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L'Arctique, un monde en pleine évolution

Océan Atmosphère

L'ouverture, durant l'été 2007, de nouvelles routes maritimes au pôle Nord témoigne des changements profonds qui s'accélèrent en Arctique, où le réchauffement climatique est particulièrement actif. En trente ans la banquise d'été a perdu près de 30% de sa surface et pourrait avoir totalement disparu d'ici 10 à 15 ans. Quant à la calotte glaciaire du Groenland, elle a fondu à un taux record en 2007, le plus important depuis le début des mesures satellitaires en 1979. Quel futur se dessine dans cet univers fragile ?

Pour répondre à cette question, plusieurs programmes de recherche ont été engagés dans le cadre de la 4ème Année polaire internationale (API), dont certains ont été présentés au cours de cette conférence.

Polarcat(1), dont les premières missions auront lieu cette année, est un programme labellisé Année polaire internationale associant des chercheurs de 18 pays (parmi lesquels l'Allemagne, les États-Unis, la France, la Russie, la Norvège, la Finlande et le Canada).

Cette initiative internationale pilotée par la Norvège entend étudier et quantifier le transport des polluants gazeux (composés chimiques, métaux lourds) et des aérosols vers l'Arctique. Pour cela, elle regroupe des observations à partir de différentes plates-formes (avions, ballon, station sol, satellites), des analyses de données et des modélisations numériques. Les chercheurs espèrent ainsi mieux comprendre certains phénomènes comme la déposition des polluants ou le changement climatique d'ores et déjà perceptible au pôle Nord.

Les objectifs

Co-coordonné par Kathy Law et Gérard Ancellet, tous deux directeurs de recherche CNRS au Service d'aéronomie(2), la contribution française financée par l'ANR, le CNES, le CNRS et l'IPEV, vise à :

Brumes arctiques.
  • déterminer les mécanismes de transport des polluants vers l'Arctique au cours de deux campagnes :
    - au printemps, période marquée par la formation de brumes arctiques qui piègent le rayonnement émis par le système terre-atmosphère dans l'infra-rouge : les scientifiques s'intéresseront au processus de formation de ces immenses brouillards ainsi qu'à leur rôle sur le climat,
    - durant l'été, période des feux de forêts boréaux durant laquelle l'ozone(3) est formé en plus grande quantité aux moyennes latitudes (Europe, Amérique du Nord, Asie) : les chercheurs tenteront de répondre à la question : "Comment l'ozone et les émissions des feux sont-ils exportés vers l'Arctique ?",
  • caractériser l'impact sur l'Arctique des feux boréaux par rapport à celui des émissions anthropiques (activité industrielle, transport motorisé(4)...),
  • définir, en région polaire, les interactions entre la nature de l'aérosol et la formation des nuages,
  • établir un bilan détaillé des sources et puits d'ozone troposphérique(5) en Arctique dans la mesure où ce gaz chimiquement réactif, à plus courte durée de vie que le dioxyde de carbone, représente une fraction significative du forçage radiatif(6) dans les hautes latitudes.

Comment se déroulent les mesures ?

Premier instrument de choix pour ces campagnes, les avions instrumentés effectuent des prélèvements de l'air et des mesures à distance par télédétection laser (lidar(7)). Une première campagne aura lieu du 26 mars au 12 avril prochain en Scandinavie, suivie d'une seconde cet été, période de pollution intense, au Groenland et en Sibérie. D'autres avions sont déployés par des chercheurs étrangers, en particulier au Canada.

Des stations de mesures installées au sol se consacrent à la surveillance sur le long terme : la station américaine SUMMIT située sur le plateau glaciaire du Groenland et la station PALLAS en Finlande. Ceci permettra de faire le lien entre des mesures très complètes mais sur une durée limitée avec des observations sur de longues périodes (plusieurs années).

Enfin, deux expériences embarquées sur satellite sont utilisées : la mission CALIPSO (CNES, NASA), lancée en 2006, permet une cartographie laser des aérosols depuis l'espace (couverture de tout l'Arctique) et l'instrument IASI (CNES), lancé en 2007, s'occupe du suivi depuis l'espace des gaz polluants réactifs (ozone, méthane, monoxyde de carbone).

