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[News INSU-CNRS] Le permafrost : des sols de l’Arctique aux modèles climatiques

[News INSU-CNRS] Le permafrost : des sols de l'Arctique aux modèles climatiques

Le permafrost ou pergélisol, occupe le quart des terres émergées de l’hémisphère nord. Il est aujourd’hui sujet à un profond changement en raison du réchauffement climatique. Victime de ce dernier, le permafrost en est aussi un acteur dans la mesure où il est susceptible de libérer des gaz à effet de serre en dégelant. Dans le cadre du programme Make Our Planet Great Again initié en 2017, le chercheur canadien Frédéric Bouchard, géologue spécialiste des terres arctiques, a rejoint les équipes du laboratoire Géosciences Paris-Saclay (GEOPS), en proposant le projet de recherche PEGS, PErmafrost and Greenhouse gas dynamics in Siberia, qui traite du sujet des relations entre le pergélisol et les gaz à effet de serre en Sibérie. Ce projet vise à améliorer la fiabilité des modèles climatiques en prenant en compte de manière plus précise le dégel du pergélisol. Frédéric Bouchard nous guide à travers ces singulières terres gelées.

Le permafrost, une bombe à retardement

Le pergélisol est, par définition, un sol perpétuellement gelé, et la composante invisible de la cryosphère1. Dans ces régions arctiques, quand les températures chutent, le sol gèle en profondeur et devient imperméable. En zone de pergélisol, la couche superficielle (roche, sédiment minéral ou organique) représente une couche active qui se développe chaque été et regèle chaque hiver. Ces cycles de gel et de dégel façonnent les paysages de marécages des toundras, l’eau ne pouvant s’infiltrer en profondeur et restant donc à la surface.

Le pergélisol est un écosystème complexe, encore mal connu. Au-delà des cimetières de mammouths dont il regorge, le permafrost contient un grand nombre de composants. Riche en matière organique, il contient aussi de l’air, de l’eau, des bactéries et de la glace. Dans ce sol stratifié2, plus le permafrost dégèle, plus la couche active gagne en épaisseur et plus les conséquences sont importantes tant sur le carbone organique, piégé en profondeur, que sur la dynamique du sol.

En effet, les régions de pergélisol contiennent deux fois plus de carbone que l’atmosphère. Elles sont considérées comme des « bio-réacteurs » de gaz à effet de serre (GES), notamment le CO2 et le méthane. Ces gaz sont, en particulier, produits par l’activité bactérienne du sol après le dégel ou relâchés par les lacs se formant lors des périodes de dégel. Ils entrent ainsi dans les cycles atmosphériques et climatiques. Les scientifiques estiment que la quantité de CO2 piégée dans le permafrost équivaut à quatre fois celle que les activités humaines ont émise depuis le milieu du XIXe siècle. Or, on mesure encore mal les différentes variations spatiales et temporelles de ces émissions. C’est pour ces raisons que le permafrost est qualifié par les climatologues de « bombe à retardement ».

Le pergélisol, une urgence climatique et humaine

Aujourd’hui, on estime entre 3 et 4 millions le nombre de personnes vivant sur la vingtaine de millions de km2 de pergélisol de l’hémisphère nord. Et ces régions se réchauffent beaucoup plus rapidement que le reste du globe ! L’augmentation des températures de l’air et du sol entraîne le dégel du pergélisol.

Des agglomérations entières, des infrastructures ont été bâties, parfois depuis plusieurs siècles, sur des sols qui autrefois étaient gelés en permanence. Or aujourd’hui ces sols dégèlent et se gorgent de boue. Coulées de boues, glissements de terrains : les risques naturels sont très importants. Les risques sont également industriels (miniers, pétrolier, gazier etc.) et aussi, bien évidemment, humains.

Un ravin d’érosion (gully) en Sibérie en 2019, provoqué par le dégel du pergélisol riche en glace. On voit ici le transport de sédiments, qui forment un delta, vers le lac en aval. © Antoine Séjourné, GEOPS, U. Paris-Saclay

Même ravin d’érosion, on voit ici la glace en train de fondre. Il s’agit de phénomènes très rapides qui peuvent avoir un impact sur les infrastructures environnantes (ici, la route et l’aqueduc qui passent tout près). © Ludwig Jardillier, ESE, U. Paris-Saclay

Le projet PEGS

L’objectif principal de ce projet multidisciplinaire est d’identifier les facteurs qui contrôlent la mobilisation de carbone organique et en particulier les émissions de gaz à effet de serre (méthane et CO2) qui résultent de la dégradation du pergélisol en Yakoutie centrale (Sibérie).

