Pergélisol

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.
(Redirigé depuis Permafrost)
Aller à : navigation, rechercher
Pergélisol actuel de l'hémisphère Nord. En violet : zones de pergélisol, en bleu roi : sol gelé 15 jours par an, en rose : sol gelé en intermittence moins de 15 jours par an, ligne de la couverture d'enneigement continu saisonnière maximale (NASA).
Paysage de polygones de toundra : en période de dégel, le réseau de coins de glace mis en relief
Coin de glace en coupe
Solifluxion dans l'archipel du Svalbard

Le pergélisol (en anglais : permafrost, en russe : вечная мерзлота, vetchnaïa merzlota) désigne la partie d'un cryosol gelé en permanence, au moins pendant deux ans, et de ce fait imperméable[1],[2].

Carte distinguant différents types de pergélisols dans l'hémisphère Nord
Pour étudier le pergélisol (ici en Alaska), les chercheurs doivent utiliser des outils comme le marteau-piqueur
Le pergélisol devient instable en se réchauffant (ici fissures visibles en Suède, sur le plateau tourbeux sur pergélisol de Storflaket près d'Abisko, en lisière de la zone restée froide. Ces zones peuvent libérer du méthane, qui contribue à réchauffer l'atmosphère
Cryosphere atlas northleg122159163110472.pngLocalisation ; NSIDC

Ses formations, persistance ou disparition, et son épaisseur sont très étroitement liées aux changements climatiques. C'est pourquoi le pergélisol est étudié en tant qu'indicateur du réchauffement climatique par un réseau mondial de chercheurs s'appuyant sur des sondages, des mesures de température et un suivi satellitaire, à l'initiative du réseau mondial de surveillance terrestre du pergélisol[3].

Le permafrost existe non seulement dans les hautes latitudes (permafrost polaire et subpolaire) mais également dans les hautes altitudes (parois sub-verticales jusqu'à 3 500 m d'altitude du permafrost alpin). Il couvre un cinquième de la surface terrestre dont 90 % du Groenland, 80 % de l'Alaska, 50 % du Canada et de l’ex-Union soviétique. Il est généralement permanent au-delà du 60e degré de latitude et est plus sporadique pour le permafrost alpin[4].

Gel et circulation de l'eau[modifier | modifier le code]

Paradoxalement, la congélation du sol en modifie les propriétés physique (gonflement, changement de porosité...)[5],[6], mais de l'eau libre peut se former dans la glace elle-même[7], de même que dans un sol gelé[8] et une certaine conductivité hydraulique existe dans les sols gelés, plus ou moins importante selon la température, la saison[9] et le type de substrat[10] et de sol[11],[12], leur degré de « saturation »[13] et leur porosité[14]. Cette conductivité peut être mesurée[15], de même que la perméabilité d'un sol gelé[16]. Ce phénomène a une importance pour la circulation des nutriments qui alimentent la végétation de surface et les organismes du sol, mais aussi le cas échéant de polluants (ex : retombées de Tchernobyl ou aérosols ou gaz apportés par les pluies/neiges polluées par d'autres éléments). Dans les écosystèmes terrestres froids de type Taïga, toundra, ce cycle particulier de l'eau régule la vie du sol et affecte la vie de surface (via les fonctions des racines, mycorhizes, zones humides temporaires, etc.).
La circulation de l'eau dans un sol gelé correspond aussi à de lents (inertie d'autant plus forte que le pergélisol est épais) et subtils transferts de calories[17],[18],[19] qui peuvent réveiller des colonies bactériennes, fongiques ou symbiotiques des arbres et herbacées. Un sol gelé conserve donc une certaine capacité d'infiltration[20], voire de filtration. En surface des phénomènes de Cryoturbation peuvent compliquer les modélisations de transferts d'eau et de calorie.

Extensions passées et actuelle[modifier | modifier le code]

Actuellement, il représente environ 20 % de la surface mondiale, 25 millions de km², dont un quart des terres émergées de l'hémisphère Nord[21].

Le dernier maximum d'extension date d'il y a 18 000-20 000 ans lors du Dernier Maximum Glaciaire (DMG), alors que par exemple toute la moitié Nord de la France était gelée et le niveau de la mer beaucoup plus bas d'environ 120 m. Le minimum d'extension date d'il y a 6 000 ans lors de la phase Atlantique dit «  optimum Holocène  ». Depuis, hormis un réchauffement de quelques siècles dans les années 800 (ap. J.-C.) lors de l’optimum climatique médiéval, avant le Petit Âge Glaciaire (PAG), les étés de l'hémisphère Nord se sont refroidis provoquant une tendance à l'extension territoriale du pergélisol.

