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FAQ - Climat

Glaciers et ressources en eau : quel fonctionnement et quel devenir ?

Pierre Chevallier et Bernard Pouyaud (1) - janvier 2020

La question des glaciers continentaux revient très souvent dans la discussion sur le changement climatique. Ils servent tour à tour d’argumentaires ou de témoins pour des questions aussi diverses que la montée du niveau des mers, l’accélération de la croissance de la température, la diminution, voire la disparition, des réservoirs d’eau douce qu’ils constituent, les risques qu’ils induisent, etc. Ils sont même parfois utilisés comme contre-arguments par les climato-sceptiques, constatant leur avancement dans certaines, mais très rares, régions du globe.

Glacier de la Cordillère Royale en Bolivie

Glacier de la Cordillère Royale (Bolivie) et sa lagune terminale – 2000

Cette note n’abordera pas toutes ces questions, mais s’attachera à expliquer schématiquement comment fonctionne un glacier ; elle éclairera les principaux concepts utilisés par les scientifiques à la base de l’information diffusée dans les médias ; enfin elle discutera de leur contribution aux ressources en eau disponibles pour les usages sociétaux et ce qu’il faut en attendre pour le futur.

Certains de ces points sont à rapprocher de questions évoquées dans les deux ouvrages du Club des Argonautes, en particulier dans la section «Que devient une goutte d’eau ?» de «Climat, une planète et des hommes» (2) et dans la section «L’eau va-t-elle manquer ?» de «Climat, le temps d’agir». (3)

Deux FAQ du Club peuvent également être consultées en complément du propos tenu ici :

Enfin, cette note est restreinte aux systèmes glaciaires continentaux des régions tempérées et tropicales, c’est à dire comprises entre les deux cercles polaires arctique et antarctique  ; de plus, elle ne détaillera pas les spécificités des nombreux types de glaciers. Les lecteurs qui veulent explorer plus avant le sujet pourront consulter, entre autres, l’ouvrage de Francou et Vincent (2007) (4). Ceux qui sont à la recherche de données pourront consulter le site du "World Glacier Monitoring Service".

1. Comment fonctionne un glacier ?

Température et précipitation

De manière schématique, un glacier naît d’un stock de neige qui en vieillissant se densifie et se transforme en glace, laquelle s’écoule par gravité selon la pente du substratum sur lequel il s’est déposé.

Il y a donc deux grandeurs climatiques qui conditionnent son existence : d’une part, les précipitations et, d’autre part, les températures de l’air suffisamment basses pour que :

  1. les précipitations soient sous forme solide (neige), et
  2. le couvert neigeux se maintienne suffisamment longtemps pour se constituer progressivement en masse de glace se perpétuant au - delà du cycle climatique annuel.

Températures et précipitations sont au cœur des questionnements liés au changement climatique. Et c’est pour cela que les glaciers, qui en sont très étroitement dépendants, constituent des témoins privilégiés de ces changements.

Les glaciers sont présents le plus souvent sur des chaînes montagneuses pour la raison simple que les altitudes plus élevées favorisent les températures basses pendant des périodes longues du cycle climatique et donc la présence d’eau sous forme solide, neige ou glace. Sur les glaciers continentaux, et en particulier sur les régions tropicales, le profil de température présente une variation verticale d'environ 6°C/km. La température est en sus le paramètre que les modèles de circulation générale ou régionale représentent le mieux, et, par conséquent, il est le paramètre sur lesquels les différents modèles s’appuient et s’accordent le plus généralement.

Il n’en est pas de même des précipitations qui sont beaucoup plus sensibles aux conditions locales de circulation atmosphérique et où l’équilibre des phases solide, liquide et gazeuse de l’eau suit les principes de la thermodynamique (Voir article Wikipedia). En très haute montagne en particulier, les différences d’altitudes se traduisent par des différences significatives de pression atmosphérique qui interfèrent avec cet équilibre (5). On ne peut pas dégager de loi générale de la distribution altitudinale des précipitations, même si localement des résultats existent (6). Les modèles de circulation générale et régionale sont plus incertains sur la distribution des précipitations et leurs tendances que pour la température (7) ; ils présentent souvent des différences notables entre eux.

