Des nuages ​​aux fjords, l’Arctique témoigne du changement climatique

Le changement climatique est particulièrement intense en Arctique. Pour évaluer ses conséquences et déterminer le rôle de cette région dans le réchauffement climatique, deux équipes de scientifiques de l’EPFL se sont rendues sur place. L’une pour mieux comprendre la composition de l’air de la région, l’autre pour quantifier les gaz à effet de serre séquestrés dans les fjords du Groenland par les eaux glaciaires.

Dans l’Arctique, une région où les températures augmentent trois à quatre fois plus vite que partout ailleurs sur Terre. Parallèlement, la quantité de « vie » dans l’océan Arctique augmente, ce qui affecte la production d’aérosols biologiques et a un impact sur la formation des nuages.

Julia Schmale, directrice du Laboratoire de recherche sur les environnements extrêmes (EERL) de l’EPFL, et son groupe de recherche s’efforcent de quantifier ce processus crucial. L’augmentation des nuages ​​dans l’Arctique pourrait réchauffer ou refroidir la région, selon l’étendue de la banquise.

« Nous savons que les nuages ​​arctiques sont généralement constitués de gouttelettes d’eau et de cristaux de glace », explique Schmale. « Mais il reste encore beaucoup à apprendre sur leur composition exacte et sur la façon dont ils se forment. »

« Par exemple, les graines des gouttelettes d’eau et des cristaux de glace : s’agit-il de sel marin, de particules organiques, de particules inorganiques ou de poussière minérale ? Et surtout, quel pourcentage de ces graines provient de sources naturelles et quel pourcentage de l’activité humaine ? »

Début d’une réponse

Deux études menées par le groupe de recherche de Schmale apportent un éclairage sur ce domaine d’étude complexe et stratégique. Elles se sont penchées plus particulièrement sur les particules d’aérosols naturelles qui agissent comme des graines de nuages, c’est-à-dire sur les graines qui permettent la formation de cristaux de glace dans les nuages.

La première étude, publiée dans Anthologie des sciences élémentairesquantifie pour la première fois la quantité d’aérosols biologiques fluorescents contenus dans l’air arctique. Ces aérosols sont principalement des bactéries et des particules contenant des acides aminés qui sont produites dans l’océan ou sur terre.

Ils sont très efficaces pour ensemencer des cristaux de glace : la glace commence à se former à –9°C, alors qu’avec les poussières minérales, par exemple, la glace commence à se former vers –20°C.

Cette étude s’appuie sur des données recueillies sur un brise-glace pendant une année entière (entre 2019 et 2020) lors de l’expédition MOSAIC. « Nous avons utilisé un instrument laser pour mesurer seconde par seconde la fluorescence des particules dans l’air », explique Schmale.

« Les particules fluorescentes sont généralement d’origine biologique. » Ces données ont permis aux scientifiques d’estimer la concentration d’aérosols biologiques naturels dans l’air et de formuler des hypothèses sur leur origine.

En hiver, par exemple, les scientifiques ont observé des « explosions » de ces aérosols, ce qui est surprenant étant donné que l’océan est gelé à cette époque et qu’il n’y a pas beaucoup d’activité biologique. Les scientifiques ont émis l’hypothèse que les aérosols avaient été transportés, par exemple dans les nuages, depuis des zones éloignées.

En juin, la concentration d’aérosols biologiques a commencé à augmenter considérablement, coïncidant avec un pic d’activité biologique mesuré par des niveaux élevés de chlorophylle dans l’eau.

On a également observé une forte augmentation de la quantité de particules de nucléation de glace à -9 °C. Bien qu’aucune causalité directe n’ait pu être démontrée, cela indique clairement que les particules biologiques d’origine locale contribuent à la nucléation de la glace dans les nuages ​​dans le centre de l’Arctique. Des processus parallèles ont été observés au cours de l’année.

« Il est intéressant de noter que la production de chlorophylle a diminué à l’automne et que les microbes de plus grande taille présents dans l’eau de mer ont été remplacés par des microbes plus petits, ce qui a entraîné une diminution de la taille des aérosols fluorescents », explique Schmale. « Cela reflète une transition microbienne marine saisonnière qui s’est également produite dans l’air. »

Analyse de l’apprentissage automatique

La deuxième étude, publiée dans npj Sciences du climat et de l’atmosphèreest basé sur une analyse d’apprentissage automatique des mesures d’aérosols et des données météorologiques au cours de la dernière décennie.