Dans cette région, les lacs de thermokarst3 se forment par le dégel du sol. Ils affectent les couches plus profondes et riches en glace. Les terrains thermokarstiques peuvent être affectés par des affaissements, la formation de cavités, une forte érosion, etc., à l’image des terrains karstiques4 plus communs dans les zones tropicales ou tempérées. Ils offrent un terrain d’expérimentation idéal. Le permafrost y est en effet parmi les plus épais et les plus riches en glace de la planète et c’est aussi l’un des plus anciens. En effet, lors de la dernière période glaciaire, culminant il y a environ 20 000 ans, contrairement au grand nord canadien, cette région de Sibérie n’était pas sous la calotte glaciaire et le pergélisol affleurait déjà.

Le projet combine des campagnes de mesure de terrain, des analyses en laboratoire et l’intégration de ces données dans des modélisations analogiques. Apportant son expertise, développée au Canada sur l’échantillonnage de CO2 et de méthane, le Dr Bouchard a initié le projet PEGS avec des collaborateurs des laboratoires LSCE5, de GEOPS, de l’Alfred Wegener Institute à Potsdam, ou encore l’Institut du pergélisol à Yakoutsk. En 2018, le projet débute autour de quatre campagnes de terrain, au cours de chacune des saisons pour mesurer les concentrations de ces gaz et leur variabilité saisonnière dans les lacs. En effet, l’émission de gaz par le dégel du pergélisol n’est pas homogène. Il existe des variations spatiales et temporelles de ces émissions qui ne sont pas intégrées dans les modèles climatiques actuels. Obtenir des mesures fiables enregistrant ces variations et les inclure dans les rétroactions6 « permafrost/gaz à effet de serre/climat » est fondamental pour améliorer la fiabilité des modèles climatiques présents et futurs. C’est là le cœur du projet PEGS, qui s’achèvera en 2022.

A l’heure actuelle, les modèles numériques intègrent le dégel du pergélisol graduellement et de façon homogène. Or, les observations, depuis quelques années, montrent que les perturbations du permafrost peuvent être très localisées et très abruptes (cratère, glissement de terrain, etc.), à l’opposé du comportement intégré par les modèles climatiques.

Frédéric Boucard et Lara Hughes-Allen utilisent des seringues pour « siphonner » le gaz accumulé dans les lacs (août 2019). © Ludwig Jardillier, ESE, U. Paris-Saclay

Frédéric Boucard et Lara Hughes utilisent des entonnoirs ou « funnels » pour piéger les bulles (août 2019). © Ludwig Jardillier, ESE, U. Paris-Saclay

Des flux de gaz à effet de serre contrastés

Evaluer les grandes variations dans le volume des émissions de CO2 et de méthane, est fondamental pour estimer leurs potentiels en terme d’impact climatique.

Grâce aux données acquises sur le terrain, les scientifiques ont pu mettre en évidence de grandes différences dans les flux et les concentrations en gaz à effet de serre dissous dans les eaux des lacs, alternant entre des phases de stockage et d’émission. En hiver, le CO2 et le méthane s’accumulent sous la couverture de glace. En été, la production et le stockage de ces gaz est favorisé par l’activité photosynthétique des végétaux ou encore l’anoxie7 des couches d’eau profondes. Lors des saisons intermédiaires du printemps et de l’automne, les changements de température provoquent un brassage des eaux lacustres qui facilite l’émission des gaz retenus pendant l’hiver et l’été. Ces flux de gaz, déjà observés dans les lacs canadiens, sont, ici, parmi les plus élevés enregistrés dans les régions arctiques et subarctiques.

Les origines exactes du carbone, contenu dans le CO2 et le méthane émis par les lacs, font encore l’objet de recherche, mais les composants même de ce pergélisol sont de bons candidats (sources biogéniques, gaz géologiques très anciens, etc.).

Les lacs thermokarstiques sont l’illustration de la complexité du pergélisol et de ses réponses aux changements de température, de précipitations et d’influences anthropiques. Ils doivent être considérés avec attention, car leurs dynamiques et leurs rétroactions vis-à-vis des émissions gazeuses peuvent contribuer à l’amplification de l’effet de serre.

A plus grande échelle, la compréhension du système complexe et sensible du permafrost dans son ensemble et de ses évolutions, représente un défi scientifique et sociétal, pour les décennies à venir.

1 Cryosphère : partie de la surface terrestre gelée en permanence : permafrost, glaces de mer, glaciers terrestres.

2 Stratifié : composé de plusieurs couches superposées

3 Thermokarst : phénomène strictement physique ou thermique de dégel d’un sol ou fonte de glace.

4 Karst : reliefs affectant les régions calcaires, créés par l’action physico-chimique érosive de l’eau et présentant des cavités, grottes, gouffres, réseaux hydrographiques souterrains.

5 LSCE : Laboratoire Sciences du Climat et de l’Environnement UMR CNRS

6 Rétroaction : effet d’une action qui impacte la cause qui l’a fait naître.

7 Anoxie : absence d’oxygène dans un milieu

Voir en ligne : Site web INSU-CNRS