol et de données d'observation limitées. Les projets d'intercomparaison comme le projet comprennent des modules de pergélisol pour évaluer la performance du modèle. La réduction des incertitudes liées aux rétroactions sur le carbone du pergélisol est une priorité absolue pour éclairer les stratégies d'atténuation des changements climatiques et des politiques.

Incidences sur l'éducation

Le pergélisol sert d'étude de cas exemplaire pour les éducateurs qui cherchent à enseigner la science du système terrestre, les mécanismes de rétroaction climatique et la littératie environnementale. Il offre un contexte tangible pour explorer les processus interconnectés à travers la cryosphère, la biosphère, l'atmosphère et l'hydrosphère.

  • Systems thought:[ Les élèves peuvent apprendre comment les changements dans une composante du système terrestre – comme le sol gelé – s'affaissent à travers les autres, illustrant la complexité et l'interdépendance des processus climatiques.
  • Dynamique du cycle du carbone:[ Les leçons peuvent être axées sur la distinction entre les stocks de carbone (carbone stocké) et les flux (échange de carbone) et les différentes échelles de temps des rejets de carbone naturels par rapport aux rejets induits par l'homme.
  • Incertitude et évaluation des risques:[ Explorer pourquoi les scientifiques utilisent des scénarios et des modèles probabilistes aide les étudiants à comprendre les défis de la prévision des futurs états climatiques et l'importance des approches de précaution pour l'action climatique.

Par exemple, la construction d'expériences simples de dégel pour observer le gel et le dégel du sol, l'analyse de séries de données sur la température des trous de forage ou l'interprétation d'images satellitaires permettent aux élèves d'acquérir une expérience pratique.

Conclusion

Le pergélisol est bien plus qu'une relique gelée de la dernière période glaciaire; il est une composante dynamique et active du système climatique terrestre. En stockant d'énormes quantités de carbone organique, le pergélisol représente une source potentielle de gaz à effet de serre qui pourrait considérablement aggraver le réchauffement planétaire s'il est libéré.

Si le moment exact et l'ampleur des rejets de carbone par le pergélisol demeurent incertains, la trajectoire est claire : le réchauffement anthropique continu accélérera le dégel et amplifiera les impacts du changement climatique. L'atténuation de ces risques exige une réduction urgente des émissions de gaz à effet de serre à l'échelle mondiale, parallèlement à une surveillance et à des recherches soutenues pour améliorer notre compréhension.