Hydrologie sous-glaciaire et poches d'eau
Sous la surface immobile et silencieuse d'un glacier se cache un monde en mouvement constant : un réseau complexe de canaux, de cavités et de films d'eau qui relie la surface à la base du glacier et qui joue un rôle déterminant dans la dynamique globale de l'écoulement glaciaire. L'hydrologie sous-glaciaire est l'une des branches les plus actives de la glaciologie contemporaine, car comprendre comment l'eau se comporte sous les glaciers est indispensable pour prévoir leur réponse au changement climatique et les risques qu'ils font peser sur les populations en aval.
L'eau qui entre dans un glacier peut avoir plusieurs origines. La fonte en surface, alimentée par le rayonnement solaire et la chaleur de l'air, produit de grandes quantités d'eau en été sur tous les glaciers tempérés. Cette eau s'infiltre dans la glace par des fractures, des crevasses et des formations particulières appelées moulins, des puits verticaux naturels qui peuvent descendre jusqu'à plusieurs centaines de mètres de profondeur. L'eau géothermale libérée par le substrat rocheux, et dans certains cas la chaleur produite par la friction à la base du glacier, contribuent également à maintenir une zone de fusion à l'interface glace-roche même en hiver.
Les moulins et les voies d'entrée de l'eau
Les moulins sont parmi les formes glaciaires les plus impressionnantes et les plus importantes fonctionnellement. Ces cylindres de glace, parfois aussi larges que plusieurs mètres, sont creusés par des cours d'eau de fonte qui s'y engouffrent en cascades et descendent en tourbillonnant vers la base du glacier. Sur le Groenland, les moulins du secteur Jakobshavn ont été étudiés en détail car ils constituent la voie principale par laquelle les eaux de fonte de surface atteignent la base de l'inlandsis et lubrifient le contact glace-roche, accélérant ainsi le glissement basal.
La profondeur d'un moulin est limitée par la pression hydrostatique : à grande profondeur, la pression de la glace environnante tend à refermer le conduit, sauf si la pression de l'eau à l'intérieur est suffisante pour maintenir le conduit ouvert. La relation entre la pression de l'eau et la géométrie des conduits sous-glaciaires est au cœur des modèles hydrologiques modernes.
Les canaux de Röthlisberger
Une fois à la base du glacier, l'eau ne s'écoule pas uniformément mais tend à se concentrer dans des chenaux creusés dans la glace basale. Ces conduits, appelés canaux R (pour Röthlisberger, du nom du glaciologue suisse qui les a décrits théoriquement dans les années 1970), fonctionnent selon un principe contre-intuitif : ils tendent à se concentrer en un réseau ramifié de canaux principaux plutôt que de se disperser en un réseau diffus.
La logique de ce comportement est thermodynamique. Dans un canal principal transportant un fort débit, la dissipation d'énergie est plus importante, ce qui produit plus de chaleur de fusion et permet au canal de s'agrandir. Les petits tributaires, avec moins de débit, perdent de la glace par gel et tendent à se refermer. Ce mécanisme de concentration produit un réseau dendritique similaire à celui d'un réseau fluvial de surface, mais à l'envers : les principaux chenaux drainent vers eux l'eau des zones environnantes.
Les cavités et le film d'eau basal
En dehors des canaux principaux, l'eau peut également se trouver sous forme d'un film très mince à l'interface glace-roche, ou dans des cavités qui se forment dans le sillage des aspérités rocheuses du lit. Ces cavités existent là où la pression de la glace sus-jacente est insuffisante pour maintenir la glace au contact du substrat.
La proportion relative de l'eau basal répartie entre canaux, cavités et film a des conséquences directes sur la vitesse de glissement du glacier. Lorsque l'eau est concentrée dans des canaux bien développés, la pression d'eau est relativement faible et le glacier glisse modérément. En revanche, lorsque les canaux sont fermés (notamment en fin d'hiver avant que la fusion saisonnière ne les rouvre) et que l'eau s'accumule dans les cavités en élevant leur pression, le glissement basal peut s'accélérer considérablement. Ce phénomène est particulièrement bien documenté sur les glaciers de montagne tempérés et produit les accélérations saisonnières observées sur de nombreux glaciers au printemps, lors de la première grande fonte de surface.