En 2009, commencera la phase d'exploitation des données, grâce à des modèles de simulation numérique décrivant le transport des masses d'air, les transformations chimiques et le cycle de l'eau (formation des nuages). Ces modèles développés pour certains au sein des laboratoires de l'Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL)(8) et du Laboratoire de météorologie physique (LaMP/OPGC)(9) seront confrontés aux observations. Ils serviront ensuite pour estimer l'impact climatique d'une perturbation de la composition chimique et particulaire.

Note(s)

  1. POLar study using Aircraft, Remote sensing, surface measurements and modelling of Climate, chemistry, Aerosols and Transport
  2. CNRS / Université Paris 6.
  3. Forme chimique particulière de l'oxygène, très instable et réactive, l'ozone (O3) est notamment généré par le bombardement de la molécule oxygène stable O2 par les utraviolets (UV).
  4. Ces deux facteurs induisent la formation d'ozone troposphérique.
  5. La troposphère est la première couche de l'atmosphère comprise entre le sol et la stratosphère.
  6. Le forçage radiatif est défini comme la modification des entrées et sorties naturelles de chaleur, modification qui résulte de la présence d'aérosols et de polluants introduits par les activités humaines actuelles. Celui dû au dioxyde de carbone seul a augmenté de 20 % en 10 ans, de 1995 à 2005.
  7. C'est un instrument de détection à distance actif. Il fonctionne sur le même principe qu'un radar, mais avec de la lumière.
  8. L'IPSL fédère six laboratoires implantés sur plusieurs sites en région parisienne. Le Service d'aéronomie en fait partie.
  9. Laboratoire de météorologie physique (CNRS, Université de Clermont-Ferrand 2) de l'Observatoire de physique du globe de Clermont-Ferrand (LaMP/OPGC).

En savoir plus

Contact

  • Gérard Ancellet, LATMOS/IPSL
    gerard.ancellet@latmos.ipsl.fr, 01 44 27 47 62

Projet phare de l'Union européenne, Damoclès(1) est l'un des six programmes API coordonnés par la France, en l'occurrence Jean-Claude Gascard, directeur de recherche CNRS au LOCEAN/IPSL(2). Il rassemble plus de 100 chercheurs, tous experts de l'océan glacial Arctique, travaillant dans 48 laboratoires répartis dans 10 pays européens mais également en Russie. De plus, une coopération très active se développe avec les États-Unis.

Mieux anticiper et prédire les changements climatiques

Étudier l'avenir de la banquise arctique, pour mieux comprendre le changement climatique dans cette région et son impact à l'échelle globale, tel est l'objectif majeur de Damoclès. Centré sur les glaces de mer arctiques et leur devenir, ce projet est basé sur une importante série d'observations de l'océan superficiel(3), de la glace de mer et de la basse atmosphère(4). Les données récoltées permettront aux chercheurs d'identifier les changements affectant ces trois systèmes et d'en évaluer l'impact présent et futur, en particulier sur l'évolution du climat mondial. Programme novateur et ambitieux, Damoclès s'appuie sur une instrumentation de haute technologie aussi bien spatiale qu'in situ. Un effort important est donc fourni afin de concevoir des instruments adaptés à l'observation sur le long terme de l'océan Arctique.

La banquise estivale pourrait disparaître d'ici 2020...

La fonte estivale de la banquise arctique s'accélère. Elle a atteint un nouveau record à la fin de l'été 2007 : la superficie des glaces de mer en été a diminué de l'équivalent de plus de deux fois la surface de la France par rapport au précédent record atteint en 2005, perdant ainsi plus de 40 % de sa superficie depuis 1979. Au vu de ce retrait spectaculaire et de l'amincissement (50%) de la banquise observé depuis une dizaine d'années, Damoclès intervient à un moment opportun.

