L'impact du changement climatique sur les écosystèmes de la toundra et le dégel du pergélisol

Les changements climatiques affectent de façon disproportionnée les régions de toundra à haute latitude et à haute altitude, où les taux de réchauffement sont presque deux fois plus élevés que la moyenne mondiale.Ces écosystèmes à forte température, caractérisés par des températures basses, des saisons de croissance courtes et un pergélisol sous-jacent, connaissent une transformation rapide.L'augmentation des températures entraîne des changements écologiques, modifie la composition des espèces et accélère le dégel du pergélisol, sol gelé qui est resté à 0 °C ou moins depuis au moins deux années consécutives.Les conséquences s'étendent bien au-delà des zones arctiques et alpines, affectant les systèmes climatiques mondiaux, les budgets carbone et les communautés humaines.

Effets sur les écosystèmes de la toundra

Changements de végétation et écologisation

L'un des changements les plus visibles dans les écosystèmes de la toundra est l'expansion des arbustes et des arbres dans des régions autrefois dominées par les mousses, les lichens et les plantes herbacées à faible croissance. Ce processus, souvent appelé écologisation arctique, a été documenté au moyen d'images satellitaires et d'études sur le terrain au cours des dernières décennies. Les étés plus chauds prolongent la saison de croissance, augmentent la disponibilité des nutriments du sol par une décomposition accrue et permettent aux espèces ligneuses comme le bouleau nain et le saule de coloniser de nouvelles régions.

Perturbation de la faune et changements dans le Web alimentaire

L'expansion des berges peut réduire la disponibilité de lichens, source essentielle de nourriture hivernale pour le caribou, tout en modifiant l'habitat des oiseaux nicheurs du sol. Les prédateurs comme les renards arctiques et les loups ajustent leur aire de répartition et la disponibilité des proies. Dans certaines régions, les renards rouges se déplacent vers le nord, ce qui dépasse les prises de renards arctiques. Les populations de limons, qui connaissent des pics cycliques et des écrasements, deviennent moins prévisibles en raison de l'évolution des conditions de neige — les phénomènes de la neige peuvent créer des couches de glace qui empêchent l'accès à la nourriture, ce qui entraîne un déclin de la population.

Cyclisme au carbone et aux nutriments modifié

Les sols de la toundra stockent de grandes quantités de carbone organique accumulées sur des milliers d'années parce que les températures froides et la décomposition lente de l'eau sont en train de s'envenimer. Au fur et à mesure que le pergélisol se dégele et que la couche active s'aggrave, les microbes ont accès à cette matière organique déjà congelée. La décomposition libère du dioxyde de carbone (CO2) dans des conditions aérobies et du méthane (CH4) dans des conditions anaérobies, deux gaz à effet de serre puissants. Les sols plus chauds accélèrent également la minéralisation de l'azote, ce qui favorise la croissance des plantes au départ, mais l'effet net est un rejet de carbone dans l'atmosphère.

Le dégel du pergélisol et ses conséquences

Le boucle de rétroaction

Le pergélisol contient entre 1 400 et 1 600 milliards de tonnes de carbone organique, soit environ le double de la quantité actuellement dans l'atmosphère. Lorsque ce carbone est libéré sous forme de CO2 et de CH4, il intensifie encore le réchauffement climatique, qui, à son tour, dégele davantage le pergélisol, un circuit de rétroaction classique. Le méthane, bien qu'il soit plus court que le CO2, a un potentiel de réchauffement planétaire plus de 80 fois plus élevé sur une période de 20 ans. Le pergélisol de la dégel libère également l'oxyde nitreux (N2O), un autre gaz à effet de serre puissant, provenant de sols riches en azote.

Changements de paysage : Thermokarst et érosion

Dans le cas du pergélisol riche en glace, la subsidence au sol crée des dépressions irrégulières appelées thermokarst. Ces caractéristiques peuvent se remplir d'eau pour former des lacs thermokarst, qui accélèrent eux-mêmes le dégel parce que l'eau absorbe plus d'énergie solaire que la toundra environnante. Au fil du temps, les lacs peuvent s'écouler, laissant derrière eux des bassins qui modifient l'hydrologie et la végétation locales.Les taux d'érosion côtière dans l'Arctique ont doublé au cours des dernières décennies, car le réchauffement des mers et la réduction de la glace de mer permettent aux vagues et aux tempêtes de réduire les bouffées de pergélisol.

Infrastructures à risque

Environ 70 % des infrastructures arctiques sont construites sur le pergélisol, y compris les routes, les aéroports, les pipelines, les bâtiments et les installations militaires. Le pergélisol se réchauffe et perd sa capacité portante, les fondations se déplacent, causant des dommages structurels. Le coût de l'adaptation ou du remplacement des infrastructures en Alaska devrait atteindre des milliards de dollars d'ici la fin du siècle. Le réseau de pipelines Trans-Alaska, conçu avec des appuis verticaux pour accueillir le dégel, a déjà connu une instabilité au sol.

