Evolution de la glace marine pendant l'été Arctique – SEAS

L’extension de la glace de mer pendant l'été dans l'océan Arctique est parmi les indicateurs les plus sensibles du changement du climat. La glace arctique joue un rôle clef dans la détermination de l'albedo de la planète, c’est-à-dire le rapport entre le rayonnement solaire reflété et celui entrant.
Pendant l'été passé (2012) les satellites ont enregistré une réduction exceptionnelle de la glace marine en Arctique qui a assumé des proportions qu'aucun des modèles numériques globaux à grande échelle ne pouvait prévoir [Schiermeier, Nature 489, 185-186 (2012)]. Ces observations ont amené les chercheurs à remettre en cause leur analyse des processus dynamiques et thermodynamiques impliqués dans la fonte estivale et à reconsidérer plusieurs des approximations sur lesquelles les modèles de climat à grande échelle sont basés. Effectivement, dans les modèles à grande échelle les approximations sont inévitables. La gamme réelle d’échelles spatiales et temporelles impliquées ne peut pas être simulée par aucune machine de calcul existante. Par conséquent les modèles se basent sur des approximations ad-hoc, appelées des «paramétrisations», dérivées de la compréhension physique des phénomènes ou des mesures prises sur le terrain.
Les mécanismes à petite échelle, comme par exemple ceux liés aux mares de fonte qui se forment sur la glace, ne peuvent pas être pris en compte directement dans les modèles globaux de climat. Comment le transfert thermique se produit-il dans les mares de fonte et comment est-ce que cela affecte le bilan de masse de glace à grande échelle? Comment l’interface de fonte progresse-t-elle sur le fond et sur les murs latéraux des mares? Comment est-ce que la topographie des mares de fonte, leur surface et leur profondeur, évolue au cours de la saison estivale ? Toutes ces questions ne sont pas prises en compte dans les modèles actuels. Les mares de fonte et leur topographie constituent le composant principal, à la période la plus importante de l'année, contribuant à l'albedo de l'océan arctique [Eicken et autres., 2004], qui est un facteur clef de l’évolution du climat global. Le principal enjeu actuel de la science du climat est d'améliorer les modèles à grande échelle afin de raffiner leur puissance prédictive.

Ce projet d'ANR JCJC s’adresse au problème du processus de croissance des mares de fonte sur glace dans l'Arctique pendant la saison estivale, en se concentrant sur les mécanismes à petite échelle qui régissent l'évolution de la topographie du bassin. En particulier nous nous adressons à la phénoménologie de l'écoulement de convection thermique dans le bassin, qui est fortement turbulent, et son interaction avec les mécanismes de changement de phase aux frontières du bassin.
L’objectif du présent projet est celui de comprendre de quelle façon la dynamique des fluides et le processus de changement de phase contribuent à la détermination de la croissance du bassin afin de fournir les directives utiles aux paramétrisations dans les modèles de glace à grande échelle.
La recherche proposée est basée sur des simulations numériques directes. Nous projetons développer un code CFD basé sur l'algorithme de l'équation de Boltzmann sur Réseau, capable de décrire la dynamique de la convection turbulente de l'eau, avec sa teneur en sel inhérente, et le changement de phase de la glace, dans des conditions réalistes.
Le projet sera conduit dans le Laboratoire de Mécanique de Lille (LML) par trois jeunes Maîtres de Conférences, Enrico Calzavarini et Silvia Hirata, Stefano Berti qui sont spécialisés dans la dynamique des fluides numérique, la turbulence, les écoulements convectifs, les phénomènes de transport dans des milieux fluides et poreux. Cette équipe collaborera étroitement avec un jeune chercheur du CNRS, Martin Vancoppenolle, géophysicien spécialisé dans la modélisation et le développement des modèles à grande échelle de glace de mer, rattaché au laboratoire LOCEAN de l’Université Paris 6.