Plus précisément, ce programme concerne :

  • le rythme annuel et saisonnier des glaces jeunes et des glaces anciennes, en particulier des glaces de seconde année (ces dernières contribuent directement à maintenir, toute l'année, une couverture de glaces sur l'Arctique et participent donc à la survie des glaces pérennes menacées par le réchauffement climatique),
  • le réchauffement des basses couches de l'atmosphère (troposphère) qui doivent extraire en automne de plus en plus de chaleur de l'océan, celui-ci en ayant d'autant plus emmagasinée durant l'été qu'il est de plus en plus libre de glace en cette période, ce qui retarde la reprise en glace en hiver,
  • l'allongement de la période de fonte estivale (de plusieurs semaines),
  • l'accélération de la dérive transpolaire(5) (deux à trois fois plus rapide),
  • l'augmentation des flux thermiques en provenance de l'océan Atlantique par le détroit de Fram et de l'océan Pacifique par le détroit de Bering,
  • l'augmentation des flux de chaleur liés à la circulation atmosphérique, par affaiblissement du vortex polaire(6) (celui-ci est beaucoup plus perméable à l'entrée des dépressions chargées de chaleur et d'humidité qui viennent des régions subtropicales) ; les scientifiques ont mesuré des températures supérieures à +10°C entre 800 et 1 200 mètres d'altitude dans la région du pôle Nord géographique en juillet 2007.

Tara et Vagabond, des camps de base privilégiés pour le programme Damoclès

Tara est une goélette polaire construite par Jean-Louis Étienne il y a 20 ans. Elle appartient à l'entreprise "agnès b." qui l'a mise à la disposition du programme Damoclès pour effectuer une série d'observations scientifiques au cours d'une dérive arctique transpolaire. Cette dérive a eu lieu de septembre 2006 jusqu'à la sortie de Tara de l'océan Arctique (au niveau du détroit de Fram), en décembre 2007. Une sortie qui s'est déroulée huit mois plus tôt que prévu. Une telle dérive, volontaire et à but scientifique, d'un bateau à travers l'océan Arctique n'avait pas été réalisée depuis l'expédition de Nansen avec le Fram de 1893 à 1896. Le 28 mai 2007, Tara s'est approchée à environ 150 km du pôle Nord géographique. La goélette s'est libérée des glaces en mer du Groenland à 300 km au nord de l'île de Jan Mayen (Norvège), le 21 janvier 2008.

Le vagabond. © Eric Brossier - Vagabond
Vagabond, voilier polaire d'expédition appartenant à l'association Nord-Est dirigée par Éric Brossier et France Pinczon du Sel, se laisse régulièrement emprisonner par la glace à Inglefieldbukta, une baie du Storfjord au Spitsberg. Il est utilisé comme base logistique par les scientifiques du programme Damoclès jusqu'en 2009. Dans ce cadre, il s'agit de récolter un maximum d'informations sur les conditions météorologiques et océanographiques qui conduisent à la formation de la banquise et des saumures froides qui en résultent et qui sont une composante de la circulation thermohaline(7). Vagabond a déjà réalisé 3 hivernages sur les 5 prévus, dont 2 en collaboration avec l'IPEV. Le quatrième, qui a débuté en octobre 2007, est en cours.

Des navires brise-glace sont également impliqués dans le programme Damoclès : Polarstern (RFA), Oden (Suède), Akademik Fedorov et Kapitan Dranitsyn (Russie), Lance et KV Svalbard (Norvège).

Note(s)

  1. Developing Arctic Modeling and Observing Capabilities for Long-term Environmental Studies.
  2. Laboratoire d'océanographie et du climat : expérimentations et approches numériques (CNRS, Université Paris 6, MNHN, IRD) de l'Institut Pierre-Simon Laplace (LOCEAN/IPSL).
  3. Ce sont les 1 000 premiers mètres sous l'océan.
  4. Sont étudiés les 1 000 premiers mètres au-dessus du sol.
  5. Loin d'être immobile, la banquise est animée, sous l'effet des vents et des courants, de mouvements de grande ampleur : la dérive transpolaire qui mène les glaces de Sibérie vers le Groenland et la "circulation anticyclonique" localisée en mer de Beaufort (au nord de l'Alaska et du Canada).
  6. C'est un tourbillon de grande échelle (plus de 1000 km de rayon) centré sur les pôles et qui retient les masses d'air polaire en son centre.
  7. Se dit de la circulation à grande échelle des masses d'eau de l'océan, induite par les variations spatiales de la température et de la salinité de ces masses d'eau.

