Qu'est - ce que le pergélisol et pourquoi est - ce important?

Le pergélisol est défini comme un sol, une roche ou un sédiment qui demeure gelé en permanence à 0°C ou en dessous de 32°F pendant au moins deux années consécutives. Il sous-tend environ 24 % des terres exposées dans l'hémisphère Nord, couvrant des régions immenses, dont l'Alaska, le Canada, la Sibérie et certaines parties de la Scandinavie. Loin d'être un substrat gelé, le pergélisol contient un énorme réservoir de carbone organique, constitué de restes de plantes, d'animaux et de microbes accumulés sur des dizaines de milliers d'années et conservés dans un gel profond.

Le pergélisol varie considérablement en épaisseur, allant de quelques dizaines de centimètres dans certaines régions à plus d'un kilomètre dans d'autres. Sa couche de surface, connue sous le nom de couche active, dégele chaque été et se regele en hiver. Cependant, avec l'augmentation des températures mondiales due au changement climatique, cette couche active s'amplifie progressivement, exposant pour la première fois depuis des millénaires la matière organique congelée à la décomposition microbienne. Cette exposition a des implications profondes non seulement pour les écosystèmes locaux mais aussi pour la dynamique climatique mondiale.

La bombe à retardement de carbone : comment le pergélisol se dégele

De la conservation surgelée à la décomposition active

Lorsque le pergélisol dégele, la matière organique piégée à l'intérieur de ce matériau, une fois isolée de l'activité microbienne, est soudainement mise à disposition. Des microorganismes comme les bactéries et l'archéaïque commencent à décomposer ce matériau. Les gaz produits durant cette décomposition dépendent de la disponibilité en oxygène et de la teneur en eau du sol. Dans des conditions aérobies (riches en oxygène), la décomposition produit principalement dioxyde de carbone (CO2). En revanche, des milieux anaérobies (pauvres en oxygène) à l'eau, tels que les étangs de dégel et les milieux humides, favorisent la production de méthane (CH4), un gaz de serre ayant un potentiel de réchauffement planétaire environ 28 fois supérieur au CO2 sur une période de 100 ans.

Le rapport entre les émissions de CO2 et de méthane varie considérablement selon des facteurs tels que l'humidité du sol, la température, la composition des matières organiques et la structure de la communauté microbienne.Ce processus est très dynamique et non linéaire.À mesure que la couche active s'approfondit, les réserves de carbone frais deviennent sensibles à la décomposition microbienne, mais le taux de ce processus est modulé par de multiples paramètres environnementaux.

La Thaw abrupte : la carte sauvage des émissions de pergélisol

Bien que beaucoup de recherches se soient concentrées sur le dégel progressif et descendant de la couche active, un processus plus soudain et dramatique connu sous le nom de dégel abrupt présente un défi important pour comprendre les émissions de carbone du pergélisol. Le dégel abrupt survient lorsque les grands dépôts de glace souterraine fondent rapidement, ce qui provoque l'effondrement et la formation de caractéristiques thermokarst distinctives telles que les dégâts, les fosses et les lacs qui s'écoulent rapidement.

Une étude séminale de 2019 publiée dans Nature Geoscience a estimé que le dégel brutal pourrait potentiellement doubler la rétroaction du carbone du pergélisol, contribuant ainsi à 60 à 100 gigatons supplémentaires d'émissions de carbone d'ici 2300. Cette constatation souligne que les modèles climatiques actuels, qui excluent souvent les processus de dégel brusque, peuvent sous-estimer de façon significative l'échelle et la vitesse des rejets futurs de carbone du pergélisol.

La question du méthane

Les émissions de méthane dues au pergélisol dégelent sont particulièrement préoccupantes en raison de la puissance élevée du méthane en tant que gaz à effet de serre et de sa durée de vie atmosphérique relativement courte. Le pergélisol dégelant de l'Arctique pourrait libérer jusqu'à 100 millions de tonnes de méthane par année, selon les données de l'Environmental Protection Agency (EPA) des États-Unis.

De plus, le moment et l'ampleur des rejets de méthane peuvent changer en fonction des conditions climatiques, et certaines études suggèrent que le réchauffement pourrait prolonger les saisons d'émission de méthane et augmenter les émissions maximales, ce qui modifierait le budget mondial du méthane, ce qui créerait une incertitude supplémentaire quant à la façon dont les flux de méthane influeront sur le réchauffement climatique à court terme, en soulignant la nécessité de poursuivre la surveillance et la recherche.