Communautés humaines et peuples autochtones

Pour les communautés autochtones de l'Arctique, le dégel du pergélisol menace directement les moyens de subsistance, la sécurité alimentaire et la continuité culturelle. Beaucoup comptent sur des terrains gelés pour se déplacer, chasser et stocker les aliments traditionnels dans les caves à glace. Comme le dégel du pergélisol, les caves à glace s'effondrent ou inondent, gâchent la viande et le poisson stockés. L'érosion côtière oblige à déplacer des villages entiers – des endroits comme Shishmaref et Newtok en Alaska ont déjà commencé à se déplacer à l'intérieur des terres. La perte de glace marine affecte également la chasse aux mammifères marins, source vitale de nutrition et d'identité culturelle.

Incidences sur le climat mondial

Les modèles suggèrent que, dans le cadre de scénarios à fortes émissions, les émissions cumulatives de carbone de pergélisol pourraient ajouter de 0,2 à 0,5 °C au réchauffement de la planète de 2100. Ce réchauffement supplémentaire n'est pas pris en compte dans la plupart des scénarios d'émissions du GIEC, ce qui signifie que les objectifs climatiques peuvent être plus difficiles à atteindre. De plus, le rejet de carbone ancien, qui remonte à quelques milliers d'années, représente une perte irréversible du cycle du carbone terrestre. Même si les émissions sont rapidement réduites, le réchauffement déjà engagé continuera de provoquer le dégel de pergélisol pendant des décennies à des siècles.

Suivi et recherche

Satellite et télédétection

Les satellites Terra et Aqua de la NASA, qui transportent l'instrument MODIS, suivent la végétation verte (NDVI) dans l'Arctique. Le satellite SMAP mesure l'humidité du sol et le radar d'ouverture synthétique de l'ESA détecte les mouvements de surface du sol indiquant le dégel. Des satellites comme ICESat-2 et la mission GRACE-FO surveillent les changements dans l'élévation de la surface du sol et le stockage des eaux souterraines, respectivement. Ces données sont intégrées aux mesures au sol effectuées à partir d'observatoires de pergélisol et de réseaux de température des trous de forage.

Capteurs au sol et études de terrain

Les scientifiques installent des chaînes de thermistors dans les forages pour mesurer les profils de température du sol au fil du temps. Les capteurs de profondeur de neige, les sondes d'humidité du sol et les tours de covariance de eddy mesurent les flux de CO2 et de CH4 entre la toundra et l'atmosphère. Les campagnes sur le terrain permettent également d'échantillonner la teneur en carbone du sol, les communautés microbiennes et la composition de la végétation.

Modélisation et projections

Les modèles du système terrestre intègrent la dynamique du pergélisol, mais il subsiste d'importantes incertitudes, notamment la variabilité spatiale de la glace de fond, le rôle de la profondeur de la matière organique du sol et les réponses microbiennes à la température. Le dégel entraîne des interactions complexes entre l'hydrologie, la végétation et la biogéochimie difficiles à simuler.

Stratégies d ' atténuation et d ' adaptation

Réduction des émissions de gaz à effet de serre

La décarbonisation rapide des systèmes énergétiques, l'amélioration des pratiques d'utilisation des terres et la réduction des émissions de méthane provenant de l'agriculture et de l'extraction des combustibles fossiles sont toutes nécessaires. Une certaine attention a été accordée aux scénarios de « dépassement » possibles où le réchauffement temporaire pourrait déclencher de grands rejets de carbone par le pergélisol difficiles à inverser.

Conservation et gestion des écosystèmes

La protection de vastes zones de toundra contre le développement peut réduire la dégradation directe de l'habitat et empêcher l'ouverture de nouvelles voies d'activité industrielle. Les aires de conservation dirigées par des Autochtones, comme les aires protégées proposées dans l'Arctique canadien, visent à préserver l'intégrité écologique et les pratiques culturelles.

Solutions d'ingénierie et adaptation des infrastructures

Pour les infrastructures existantes, les mesures d'adaptation comprennent l'installation de thermosyphons (dispositifs de refroidissement passifs) qui extrait la chaleur du sol, l'utilisation de coussinets de gravier isolants et l'élévation de bâtiments sur des pieux réglables qui peuvent être réajustés au fur et à mesure que se produit le peuplement. La conception des routes et des aéroports peut intégrer des géotextiles et des couches de gravier plus épaisses pour préserver le régime thermique.

Adaptation sous l'égide de la Communauté

Les communautés autochtones et locales sont en première ligne du dégel du pergélisol et élaborent des stratégies d'adaptation qui combinent les connaissances traditionnelles et la science moderne, notamment le déplacement des saisons de chasse et de pêche, la diversification des sources alimentaires, la construction d'un entrepôt alimentaire au moyen de la réfrigération moderne et l'élaboration de mesures de protection contre les inondations et l'érosion.

Conclusion

Le changement climatique modifie fondamentalement les écosystèmes de la toundra et entraîne un dégel généralisé du pergélisol avec de profondes conséquences locales et mondiales. La perte de pergélisol riche en glace non seulement transforme les paysages et perturbe les communautés sauvages et humaines, mais libère également des gaz à effet de serre qui renforcent le réchauffement.Bien que la surveillance et la recherche aient amélioré notre compréhension de ces processus, d'importantes incertitudes subsistent, notamment en ce qui concerne le moment et l'ampleur des rejets de carbone.