Figure1

Figure 1: Schéma simplifié de fonctionnement d'un glacier

Accumulation et ablation

La partie gauche de la Figure 1 présente un schéma simplifié du fonctionnement d’un glacier considéré comme une masse d’eau sous la forme solide s’inscrivant dans un bassin versant collectant les précipitations, et restituant l’eau sous une forme liquide à son exutoire. On distingue deux zones qui correspondent à deux dynamiques différentes :

Schématiquement, la permanence d’un glacier résulte de l’équilibre entre ces deux «réservoirs» d’accumulation et d’ablation. On qualifie d’ailleurs la limite entre ces deux zones de ligne d’équilibre. Il est alors facile de comprendre que, toutes autres choses égales par ailleurs, lorsque la température augmente cette ligne remonte, la zone d’accumulation diminue et la zone d’ablation augmente : le glacier perd alors plus d’eau qu’il n’en reçoit et sa masse globale diminue, ce qui se traduit par une diminution de son épaisseur et le recul de son front (flèche rouge de la Figure 1). Le phénomène inverse se produit lorsque la température diminue.

Il faut alors cependant distinguer ce qui se passe selon les régimes de précipitation : c’est, en particulier, ce qui distingue les glaciers tempérés des glaciers tropicaux.

Glaciers tempérés et tropicaux

La partie droite de la Figure 1 schématise les différences de fonctionnement entre glaciers tempérés et tropicaux :

2. Bilans, observation et modélisation

Avec l’explication du fonctionnement des glaciers, il est nécessaire de fournir aussi quelques indications sur les concepts de bilans et de modélisations qui constituent le plus souvent la forme de diffusion de l’information sur les environnements glaciaires, aussi bien dans le cercle scientifique que dans les médias et les débats.

Bilan de masse, bilan d’énergie et bilan hydrologique

Trois sortes de bilan sont le plus souvent étudiées et utilisées (11) :

Observation

Ces différents bilans sont basés sur des données d’observation sur des périodes aussi longues que possible, d’autant plus complexes à acquérir qu’elles se situent dans des conditions d’accès et de maintenance technique difficiles.

À cela s’ajoute que les observations de terrain sont des observations ponctuelles, qu’il s’agit ensuite d’étendre à l’ensemble du domaine glaciaire étudié. À cette fin, les scientifiques ont recours à différentes approches : statistiques ou géostatistiques, produits issus de l’imagerie satellitaire, données spatiales issues de modèles de réanalyses. Il a déjà été souligné plus haut que, s’agissant des deux variables primaires que sont la température et la précipitation, si les données locales et spatiales sur la première sont relativement fiables, celles sur la seconde sont sujettes à d’importantes incertitudes.

Modélisation

Outre les hypothèses et techniques de spatialisation évoquées dans la section précédente, qui constituent dans la plupart des cas un premier niveau de modélisation, les modélisations utilisées par les hydro-glaciologues afin de quantifier les différentes grandeurs intervenant dans le cycle de l’eau atmosphérique (vapeur, précipitations), cryosphérique (neige et glace) et hydrosphérique (eau liquide continentale) relèvent aujourd’hui de trois familles :

3. Ressource en eau délivrée par un bassin glaciaire en réponse au réchauffement global

La cryosphère constitue-t-elle des châteaux d’eau ?

Les hautes chaînes de montagnes de la planète couronnées de glaciers sont régulièrement qualifiées de châteaux d’eau de la terre. Il est vrai que la plupart des grands fleuves et des grands bassins qui leur correspondent en sont issus ; pour citer quelques exemples : le Rhône, le Rhin, le Pô, le Danube ont tous leurs têtes de bassin dans les Alpes, il en est de même pour l’Amazone avec la Cordillère des Andes, ou pour le trio Indus - Gange - Brahmapoutre avec le versant sud de l’Himalaya.

Cette appellation de châteaux d’eau laisse souvent entendre qu’une éventuelle disparition des glaciers et du couvert neigeux menacerait les ressources en eau disponibles pour les populations de ces grands bassins. C’est à la fois vrai et faux.

