Exposé de Frédérique Rémy - session 216 du 4 septembre 2025
L’exposé débute par quelques chiffres : La calotte polaire a une surface de 15 millions de km², un volume de 30 millions de km3, soit 75% de l’eau douce terrestre, 90% des glaces, environ 60 m d’élévation du niveau des océans. Chaque année, il tombe 2200 km3 de neige, l’équivalent de 6 mm du niveau des océans. Les températures moyennes vont de -15°C à -60°C, les vents catabatiques, des vents de gravité qui dévalent les pentes, sont forts, parfois quelques centaines de km/h. Les conditions logistiques sont particulièrement difficiles et les mesures in situ éparses, sur les raids ou autour des stations. D’où l’intérêt des techniques spatiales. Cependant certains paramètres restent toujours inaccessibles, du moins avec une bonne précision (diapo 2-3).
L’exposé fait alors un rappel des premiers résultats obtenus avec le satellite Seasat, lancé en 1978 avec une inclinaison de 72° survolant le Nord de l’Antarctique. Son altimètre a permis la construction des premières cartes de topographie avec une précision inégalée à l‘époque. Il a aussi mis en évidence certaines erreurs inhérentes à l’altimétrie sur les calottes, en particulier l’erreur de pente, le point d’impact de l’altimètre n’étant pas au nadir, mais décalé vers la plus grande pente de la surface. Il a aussi mis en évidence l’erreur due à la pénétration de l’onde radar dans la neige. En effet, le long de traces répétitives, la hauteur mesurée était plus haute lorsque la rétrodiffusion était plus forte, ce qui ne pouvait pas être expliqué par un écho de surface unique. Son diffusiomètre a mesuré la direction moyenne des vents catabatiques, comme il mesurait celle des vents sur l’océan. La méthodologie a été reprise plus tard avec le satellite ERS-1 mais a donné de moins bons résultats car l’instrument fonctionnait à plus basse fréquence (bande C ou 5.2 GHz au lieu de la bande Ku ou 13.6 GHz) et donc pénétrait plus en profondeur dans la neige. Enfin, son radiomètre a montré que la différence de polarisation (V-H) était très corrélée avec la rétrodiffusion de l’altimètre offrant ainsi l’opportunité d’extraire des paramètres du manteau neigeux, comme la taille des grains de neige, estimation approximative des taux d’accumulation de neige (diapo 4.5).
A partir de 1991, les satellites polaires embarquant un altimètre sont mis en orbite par l’agence spatiale européenne. ERS-1 en 1991, ERS-2 en 1995 et Envisat en 2002. Les topographies ainsi obtenues ont une résolution jamais obtenue sur près de 80% de la calotte. Elles permettent de mettre en évidence des phénomènes dynamiques, de contraindre les modèles d’écoulement de la glace, de mesurer les variations temporelles (diapo. 6). Ainsi, on aperçoit la présence d’ondulations sur l’ensemble de la calotte. Leur longueur d’onde est d’une vingtaine de km au centre et une dizaine de km à la côte ; leur amplitude croit de quelques m au centre et une dizaine de m au bord (diapo. 7). En supposant la calotte en état stationnaire, c’est-à-dire que les chutes de neige sont entièrement compensées par l’écoulement de la glace, on peut à partir d’un modèle simple estimer les vitesses d’écoulement. On comprend alors que 90% de la glace est évacuée par 15% de la côte, qu’un tiers de la masse s’écoule 4 fois plus vite. On visualise aussi certains glaciers émissaires dont la signature remonte à plusieurs centaines de km en amont (diapo. 8).
Grace à la connaissance de la topographie, de la pente de la surface et des vitesses d’écoulement on peut calculer le temps de relaxation, c’est-à-dire le temps que met la calotte à revenir à l’équilibre après une perturbation. Il varie de 1000 ans à la côte à 100 000 ans au centre du continent. Or, la calotte peut être vue comme un réservoir dont les sorties sont régulières (écoulement de la glace régulier) et les entrées irrégulières (les chutes de neige plus ou moins importantes). Un modèle stochastique peut alors montrer que l’on a plus d’une chance sur 10 de mesurer une variation de volume équivalent à une élévation du niveau de la mer près de 1 mm/an uniquement à cause de la variabilité temporelle des chutes de neige (diapo. 9).