Pour définir l'extension passée du pergélisol, il faut pouvoir recueillir des traces inscrites dans les sédiments comme le loess. Il s'agit par exemple de "fentes en coin" témoignant d'un réseau de polygones de toundra, des traces de solifluxion, ou de structures microscopiques dans des sédiments argileux qui indiquent la présence de glace et l'intensité du gel dans le sol (ségrégation de glace). Mais dans les terrains sans formations superficielles meubles, il est beaucoup plus difficile de connaître l'extension passée et de différencier par exemple entre pergélisol continu et discontinu.

En limite sud, le pergélisol à une température proche de zéro en été pourrait rapidement fondre. Le Canada envisage que sa limite sud puisse ainsi remonter de 500 km vers le nord en un siècle. Un peu plus vers le nord, seule la « couche active » gagnera de l'épaisseur en été, induisant une pousse de la végétation mais aussi des mouvements de terrain déterminant des phénomènes de « forêt ivre », des modifications hydrologiques et hydrographiques et des émissions accrues de méthane, le développement des populations de moustiques, etc. Certains modèles (canadiens) estiment que les effets significatifs apparaîtront dans les années 2025 à 2035[réf. nécessaire].

Le pergélisol occupait une surface bien plus vaste lors des périodes glaciaires du Quaternaire mais il contribue néanmoins à une forte inertie thermique des milieux des pays nordiques. On distingue des très hautes latitudes ou altitudes vers des latitudes plus septentrionales, un pergélisol continu, d'un pergélisol discontinu voire sporadique. La zone du pergélisol discontinu est tributaire de facteurs stationnaires (orientation du versant, protection thermique par un lac, une forêt, etc.).

Dans sa partie septentrionale, la couche de sol la plus superficielle dégèle en été. Sur ce mollisol ou couche active, lors de la courte saison végétative, quelques plantes et organismes se développent, alors que ni les racines ni les animaux ne peuvent pénétrer le pergélisol vrai.

Caractéristiques[modifier | modifier le code]

Là où il est présent depuis plusieurs cycles glaciaires, le pergélisol peut être épais de plusieurs centaines de mètres :

  • de 440 mètres à Barrow (Alaska) à environ 750 m dans l'arctique canadien
  • environ 600 mètres en Sibérie orientale avec des maxima pouvant aller jusqu'à plus de 1 000 mètres dans certaines régions (monts de Verkhoïansk)

Les sols gelés de l’Arctique ont environ 1 668 milliards de tonnes de CO2[22].

La dégradation en profondeur de ce pergélisol se fait par advection de chaleur : de l'eau à l'état liquide circule dans les fractures en profondeur et dégèle la glace.

La zone dite « active »[modifier | modifier le code]

C'est la zone en surface qui dégèle en été par conduction de chaleur depuis la surface (approfondissement de la couche active). Elle varie selon l'altitude et la latitude, mais aussi dans l'espace et dans le temps au rythme des glaciations et réchauffements, parfois brutalement dès que l'enneigement recule et laisse apparaître un sol foncé qui capte la chaleur que l'albédo des glaces et neige renvoyaient vers le ciel. Cette zone est aujourd’hui généralement profonde de quelques centimètres à quelques décimètres. À sa limite sud, où elle est moins épaisse, elle pourrait s'étendre rapidement vers le nord. Dans les zones nordiques l'architecture repose aujourd'hui sur des pieux enfoncés à plusieurs mètres de profondeur, et il est recommandé de conserver un vide sous la maison.

Dans les Alpes, le pergélisol se retrouve au-dessus de 2 500 mètres sur les ubacs. Un dégel de ces zones pourrait provoquer des éboulements importants.

En Suisse, l'Office fédéral de l'environnement (OFEV) a publié une carte et une liste actualisée des zones habitées particulièrement menacées[23]. Les dangers d'éboulements existent surtout pour les localités qui se situent au fond des vallées. Parmi elles figure la commune de Zermatt, entourée par trois pans de montagne qui reposent sur du pergélisol. La liste mentionne également Saint-Moritz, Saas Balen et Kandersteg. La probabilité qu'un gros événement se produise augmente avec la fonte croissante de la glace. Le risque ne porte pas seulement sur le fait que d'importantes masses de roches se détachent, mais que celles-ci provoquent des réactions en chaîne qui pourraient engendrer des dégâts dans les zones habitées, comme ce fut le cas dans le Caucase. Dans cette région, en 2002, un effondrement rocheux de quelques millions de mètres cubes a entraîné tout un glacier avec lui, provoquant un gigantesque glissement de terrain qui a totalement détruit une vallée de plus de trente-trois kilomètres.

La fonte de la glace du pergélisol est susceptible de créer des thermokarsts, des phénomènes de solifluxion et des mouvements importants des sols, ce qui inquiète car de nombreuses constructions, ainsi que des oléoducs sont posés sans fondations sur ces sols. Des villes entières sont construites sur le pergélisol comme Iakoutsk posée sur trois cent mètres de sol et roches congelés, où la température moyenne annuelle a augmenté de °C en trente ans sans conséquence observable en profondeur à ce jour, selon l'Institut du pergélisol fondé dans cette ville.