Cette étude est la première à identifier les facteurs météorologiques à l’origine de la production d’acide méthanesulfonique (MSA), un aérosol marin important créé par les proliférations de phytoplancton, et la manière dont cette production va probablement évoluer au cours des 50 prochaines années. L’AMS est un élément clé des noyaux de condensation des nuages, ou des graines des gouttelettes de nuages, et est donc pertinent pour le climat.

Parallèlement, l’étude Climate and Atmospheric Science a examiné les tendances possibles de l’AMS dans l’Arctique. Les scientifiques de l’EERL ont travaillé avec le Centre suisse des sciences des données pour combiner les observations sur le terrain avec les analyses des données météorologiques et des rétrotrajectoires des masses d’air.

Ils ont développé un modèle basé sur les données afin de mieux comprendre les facteurs responsables de la production actuelle d’AMS. Par exemple, les scientifiques ont découvert que le rayonnement solaire, la couverture nuageuse et la teneur en eau des nuages ​​sont des facteurs critiques, mettant en évidence des processus chimiques atmosphériques spécifiques.

L’équipe de recherche a ensuite calculé les tendances de ces facteurs au cours des dernières décennies et les a extrapolées pour esquisser des scénarios de saisonnalité de l’AMS dans l’Arctique à l’avenir.

« Notre principale conclusion est qu’il y aura probablement moins de MSA au printemps et beaucoup plus à l’automne », explique Schmale. « Cela est dû aux changements saisonniers des précipitations au printemps et à un recul marqué de la glace de mer à l’automne. » Cela suggère que le changement climatique affecte les aérosols qui influencent la formation des nuages, ce qui affecte à son tour le changement climatique.

Poser les bonnes questions

Les scientifiques planifient déjà une autre expédition internationale dans l’Arctique et préparent un navire de recherche – la station polaire Tara – pour recueillir des données sur l’Arctique central au cours des 20 prochaines années.

« Les avancées réalisées par ces deux études sont fascinantes à mon avis, car elles montrent à quel point les sources naturelles de particules d’aérosols sont importantes pour le système climatique arctique et suggèrent que ces sources changeront radicalement dans les décennies à venir », déclare Schmale.

« Ces premiers résultats nous indiquent qu’il est urgent de mener davantage de recherches pour prédire à quoi ressemblera l’Arctique en 2050. Ils nous aideront à poser les bonnes questions pour les études futures dans ce domaine. »

Les gaz stockés dans les fjords du Groenland pourraient contribuer au réchauffement climatique

En juin 2024, une autre équipe de scientifiques de l’EPFL a parcouru deux fjords sauvages du Groenland. Dans les profondeurs de ces criques alimentées par des glaciers centenaires, ils cartographient la quantité de deux gaz à effet de serre dissous dans l’eau en profondeur.

Ils souhaitent déterminer si ces gaz à effet de serre pourraient potentiellement amplifier le réchauffement climatique via un mécanisme de rétroaction naturel inconnu. Ce projet fait partie de l’expédition internationale GreenFjord, prévue de 2022 à 2026, financée par l’Institut polaire suisse et dirigée scientifiquement par Julia Schmale.

« Nous apportons notre expertise technologique au Groenland, en concevant les instruments adéquats pour analyser les gaz à effet de serre dissous dans les environnements aquatiques et documenter leur variabilité spatiale. Notre objectif est de répondre à des questions fondamentales sur le rôle du Groenland dans l’avenir du changement climatique mondial », explique Jérôme Chappellaz, qui dirige le laboratoire SENSE (Smart Environmental Sensing in Extreme Environments) de l’EPFL.

Au cours des périodes interglaciaires passées, lorsque le Groenland a partiellement fondu, il est possible que les régions fondues aient été couvertes de toundra et de forêts boréales, connues pour produire des sols riches en matière organique. Lorsque ces sols riches en matière organique se décomposent, ils émettent du dioxyde de carbone et du méthane, ce qui est l’une des raisons pour lesquelles les scientifiques s’intéressent tant à la contribution du Groenland aux émissions mondiales.

