Une nouvelle théorie mathématique appliquée pourrait améliorer notre compréhension de la manière dont la glace de mer affecte le climat mondial, améliorant potentiellement la précision des prévisions climatiques.
Les auteurs d’un nouvel article publié dans le Actes de la Royal Society A : Sciences mathématiques et physiquesoffrent de nouvelles perspectives sur la façon dont la chaleur se déplace à travers la glace de mer, un facteur crucial dans la régulation du climat polaire de la Terre.
Le Dr Noa Kraitzman, maître de conférences en mathématiques appliquées à l’Université Macquarie et auteur principal de l’étude, affirme que la recherche comble une lacune clé dans la modélisation climatique actuelle.
« La glace de mer recouvre environ 15 % de la surface de l’océan pendant la saison la plus froide, lorsqu’elle est la plus importante », explique le Dr Kraitzman. « C’est une fine couche qui sépare l’atmosphère de l’océan et qui est responsable du transfert de chaleur entre les deux. »
La banquise agit comme une couverture isolante sur l’océan, réfléchissant la lumière du soleil et modérant les échanges thermiques. À mesure que les températures mondiales augmentent, il devient de plus en plus important de comprendre le comportement de la banquise pour prédire le changement climatique.
L’étude porte sur la conductivité thermique de la glace de mer, un paramètre essentiel utilisé dans de nombreux modèles climatiques mondiaux. Le mouvement de la saumure liquide dans la glace de mer, qui peut potentiellement augmenter son transport de chaleur, n’était pas pris en compte dans les modèles précédents.
Selon le Dr Kraitzman, la structure unique de la glace de mer, ainsi que sa dépendance sensible à la température et à la salinité, signifient qu’il est difficile de mesurer et de prédire ses propriétés, en particulier sa conductivité thermique.
« Lorsque vous observez la glace de mer à petite échelle, ce qui la rend intéressante est sa structure complexe, car elle est composée de glace, de bulles d’air et d’inclusions de saumure.
« Alors que l’atmosphère au-dessus de l’océan devient extrêmement froide, en dessous de moins 30 degrés Celsius, tandis que l’eau de l’océan reste à environ moins deux degrés, cela crée une grande différence de température et l’eau gèle de haut en bas.
« À mesure que l’eau gèle rapidement, elle expulse le sel, créant une matrice de glace d’eau purement gelée qui capture des bulles d’air et des poches d’eau très salée, appelées inclusions de saumure, entourées de glace presque pure. »
Ces inclusions de saumure denses sont plus lourdes que l’eau douce de l’océan, ce qui entraîne un flux convectif au sein de la glace, créant de grandes « cheminées » par lesquelles le sel liquide s’écoule.
Cette étude s’appuie sur des travaux antérieurs menés par Trodahl en 1999, qui avaient suggéré pour la première fois que l’écoulement des fluides dans la glace de mer pourrait améliorer sa conductivité thermique. L’équipe du Dr Kraitzman a désormais fourni la preuve mathématique de ce phénomène.
« Nos calculs montrent clairement qu’une telle amélioration devrait être attendue une fois que le flux convectif au sein de la glace de mer commencera », explique le Dr Kraitzman.
Le modèle offre également un moyen de relier les propriétés thermiques de la glace de mer à sa température et à sa teneur en sel, permettant ainsi de comparer les résultats théoriques aux mesures.
Plus précisément, il fournit un outil à utiliser dans les modèles climatiques à grande échelle, conduisant potentiellement à des prévisions plus précises des conditions futures dans les régions polaires.
La banquise arctique a connu une diminution rapide au cours des dernières décennies. Cette perte de glace peut entraîner une boucle de rétroaction : à mesure que davantage d’eau sombre de l’océan est exposée, elle absorbe davantage de lumière solaire, ce qui entraîne un réchauffement supplémentaire et une perte de glace.
La perte de glace marine peut affecter les conditions météorologiques, la circulation océanique et les écosystèmes marins bien au-delà des régions polaires.
Le Dr Kraitzman affirme qu’il est important de comprendre la conductivité thermique de la glace de mer pour prédire son avenir.
Les chercheurs soulignent que même si leur modèle fournit un cadre théorique, des travaux expérimentaux supplémentaires sont nécessaires pour intégrer ces résultats dans des modèles climatiques à grande échelle.
L’étude a été menée par des mathématiciens de l’Université Macquarie en Australie, de l’Université de l’Utah et du Dartmouth College, dans le New Hampshire, aux États-Unis.
Plus d’informations :
Homogénéisation pour le transport thermique par convection dans la glace de mer, Actes de la Royal Society A : Sciences mathématiques et physiques (2024). DOI: 10.1098/rspa.2023.0747. royalsocietypublishing.org/doi … .1098/rspa.2023.0747