Même si le sol ne fond pas, un réchauffement différentiel entre les couches superficielles et profondes de sol ou entre des éléments plus ou moins riches en eau des couches supérieures de sol pourrait provoquer des dégâts importants par dilatation différentielle[24].

Construction sur Pergélisol dans le centre de Yakoutsk

Références[modifier | modifier le code]

  1. Elizabeth Kolbert, Dans l’Arctique en plein dégel, dans Courrier international, no 766, 7 juillet 2005, [lire en ligne]
  2. Alain Foucault et Jean-François Raoult, Dictionnaire de Géologie - 7e édition, Dunod,‎ 2010, 416 p. (ISBN 978-2-100-55588-8, lire en ligne), p. 267
  3. site du réseau mondial de surveillance terrestre du pergélisol
  4. Nicola Deluigi, « [Modélisation de la répartition du pergélisol alpin à l'aide de l'apprentissage automatique] » , Institut de géographie, Université de Lausanne, janvier 2012
  5. (en) R. D. Miller, Freezing phenomena in soils, in Applications of Soil Physics, édité par D. Hillel, Elsevier, New York, 1980, pp. 254–289.
  6. (en) E. J. A. Spaans, J. M. Baker, The soil freezing characteristic : Its measurement and similarity to the soil moisture characteristic, Soil Sci. Soc. Am. J., 1996, no 60, p. 13–19
  7. (en) J. G. Dash, H. Fu, J. S. Wettlaufer, The premelting of ice and its environmental consequences, Rep. Prog. Phys., 1995, no 58, p. 115–167, doi:10.1088/0034-4885/58/1/003.
  8. (en) P. Williams, Unfrozen water content of frozen soil and soil moisture suction, in Geotechnique, n°14, 1964, p. 231–246.
  9. Flerchinger, G. N., M. S. Seyfried, and S. P. Hardegree (2006), Using soil freezing characteristics to model multi-season soil water dynamics, Vadose Zone J., 5, 1143–1153.
  10. (en) K. Horiguchi, R. D. Miller, Hydraulic conductivity of frozen earth materials, in Proceedings of the 4th International Conference on Permafrost, 1983, p. 504–509, Natl. Acad. Press, Washington, D.C.
  11. Burt TP, Williams PJ. 1976. Hydraulic conductivity in frozen soils. Earth Surf Process. 1: 349-360
  12. Water resources research, vol. 44, W12402, doi:10.1029/2008WR007012, 2008, résumé, avec lien vers article complet
  13. (en) K. Watanabe, T. Wake, Hydraulic conductivity in frozen unsaturated soil, in Proceedings of the 9th International Conference on Permafrost, édité par D. L. Kane et K. M. Hinke, pp. 1927–1932, University of Alaska Fairbanks, Fairbanks, Alaska, 2008.
  14. (en) T. J. Marshall, A relation between permeability and size distribution of pores, J. Soil Sci., n°9, 1958, p. 1–8, doi:10.1111/j.1365-2389.1958.tb01892.x.
  15. (en) T. P. Burt, P. J.Williams, Hydraulic conductivity in frozen soils, Earth Surf. Processes, n°1, 1976, p. 349–360, doi:10.1002/esp.3290010404.
  16. (en) E.C. Childs, N. Collis-George, The permeability of porous materials, Proc. R. Soc. London, Ser. A, n°201, 1950, p. 392–405, doi:10.1098/ rspa.1950.0068
  17. (en) K. Hansson, J. S ˇ imu°nek, M. Mizoguchi, L.-C. Lundin, M. T. van Genuchten, Water flow and heat transport in frozen soil : Numerical solution and freeze-thaw applications, Vadose Zone J., n°3, 2004, p. 693–704
  18. (en) Y. W. Jame, D. I. Norum, Heat and mass transfer in freezing unsaturated porous media, Water Resour. Res., n°16, 1980, p. 811–819
  19. (en) G. P. Newman, G. W. Wilson, Heat and mass transfer in unsaturated soils during freezing, Can. Geotech. J., n°34, 1997, p. 63–70, doi:10.1139/cgj-34-1-63.
  20. (en) M. Stähli, P.-E. Jansson, L.-C. Lundin, Soil moisture redistribution and infiltration in frozen sandy soils, Water Resour. Res., n°35, 1999, p. 95–103
  21. Katey Walter Anthony, Méthane, un péril fait surface, n°390, Pour la Science, (avril 2010), p. 73
  22. Des centaines milliards de tonnes de CO2 libérées brutalement dans l’atmosphère ?Publié le 26 avril 2004
  23. Sonntagszeitung, 6 juillet 2006
  24. La « mine climatique » de la merzlota risque-t-elle d'exploser? Article de RIA Novosti 2 janvier 2008.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]