Pour en savoir plus

Contact

  • Jean-Claude Gascard, LOCEAN/IPSL
    gascard@locean-ipsl.upmc.fr

 

La télédétection joue un rôle capital pour l'étude du suivi des zones polaires. En effet, l'immensité de ces régions, dont la superficie atteint plusieurs dizaines de millions de km2, fait de la télédétection un outil de choix. En outre, compte tenu des conditions d'accès, de la durée du jour et des conditions météorologiques qui rendent le terrain difficile..., seule la télédétection peut offrir une vision globale et répétée dans le temps de ces grands espaces.

Par ailleurs, la diversité de l'observation satellite est énorme. Certains capteurs satellitaires(1) "voient" comme nos yeux, d'autres "voient" dans des longueurs d'onde proches, comme l'infra-rouge, ce qui permet de réaliser des cartographies très précises des températures dans les régions observées. Il existe aussi des capteurs qui "voient" dans des longueurs d'onde lointaines, comme les micro-ondes. Ces ondes, qui traversent les nuages et fournissent des observations de nuit, présentent la particularité très intéressante d'être sensibles à la présence de glace ou de neige. Mais de nos jours, les observations dépassent la vision et permettent de déterminer la topographie de la surface, les vitesses d'écoulement, la masse du sol et du sous-sol...

Avec GRACE, il est possible de mesurer les variations de masse

Frédérique Rémy(2) contribue au programme API "Ice and snow mass change of Arctic and Antarctic polar regions using GRACE satellite gravimetry", qui figure parmi l'un des six programmes coordonnés par un Français, ici Guillaume Ramillien, également directeur de recherche CNRS au LEGOS/OMP.
Ce projet international étudie les variations de masse des calottes glaciaires, dans le temps et l'espace. Il a pour ambition d'estimer la balance des masses océaniques en utilisant les données récentes du satellite GRACE(3), pour leurs relations aussi bien avec le changement climatique global qu'avec le cycle hydrologique mondial. Seront également approfondis les éventuels liens entre la fonte de la glace et l'élévation du niveau de la mer. GRACE a été lancé en 2002. C'est la première mission géodésique spatiale qui permette la détection des transferts de masse d'eau à partir des mesures de variations dans le temps du champ de gravité terrestre.

Une première : disposer de cartographies de l'Arctique

L'Année polaire internationale stimule une collaboration internationale considérable. Le projet GIIPSY(4) en est un exemple : il fédère toutes les agences spatiales internationales et entend ainsi mettre en commun l'ensemble des observations satellites disponibles au-dessus des régions polaires. L'objectif est de faire un "instantané" des pôles en legs aux générations futures. Il s'agit également de faire le point sur l'état de santé de la cryosphère(5) en 2007-2009. Seule une collaboration internationale de haut niveau peut réussir dans cette entreprise.

Note(s)

  1. Parmi les capteurs utilisés, figurent des interféromètres, des radiomètres, des altimètres, des GPS...
  2. Directrice de recherche CNRS au Laboratoire d'études en géophysique et océanographie spatiales (CNRS, Université Toulouse 3, CNES, IRD) de l'Observatoire Midi-Pyrénées (LEGOS/OMP).
  3. Gravity Recovery And Climate Experiment.
  4. GIIPSY ou Global Inter-agency IPY Polar Snapshot Year.
  5. La cryosphère comprend toutes les zones recouvertes de neige ou de glace (calottes glaciaires de l'Antarctique et du Groenland, glaciers de montagne, banquise et pergélisol ou permafrost en anglais).