Révéler les écosystèmes anciens cachés

Capsules de temps du Pléistocène

Le dégel du pergélisol ne libère pas seulement des gaz à effet de serre, mais il dévoile aussi des vestiges remarquablement bien conservés d'écosystèmes anciens qui ont été enfermés pendant des dizaines de milliers d'années. Dans des régions comme la Sibérie et le Yukon, les paléontologues ont découvert des restes intacts de mégafaune emblématique de l'âge glacé, y compris des mammouths laineux, des bisons steppés et des chevaux anciens.

Le magazine Smithsonian a documenté comment ces capsules -temps congelées permettent aux scientifiques de reconstruire le biome de la steppe-tundra qui a dominé l'Arctique au cours de la dernière période glaciaire. Par exemple, en 2021, les chercheurs en Sibérie ont récupéré une carcasse d'ours de caverne estimée entre 22 000 et 39 500 ans, conservée avec peau, fourrure et organes internes intacts.

Au-delà de la mégafaune, le pergélisol abrite également des microorganismes anciens. Les scientifiques ont relancé des virus anciens viables provenant d'échantillons de pergélisol sibérien, comme le sibericum Pithovirus vieux de 30 000 ans découvert en 2014. Bien que ces résultats ouvrent de nouvelles voies pour étudier l'évolution virale et l'écologie, ils soulèvent également d'importantes considérations de biosécurité concernant les risques potentiels de libération d'agents pathogènes anciens.

Les anciennes communautés végétales et insectes

En plus des restes animaux, le pergélisol conserve une richesse de fossiles botaniques et d'insectes, y compris des graines, des brindilles, des feuilles, des tapis de mousse et des exosquelettes d'insectes datant du dernier maximum glaciaire. Ces macrofossiles permettent aux chercheurs de reconstruire les modèles de végétation passés, les régimes herbivores et les conditions climatiques.

Par exemple, l'analyse de l'ADN végétal ancien suggère que l'Arctique de l'âge de la glace se caractérise par une mosaïque diversifiée d'herbes, de carex et d'arbustes plutôt qu'une steppe homogène. Les restes d'insectes, en particulier de coléoptères et de chironomides (milliers non bitissants), servent de précieux proxies paléoclimatiques parce que leurs parents modernes ont des tolérances de température bien définies.

Ce que les écosystèmes anciens nous disent sur le changement climatique

L'étude de ces écosystèmes anciens apporte plus que la curiosité historique, car elle fournit des données essentielles pour améliorer les modèles et les projections climatiques modernes.En examinant la composition des sols, de la végétation et des réservoirs de carbone conservés dans le pergélisol au cours des périodes chaudes passées, comme la dernière interglaciaire il y a environ 125 000 ans, les chercheurs peuvent mieux comprendre la résilience et la vulnérabilité du pergélisol dans les scénarios de réchauffement.

Par exemple, les assemblages de scarabées fossiles indiquent que certaines régions arctiques ont été jusqu'à 5 °C plus chaudes durant la dernière période interglaciaire qu'aujourd'hui, mais le pergélisol n'a pas complètement disparu. Cela suggère une certaine persistance du pergélisol malgré un réchauffement important, fournissant des indices sur les points de basculement et les seuils potentiels dans le système climatique actuel.

Conséquences pour l'environnement et l'infrastructure

Érosion côtière et effondrement du paysage

Dans les régions côtières comme l'Alaska, la côte de la mer de Beaufort, les effets combinés du retrait de la glace de mer et du dégel du pergélisol accélèrent les taux d'érosion jusqu'à 10 à 20 mètres par année. Cette érosion rapide menace les communautés autochtones, les habitats naturels, les infrastructures pétrolières essentielles et les installations militaires.

De plus, les lacs d'eau douce formés sur le pergélisol peuvent s'écouler brusquement lorsque les barrages de glace sous-jacents fondent, libèrent du méthane stocké et modifient considérablement l'hydrologie locale. Le Rapport spécial du GIEC sur l'océan et la cryosphère 2019 souligne que ces changements ne sont pas seulement en cours, mais qu'ils devraient s'intensifier, ce qui pose des défis importants pour les efforts d'adaptation régionaux.

Infrastructures ensevelies : routes, pipelines et bâtiments

Une grande partie de l'environnement bâti de l'Arctique a été construite en supposant que le pergélisol resterait stable et gelé indéfiniment, notamment les infrastructures essentielles comme le pipeline Trans-Alaska, les aéroports, les routes et les bâtiments résidentiels.