Notez que les glaciers du Groenland sont différents de ceux de la Suisse.

« Il est très peu probable que l’on rencontre le même phénomène dans les glaciers suisses puisqu’ils se sont formés à très haute altitude où la végétation est quasi inexistante », explique Chappellaz.

Impacts sur la microbiologie

Les fjords sont des criques longues, étroites et profondes de la mer entre de hautes falaises, généralement formées par la submersion d’une vallée glaciaire.

Chappellaz et son équipe bénéficient d’un projet interdisciplinaire baptisé GreenFjord, coordonné par Julia Schmale, qui dirige le Laboratoire de recherche sur les environnements extrêmes (EERL) de l’EPFL. Ils ont mis au point des instruments de pointe spécifiquement destinés à mesurer le méthane (CH4) et l’oxyde nitreux (N2O) dissous à différentes profondeurs d’eau dans les deux fjords du sud-ouest du Groenland, jusqu’à 700 m de profondeur.

Le fjord alimenté par un glacier à terminaison marine est en fait constitué d’un continuum de fjords, Ikersuaq, Brederfjord et Sermilik, où l’eau du glacier arrive du dessous du glacier flottant dans le fjord puis dans la mer du Labrador, formant progressivement une couche d’eau glaciaire flottant au-dessus de l’eau de mer.

En revanche, le fjord Tunulliarfik, habité par la colonie d’Igaliku fondée en 1783, prend sa source dans un glacier qui se termine sur terre et où l’eau de fonte des glaciers envahit la surface des eaux du fjord dès le début du fjord lui-même.

« Les caractéristiques distinctes des deux environnements génèrent de grandes différences dans la structure physique de la colonne d’eau ainsi que dans l’apport de nutriments, ce qui affecte la microbiologie des deux fjords et le devenir de ces deux gaz à effet de serre. C’est ce que nous souhaitons comparer et quantifier. Dans le cas d’une calotte glaciaire du Groenland en voie de désintégration, on peut se demander si de tels mécanismes pourraient ajouter une autre source inattendue d’émissions de gaz à effet de serre à celles d’origine humaine », explique Chappellaz.

Une source inattendue de gaz à effet de serre ?

Chappellaz et son équipe ont visité les fjords maritimes et terrestres à bord du navire océanographique Sanna. À bord du voilier suisse Forel, ils se sont concentrés sur le fjord maritime. Les scientifiques ont pu s’approcher suffisamment du front glaciaire dans le fjord glaciaire maritime pour mesurer et, espérons-le, caractériser la quantité de méthane qui pénètre dans le fjord par le système d’eau sous-glaciaire.

Dans un Publication de 1995Chappellaz montre que la production de gaz à effet de serre dans le sol du Groenland est forte et que de grandes concentrations de dioxyde de carbone (CO2) et de méthane sont actuellement piégées dans la glace basale, située au cœur de la calotte glaciaire du Groenland.

« La question naturelle est alors de savoir quelle quantité de ces gaz à effet de serre est libérée lorsque l’eau des glaciers fond ? Quelle quantité atteint la côte et contribue éventuellement à des flux importants libérés dans l’atmosphère ? Dans le cas d’une désintégration de la calotte glaciaire du Groenland, on peut se demander si de tels mécanismes pourraient ajouter une autre source inattendue d’émissions de gaz à effet de serre en plus de celles d’origine humaine », explique Chappellaz.

Le changement climatique à venir est lié à deux facteurs majeurs : les émissions dues à l’activité humaine et les amplifications provenant de sources naturelles dans un monde plus chaud. En d’autres termes, il s’agit de déterminer dans quelle mesure les sociétés humaines augmenteront leurs émissions de gaz à effet de serre et à quel rythme ; et dans quelle mesure l’amplification dans un monde plus chaud résulterait d’une rétroaction naturelle.

« Nos travaux au Groenland explorent les mécanismes possibles de rétroaction naturelle, nous donnant un aperçu urgent des questions scientifiques fondamentales sur l’avenir de notre climat dans un contexte où il existe encore de nombreuses incertitudes et processus inconnus », explique Chappellaz.