Prenons deux exemples en Himalaya et dans les Andes :

La fonte des glaciers va-t-elle augmenter la ressource en eau disponible ?

En revenant sur ce qui est expliqué plus haut, la question est légitime. Si les réservoirs glaciaires fondent, ils relâchent plus d’eau qu’ils n’en accumulent. Cela conduit toutefois à une diminution progressive du stock et, avec la diminution de l’épaisseur du glacier, il arrive un moment où non seulement le front recule, mais où l’ensemble de la surface du glacier se réduit (surimpressions vertes sur la Figure 1), entraînant un rétrécissement de la zone d’accumulation et, par conséquent de la zone d’ablation. Cette situation générale conduit donc dans un premier temps à une augmentation de la masse d’eau libérée par le glacier, puis dans un deuxième temps, après un passage par un maximum, à une diminution des débits jusqu’à la disparition des réservoirs glaciaires.

Dans l’article déjà cité, Pouyaud et al. (2005) proposent un modèle simple pour simuler à long terme cette évolution. La Figure 2 en donne une illustration. Sous l’hypothèse d’un scénario SRES B2 (16), elle représente pour la période allant de 2000 à 2400 une simulation des débits spécifiques (17) à l’exutoire de quatre bassins versants diversement englacés de la Cordillère Blanche au Pérou : Arteson (79% de couverture glaciaire en 2000), Llanganuco (39%), Paron (48%), Yanamarey (73%).

Figure 2

Figure 2 : Simulation à long terme du débit spécifique annuel pour quatre bassins de la Cordillère Blanche (Pérou) comportant des glaciers, sous l'hypothèse du scénario SRES B2. Graphe adapté de Pouyaud et al., 2005

Dans cette simulation, le pic de débit moyen intervient pour les quatre bassins dans le courant du XXIème Siècle et la disparition des glaciers avant la fin du XXIIème Siècle. On observe que pour les bassins d’Arteson et de Yanamarey, les plus englacés, c’est dès avant 2050 que l’on se trouve dans des conditions d’eau délivrée plus faibles qu’en 2000.

Dans le cas général, quand on ne dispose que d’une information partielle ou inexistante, les questions qui se posent sont :
Se trouve-t-on encore dans la phase ascendante et si oui, quand le maximum interviendra-t-il ?
À quel moment faut-il envisager la disparition des glaciers ?

Pourquoi observe-t-on parfois une avancée des glaciers ?

Les climato-sceptiques avancent fréquemment comme argument qu’il existe des glaciers qui actuellement avancent. Cette observation est décrite dans quelques endroits de la Planète, en particulier dans le Karakoram au Pakistan et dans la Cordillère de Darwin au sud de la Patagonie. Ce n’est toutefois pas un argument valable : ces cas sont aussi soumis au changement climatique. On se trouve dans des régions où les températures sont particulièrement basses, soit à cause de l’altitude, soit à cause de la latitude et, malgré le réchauffement, les températures restent négatives. Par contre le changement climatique induit une augmentation des précipitations qui vont tomber sous forme de neige. Conséquence : les glaciers accumulent et avancent. Un autre phénomène peut se produire : l’abondance de précipitations augmente la quantité d’eau liquide à la base du glacier favorisant son avancement par glissement sur son substratum.

Les mêmes causes produisent des effets contraires.


(1) Ce texte est partiellement inspiré des articles :

(2) Texte de Bernard Pouyaud, pages 124-131, dans : Orsenna, E., Petit, M. (Eds.), 2011. Climat : une planète et des hommes. Le Cherche-Midi, Paris. ISBN 978-2-7491-1979-3. Retour

(3) Texte de Bernard Pouyaud, pages 155-161, dans : Petit, M. (Ed.), 2015. Climat : le temps d’agir, Le Cherche Midi, Paris. ISBN 978-2-7491-4344-6. Retour

(4) Francou, B., Vincent, C., 2007. Les glaciers à l’épreuve du climat. 274 p. IRD Editions, Belin, Paris. ISBN 978-2-7099-1604-2 et 978-2-7011-4641-6. Retour