La dégradation du pergélisol a causé des dommages répétés aux installations industrielles et aux réseaux de transport en Russie. La réparation et l'adaptation des infrastructures pour faire face au dégel du pergélisol sont coûteuses, les estimations laissant supposer que les dépenses pourraient atteindre des dizaines de milliards de dollars d'ici le milieu du siècle.

Conséquences climatiques mondiales : le retour d'information sur le carbone du pergélisol

Le pergélisol de réaction au carbone[ est un cycle d'auto-renforçage où le pergélisol libère des gaz à effet de serre, ce qui exacerbe le réchauffement de la planète et provoque un nouveau dégel du pergélisol. Les estimations des émissions de carbone dues au dégel du pergélisol de 2100 varient considérablement, les modèles du système terrestre projetant de 5 % à plus de 15 % du stock total de carbone du pergélisol pouvant être rejeté.

Ce mécanisme de rétroaction est particulièrement alarmant car il est largement incontrôlable une fois lancé. Si les émissions de combustibles fossiles peuvent être atténuées par l'innovation politique et technologique, les émissions de pergélisol sont une réponse naturelle au réchauffement que l'humanité a déjà mis en mouvement.

Feu et pergélisol : une synergie dangereuse

Les feux sauvages dans la toundra arctique et les forêts boréales ont augmenté en fréquence, en intensité et en durée au cours des dernières décennies. Ces feux consomment la couche organique du sol qui isole normalement le pergélisol, exposant le sol à des températures plus élevées et accélérant le dégel.

Une étude de 2020 publiée dans ] a révélé que l'activité des incendies pourrait augmenter les pertes cumulatives de carbone du pergélisol de 30 % au cours du siècle prochain. Cette synergie amplifie le risque de rejets rapides et importants de carbone, faisant de la gestion des incendies une composante essentielle des stratégies d'atténuation du climat dans les régions arctiques.

Stratégies d ' atténuation et d ' adaptation

Réduire les émissions mondiales d'abord

La façon la plus efficace de ralentir le dégel du pergélisol est de réduire les émissions de gaz à effet de serre à l'échelle mondiale et de limiter le taux de réchauffement de la planète. La réduction profonde de l'utilisation des combustibles fossiles, l'accélération du déploiement des énergies renouvelables et l'arrêt de la déforestation sont des étapes fondamentales.

Par conséquent, parallèlement aux efforts d'atténuation, il faut élaborer et mettre en œuvre des stratégies d'adaptation pour gérer les risques posés par le dégel du pergélisol et ses effets.

Interventions locales pour ralentir la dégel

Les ingénieurs et les écologistes expérimentent des techniques localisées pour préserver le pergélisol et protéger les infrastructures essentielles, notamment :

  • Les bâches réfléchissantes et les textiles réfléchissants qui réduisent le chauffage au sol en réfléchissant au rayonnement solaire, testés par des chercheurs de l'Université de l'Alaska Fairbanks, peuvent abaisser les températures du sol de 2 à 3 °C.
  • La restauration de la végétation, comme la plantation d'arbustes de saule, qui fournissent de l'ombre estivale et piègent la neige isolante en hiver, contribue à maintenir des températures plus froides dans le sol.
  • La neige artificielle augmente l'isolation pendant les mois d'hiver.
  • La restauration écologique à grande échelle, notamment la réintroduction de grands herbivores comme le bison, les chevaux et les boeufs musqués, dont le pâturage et le piétinement ont historiquement maintenu des prairies qui ont réduit l'accumulation de neige et aidé à maintenir le pergélisol plus frais pendant l'hiver.

Bien que ces stratégies soient prometteuses à l'échelle locale, leur faisabilité et leur efficacité à l'échelle du paysage ou régionale demeurent des domaines de recherche actifs.

Suivi et modélisation

Des efforts internationaux tels que le Global Terrestrial Network for Permafrost (GTN-P) coordonnent les observations à long terme, y compris les profils de température des trous de forage, les mesures d'épaisseur des couches actives et la télédétection à partir de satellites tels que la mission Soil Moisture Active Passive (SMAP) de la NASA et le Sentinel-1 de l'Agence spatiale européenne.

Les progrès de l'apprentissage automatique et de l'assimilation des données permettent désormais aux scientifiques d'intégrer les observations de terrain aux projections climatiques à haute résolution, améliorant ainsi les prévisions de l'endroit où les émissions de carbone et de dégel brusques sont les plus susceptibles de se produire.

Il est essentiel de poursuivre les investissements dans le suivi des infrastructures et la recherche interdisciplinaire pour mieux comprendre la dynamique du pergélisol et pour trouver des solutions efficaces aux défis mondiaux qu'il présente.