On découvre aussi de nombreuses surfaces très plates qui traduisent la présence de nombreux lacs sous-glaciaires. En effet, la glace s’écoule par déformation sur une surface rugueuse et en pente, et par glissement sur une surface lisse et plate comme celle d’un lac. Entre les deux changements de régime, déformation/glissement, on aperçoit un creux dans la topographie avant le lac et une bosse après, causés par les contraintes longitudinales que l’on peut ainsi appréhender (diapo. 10).
L’altimètre ne voit que la surface ou la très proche surface, l’onde radar pénétrant à quelques dizaines de cm. Plus la fréquence est basse plus l’onde pénètre, si bien qu’en bande P (entre 60 et 300 MHz) l’onde pénètre jusqu’au socle rocheux. Voir en profondeur apporte énormément d’information. Déjà pour le choix de l’emplacement d’un carottage. La datation des échantillons est faite à partir de modèle d’écoulement de la glace, il est donc important de choisir un lieu dont la surface est la plus plate possible et le socle rocheux le moins accidenté possible. C’est ainsi que l’emplacement du carottage de dôme C a été choisi (diapo. 11).
Lors d’éruption volcanique, des poussières se déposent sur la surface de la calotte. Elles modifient les constantes diélectriques de la glace si bien que ces couches polluées sont mises en évidence par le radar bande P. En plus de la topographie du socle rocheux, elles constituent de magnifiques isochrones qui apportent énormément d’informations sur l’écoulement de la glace. Un profil effectué avec un radar bande P aéroporté entre dôme C et le lac de Vostok effectué par Ezio Tabacco de l’Université de Milan a permis de mesurer une épaisseur record de glace de 4800 m ; de constater qu’au-delà d’une certaine profondeur, ces isochrones disparaissaient à cause de la recristallisation de la glace qui a lieu lorsque la température est supérieure à -10°C. Les isochrones au-dessus du lac de Vostok qui devraient être plats comme la surface sont en pente suggérant des phénomènes de fonte/regel lors du passage de la glace sur le lac (diapo 12-13).
En 2002, Pierre Bauer et moi-même avons proposé à l’ESA le projet Mimosa (Mapping of Ice and Monitoring Subsurface of Antarctica) d’un satellite embarquant un radar bande P dédié à l’observation des zones polaires. Ce projet n’a pas été retenu à l’époque. La mission Biomass, observation de la biosphère en bande P, vient de partir fin avril 2025.
Un autre avantage de la bande P est que l’écho au niveau du socle rocheux indique clairement la présence d’eau. De nombreuses mesures in situ avec un radar tracté ou aéroporté ont eu lieu autour de dôme C laissant apparaître plusieurs zones humides sous la calotte. La comparaison de ces données avec la topographie de surface, sa pente, sa courbure et la topographie du socle rocheux révèle des structures allongées de plusieurs centaines de km suivant les lignes de plus grandes pentes du socle et reliant les zones très plates entre elles. Nous venions de découvrir d’immenses réseaux hydrologiques sous-glaciaires, reliant les lacs les uns aux autres. Ceci a de nombreuses conséquences sur la dynamique des glaces ainsi que sur l’estimation du bilan de masse de l’Antarctique (diapos de 15 à 18)
Enfin, l’intérêt ultime de l’altimétrie sur les calottes est la mesure de ses variations de volume. Au contraire des autres groupes qui construisent la carte de variations de hauteur en calculant la différence aux points de croisement, nous préférons l’estimer le long de toutes les traces répétitives, ce qui fournit une résolution spatiale très nettement supérieure. Pour l’Antarctique de l’Est, les variations à l’intérieur du continent sont de l’ordre de ± 5 cm/an. Sur la côte, elles avoisinent par endroit quelques dizaines de cm/an. En revanche en Antarctique de l’Ouest, les pertes sont très marquées, dépassant largement le m/an (diapo 19).
Avant de regarder plus en détail l’évolution de ces glaciers, penchons-nous sur des données qui paraissent anormales en Antarctique de l’Est. En regardant année par année l’évolution de la topographie de la Terre de Wilkes, nous voyons apparaître des points dépassant largement plusieurs σ et que l’on aurait dû éliminer. Mais au cours du temps, ces points s’alignent et on comprend qu’il s’agit d’un phénomène qui descend la pente de l’amont vers la côte (diapos 20 à 25). En regardant la hauteur de ces points, on voit en amont une baisse abrupte de 70 m puis une remontée lente, la même chose se produit en aval à une centaine de km et ainsi de suite. On comprend que l’on a vu une vidange de 5 km3 du lac Cook qui se propage vers la côte (diapos de 26 à 28). Ceci pose plusieurs questions. D’abord est-il raisonnable de retirer les valeurs à 3 ou 5 σ ? Les garder risquent de bruiter les résultats, les retirer de rater des phénomènes type vidange subite d’un lac. Aussi, quid de l’estimation du bilan de masse ? Nous n’avons pas accès au volume d’eau qui s’échappe de l’Antarctique par la base.