(5) Voir par exemple : Anders, A.M., Roe, G.H., Hallet, B., Montgomery, D.R., Finnegan, N.J., Putkonen, J., 2006. Spatial patterns of precipitation and topography in the Himalaya. Tectonics, Climate, and Landscape Evolution 398, 39–53. Retour

(6) Voir par exemple : Valéry, A., Andreassian, V., Perrin, C., 2010. Regionalization of precipitation and air temperature over highaltitude catchments – learning from outliers. Hydrological Sciences Journal 55, 928–940.
Ou bien : Eeckman, J., Chevallier, P., Boone, A., Neppel, L., De Rouw, A., Delclaux, F., Koirala, D., 2017. Providing a non-deterministic representation of spatial variability of precipitation in the Everest region. Hydrol. Earth Syst. Sci. 21, 4879–4893. Retour

(7) Voir les chapitres 12 et 14 du 5ème rapport du GIEC : IPCC, 2013 : Climate Change 2013 : The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 1535 pp. Retour

(8)La densité de la neige est de manière générale lors de sa chute inférieure à 0,2, alors que celle de la glace compacte est de l’ordre de 0,9. Retour

(9)La recherche française a commencé à s’intéresser aux glaciers tropicaux dès le début des années 90 à l’initiative de Bernard Francou et de Pierre Ribstein dans le cadre du projet NGT (Neige et Glaciers Tropicaux) soutenu par l’IRD. Retour

(10) Voir par exemple : Bookhagen, B., Burbank, D.W., 2010. Toward a complete Himalayan hydrological budget : Spatiotemporal distribution of snowmelt and rainfall and their impact on river discharge. Journal of Geophysical Research-Earth Surface 115. Retour

(11) Les explications données dans cette section et dans les deux suivantes sont réduites au minimum utile. Il existe de nombreux ouvrages, thèses et articles dans le domaine de l’hydro-glaciologie détaillant ces différents aspects, y compris des résultats récents de recherches en cours. Pour une information générale en français, le lecteur peut consulter la troisième partie du livre de Francou et Vincent (2007) cité plus haut et/ou les chapitres 2 et 7 du livre : Hingray, B., Picouet, C., Musy, A., 2009. Hydrologie. 2. Une science pour l’ingénieur, Science et ingénierie de l’Environnement. 602p + 1 CD. Presses Polytechniques et Universitaires Romandes, Lausanne. ISBN 978-2-88074-798-5. Retour

(12) Voir par exemple : Martinec, J., Rango, A., 1986. Parameter values for snowmelt runoff modelling. Journal of Hydrology 84, 197–219. https://doi.org/10.1016/0022-1694(86)90123-X ou Hock, R., 2003. Temperature index melt modelling in mountain areas. Journal of Hydrology 282, 104–115. Retour

(13) L’intervalle de temps du facteur utilisé est celui du pas de temps de calcul du modèle. C’est généralement le jour, d’où l’expression degré-jour. Mais des applications existent avec des pas de temps infra-journaliers. Retour

(14) Données issues de : Bouchard, B., Eeckman, J., Dedieu, J.-P., Delclaux, F., Chevallier, P., Gascoin, S., Arnaud, Y., 2019. On the Interest of Optical Remote Sensing for Seasonal Snowmelt Parameterization, Applied to the Everest Region (Nepal). Remote Sensing 11, 2598. Retour

(15) La population des trois bassins de l’Indus, du Gange et du Brahmapoutre approche le milliard d’individus. Retour

(16) Scénario standard du GIEC, plutôt optimiste, d’un «monde où l’accent est placé sur des solutions locales dans le sens de la viabilité économique, sociale et environnementale» Voir article Wikipedia. Voir aussi la référence donnée plus haut sur les scénarios climatiques du GIEC. Retour

(17) Le débit spécifique annuel permet de comparer les volumes annuels issus de bassins versants de tailles différentes. Il s’exprime en m (parfois en mm) et résulte du rapport entre le volume annuel écoulé et la surface du bassin versant à son exutoire. Retour