Contact

  • Frédérique Rémy, LEGOS/OMP
    remy.omp@free.fr, 05 61 33 29 58

Dans les régions polaires, la diversité biologique a la propriété d'être concentrée dans l'espace et de montrer un fort cycle saisonnier, avec une explosion de vie au printemps et en été, lors de la saison de reproduction de nombreuses espèces. Ceci est en particulier le cas des colonies d'oiseaux de mer, où des dizaines de milliers d'individus viennent se reproduire dans un nombre limité de sites d'année en année. Ce phénomène représente une opportunité unique d'étudier le fonctionnement des populations animales sauvages et notamment leurs interactions avec les parasites auxquels ils sont exposés.

Un système écologique impliquant trois niveaux

C'est ce que les chercheurs du programme Parasito-Arctique(1), piloté par Thierry Boulinier(2), étudient, l'objectif étant de mieux comprendre le comportement des animaux face à la variabilité de leur environnement. Les questions abordées vont des mécanismes de choix du site de reproduction par les oiseaux, aux processus de coévolution entre hôtes et parasites. Comprendre ces mécanismes permet notamment d'identifier des phénomènes d'amplification de la réponse des populations animales à des changements environnementaux.

Le modèle d'étude est un système d'interactions hôte-parasite à trois niveaux, impliquant primo, les oiseaux de mer de l'Arctique comme hôtes, principalement la mouette tridactyle, deuxio, la tique des oiseaux de mer et, tercio, la bactérie Borrelia burgdorferi sensu lato, agent de la maladie de Lyme chez l'homme. Outre des analyses en laboratoire, l'approche utilisée intègre la récolte de données et d'échantillons à des échelles temporelles et spatiales étendues. L'exposition au parasitisme, par exemple, est suivie de manière détaillée, d'année en année depuis plus de dix ans, au sein d'une colonie de reproduction de plus de 10 000 couples de mouettes tridactyles d'une petite île de la mer de Barents (Arctique norvégien). En parallèle, la tique a été échantillonnée dans plus de 30 colonies de l'océan Arctique et de l'Atlantique nord.

Du nouveau sur les processus d'adaptation des parasites et des hôtes

L'étude de ce système a permis de mettre en évidence des effets complexes, en cascades, dans les relations entre hôtes et parasites. En particulier, chez la mouette tridactyle (l'une des espèces d'hôte), les mères transmettent à leurs jeunes, via leurs oeufs, des anticorps contre les parasites auxquels ils sont susceptibles d'être exposés. Un tel processus pourrait jouer un rôle significatif dans l'écologie des interactions hôte-parasite. Un autre résultat important concerne la spécificité des relations entre la tique et ses hôtes. Contrairement à ce qui était pensé, des analyses génétiques (de l'ADN des tiques) ont permis de montrer que la mouette tridactyle et les autres oiseaux de mer ne sont pas parasités par la même population de tiques, même lorsqu'ils nichent au même endroit. Une telle spécialisation du parasite devrait affecter la circulation des organismes pathogènes qu'il transmet. Ces résultats ont des implications importantes, notamment dans le contexte de l'épidémiologie des maladies infectieuses émergentes.

Au vu de ces toutes nouvelles données, l'équipe souhaite développer deux axes par le futur : les implications du système immunitaire dans les stratégies d'utilisation de l'espace par les oiseaux, et celles des processus de coévolution entre hôtes et vecteurs dans les populations naturelles.

Note(s)

  1. Ce programme IPEV est mené en collaboration avec des scientifiques norvégiens depuis 1998. Il est intégré au projet API BIRDHEALTH ("Health of Arctic and Antarctic bird populations").
  2. Directeur de recherche CNRS au Centre d'écologie fonctionnelle et évolutive (CNRS, SupAgro Montpellier, CIRAD, Université Montpellier 1, 2 et 3, École pratique des hautes études de Paris).

Contact

  • Thierry Boulinier, CEFE
    thierry.boulinier@cefe.cnrs.fr, 04 67 61 22 45