Revenons sur les pertes de Antarctique de l’Est qui sont très marquées, dépassant largement le m/an. L’accélération pour les glaciers de Thwaites et de Pine Island dépasse plusieurs dizaines de cm/an² (diapos 29-30). L’évolution de ces glaciers, année par année, montre non seulement une forte accélération mais aussi un net élargissement de la zone de perte de masse (diapos de 32 à 39), fortement corrélé avec la vitesse d’écoulement de la glace (diapo 31).
Altika est une mission altimétrique franco-indienne sur les traces des satellites polaires ERS1-2 et Envisat dont l’altimètre fonctionne en bande ka (37 GHz) au lieu de ku (13.6 GHz), c’est-à-dire à plus haute fréquence ce qui diminue la profondeur de pénétration de l’onde dans la neige ainsi que la résolution spatiale. Le Legos et en particulier l’équipe de glaciologie se sont largement investis sur ce satellite lancé en 2013. Le thème des glaces de mer a commencé à ce moment-là. Altika a permis de montrer que la zone d’élargissement des glaciers Thwaites et Pine Island continuait de croître et de s’élargir. Hélas, le satellite a eu assez vite des faiblesses sur le maintien d’orbite (ce qui est capital sur une zone en pente). Par ailleurs, l’ouverture d’antenne étant beaucoup plus petite en bande ka que ku, les échos étaient très déformés et souvent difficiles à traiter (diapos 40 et 41).
Les erreurs inhérentes à l’altimétrie sur les calottes polaires sont assez nombreuses et le traitement doit être précis. L’erreur de pente et celle de pénétration sont bien connues et corrigées plus ou moins bien. Mais d’autres erreurs sont « perverses ». Par exemple, en regardant la différence de rétrodiffusion aux points de croisement, on voit apparaître des zones bien délimitées. Ce phénomène inattendu a été long à comprendre. Il vient de la polarisation de l’antenne ! Au sol, des dunes de neige sont allongées dans le sens du vent, et le signal plan envoyé par l’altimètre pénètre plus ou moins dans la neige en fonction de l’angle entre les dunes et la polarisation. Aussi, la date du maximum du signal saisonnier de la rétrodiffusion a une distribution fortement bimodale. Ceci provient du type d’écho. Là où l’écho de surface est dominant, le signal est maximum à la fin de l’été austral et inversement là où l’écho de volume est dominant, le maximum est à la fin de l’hiver. (diapo 42). N’oublions pas que toutes ces variations de rétrodiffusion entraînent des variations de la hauteur mesurée. Nous avons alors fait un test : calculer la variation de topographie globale en fonction de différents critères : rejet de point à 3 ou 5 σ, rayon de décorrélation de 15, 25 ou 35 km… Le résultat varie de – 10 à -100 km3/an !
L’altimètre a une très bonne résolution spatiale mais ne fournit que les variations de volume, on ne peut pas séparer l’effet d’un changement causé par des variations de taux d’accumulation de celui causé par celles des vitesses d’écoulement. La gravimétrie spatiale, au contraire, fournit directement les pertes de masse mais a une résolution spatiale nettement moins bonne (diapo 44). L’utilisation des deux techniques permet de mieux contraindre et expliquer les différents signaux observés.
Par exemple, les signes des variations de hauteur observées pendant ERS-2 (de 1995 à 2003) et celles observées pendant EnviSat (2002-2010) sur les régions côtières en Antarctique de l’Est sont opposés. Nous avons pu montrer avec notre collègue Anthony Memin de l’université de Nice que ceci était dû à l’onde circumpolaire Antarctique qui tourne autour du continent avec une période de 8 ans et module les chutes de neige (diapos 45-46).
Pour finir, la série temporelle des satellites Grace (2002-2017) puis Grace-fo (depuis 2018) permet de mesurer le bilan de masse de l’Antarctique. La calotte a perdu 2500 Gt, soit 7 mm du niveau de la mer en 23 ans. Le Groenland, de volume 10 fois moindre, a perdu 6000 GT.