Explorez la carte mondiale des glaciers pour visualiser les principaux systèmes glaciaires dont l'hydrologie sous-glaciaire a été étudiée en détail.
Les lacs sous-glaciaires
La forme la plus spectaculaire de stockage d'eau sous un glacier est le lac sous-glaciaire. Ces plans d'eau peuvent exister pendant des millénaires sous d'épaisses couches de glace, isolés de toute communication avec la surface ou avec l'extérieur. Le lac Vostok en Antarctique, situé sous environ 4 kilomètres de glace, est le plus grand lac sous-glaciaire connu : il couvre environ 12 500 kilomètres carrés, soit à peu près la superficie du lac Ontario. Ses eaux auraient été isolées de l'atmosphère pendant au moins 15 millions d'années.
La question de la vie dans ces lacs sous-glaciaires est l'une des plus fascinantes de la biologie contemporaine. Les organismes qui y survivent, s'ils existent, auraient développé des adaptations à l'obscurité totale, aux pressions extrêmes et à la quasi-absence de nutriments. Les échantillons prélevés dans les couches glaciaires situées juste au-dessus du lac Vostok ont révélé la présence de matériel génétique bactérien, suggérant que des formes de vie existent effectivement dans ces eaux isolées.
Les poches d'eau et les risques associés
Les poches d'eau sous-glaciaires représentent un risque spécifique pour les alpinistes et les explorateurs de glaciers. Ces poches peuvent se former lorsque de l'eau de fonte s'accumule dans une dépression du lit rocheux sous le glacier et que les conditions ne permettent pas son drainage immédiat. Leur taille est très variable, de quelques mètres cubes à plusieurs millions de mètres cubes pour les plus grandes.
Le risque vient de leur capacité à se vider soudainement, produisant des débits instantanés très élevés. En Islande, ces vidanges soudaines sous-glaciaires, appelées jökulhlaup en islandais, sont bien documentées dans le contexte des éruptions volcaniques sous-glaciaires : l'activité géothermale sous le Vatnajökull fond la glace et crée des poches d'eau qui se vident périodiquement dans des crues dévastatrices.
Les jökulhlaup non volcaniques existent également. Le glacier Skeiðarárjökull, une langue du Vatnajökull, a produit des vidanges régulières en relation avec la dynamique du lac sous-glaciaire Grímsvötn. L'étude de ces événements a largement contribué à développer les modèles théoriques actuels de l'hydrologie sous-glaciaire.
Les implications pour la dynamique des glaciers et la montée des eaux
La compréhension de l'hydrologie sous-glaciaire est directement liée à la prévision de la contribution des grands glaciers et calottes polaires à la montée du niveau des mers. Les modèles qui ignorent les processus hydrologiques sous-glaciaires sous-estiment systématiquement la vitesse d'écoulement des glaciers vers la mer, et donc leur taux de vêlage d'icebergs.
Sur la calotte groenlandaise, l'accélération de plusieurs glaciers émissaires au cours des vingt dernières années est en partie attribuée à l'augmentation des apports d'eau de fonte en surface qui, en atteignant la base de la calotte par les moulins, lubrifient le contact glace-roche et permettent un glissement plus rapide. La vitesse du glacier Jakobshavn Isbrae a plus que doublé entre 1997 et 2003, un changement partiellement lié à des modifications de son régime hydrologique basal.
L'hydrologie sous-glaciaire reste un domaine de recherche actif et en partie inaccessible à l'observation directe. Les méthodes d'investigation incluent l'injection de traceurs colorés dans des moulins pour suivre la vitesse et les chemins de transit de l'eau, la sismologie passive pour détecter les écoulements en profondeur, et les forages permettant d'installer des capteurs de pression au fond des glaciers. Chaque avancée dans ce domaine améliore notre capacité à prévoir l'évolution des glaciers dans un climat en réchauffement.