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OSUG - Terre Univers Environnement OSUG

Influence de l’endommagement sur les flux glaciaires et l’écoulement des glaciers

par BRONDEX Julien - 23 mars 2015 - ( maj : 24 mars 2015 )

Julien BRONDEX

Date de début et de fin : octobre 2014 - septembre 2017

Financement : CNRS

Directeurs : Olivier Gagliardini (LGGE) et Fabien Gillet-Chaulet (LGGE)

Résumé :

Les deux calottes polaires, Antarctique et Groenland, constituent les principales contributrices potentielles à la future élévation du niveau des mers. Cependant leur niveau de contribution est particulièrement incertain. Cette incertitude est en grande partie due au manque de connaissances des processus qui contrôlent l’écoulement des courants glaciaires, ces glaciers s’écoulant à grande vitesse en marge des calottes et qui contribuent directement à l’élévation du niveau des mers en raison de la glace qu’ils déchargent dans les océans alentours. Les principales causes suspectées de l’accélération des glaciers émissaires observée actuellement sont : (I) Une augmentation du glissement basal due à une augmentation de la disponibilité en eau de fonte de surface ; (II) Une modification de la température des océans et des courants marins pouvant conduire à une augmentation du vêlage d’icebergs et à un amincissement des plateaux glaciaires induisant une réduction de l’effet d’arc-boutement sur la glace située en amont ; (III) Une fluidification des zones de cisaillement fortement crevassées. L’endommagement de la glace et son effet sur la viscosité ont déjà été diagnostiqués à l’aide de méthodes inverses par plusieurs modèles d’écoulement glaciaire mais les modèles pronostics incluant l’endommagement et le vêlage d’icebergs en sont encore à leurs prémices. L’évolution de l’endommagement et la diminution de la viscosité qui en découle sont susceptibles d’accélérer encore l’écoulement des courants glaciaires, et la non prise en compte de cette grandeur physique par les modèles pronostics conduit vraisemblablement à une sous-estimation de la contribution future de ces glaciers à l’augmentation du niveau des mers.

L’objectif général de cette thèse est d’améliorer notre connaissance des processus d’endommagement de la glace et de son impact sur l’écoulement des courants glaciaires et glaciers. La signature de l’endommagement est bien connue : Il peut s’agir de crevasses de surface facilement observables sur tous les glaciers, de régions fortement crevassées dans les zones de fort cisaillement (appelées marges de cisaillement et situées à l’interface entre des zones d’écoulement rapide et des zones d’écoulement plus lent) ou encore de vêlage d’icebergs au front des glaciers à terminaison marine. L’endommagement, en modifiant la rhéologie de la glace, a un fort impact sur son écoulement. Cela est particulièrement vrai dans les zones où l’écoulement est fortement contrasté induisant de fortes contraintes de cisaillement comme c’est le cas en marge des courants glaciaires et plateaux glaciaires ou au voisinage de points de contact sous glaciaires locaux entre plateau glaciaire et lit rocheux. Ces zones fortement endommagées jouent un rôle clé du fait du contrôle qu’elles exercent sur l’écoulement de la glace située en amont et la diminution de l’effet d’arc-boutement induite par l’endommagement doit être prise en compte dans les simulations pronostics. Un modèle de vêlage d’icebergs combinant mécanique de la rupture et endommagement a été développé récemment au sein du LGGE (Thèse de Jean Krug 2011-2014). Cela a requis l’implémentation d’un modèle d’endommagement au sein du modèle d’écoulement glaciaire Elmer/Ice. Si l’endommagement est désormais représenté par un champ scalaire défini dans les trois dimensions de l’espace, le vêlage n’a pour l’heure été implémenté que pour la version bi-dimensionnelle d’Elmer/Ice. Le but de cette thèse est d’explorer, pour des géométries tri-dimensionnelles, l’influence de l’endommagement sur l’écoulement des glaciers et sur la décharge de glace en marge des calottes. A cette fin, nous nous focaliserons sur les zones particulières listées ci-dessus (marges de cisaillement, points de contact sous glaciaires), où l’endommagement joue un rôle crucial. Une autre tâche sera d’implémenter une version du vêlage d’iceberg valable pour des géométries tri-dimensionnelles. Des applications seront conduites sur des courants glaciaires sélectionnés d’Antarctique et du Groenland. Un nombre important de données est en effet disponible et celles-ci contiennent les champs nécessaires à définir la géométrie des glaciers ( DEMs des surfaces et lits rocheux) et à initialiser le modèle d’écoulement (vitesses de surface permettant d’inférer la friction basale et/ou la rhéologie de la glace via des méthodes inverses).

Abstract :

The two largest ice-sheets, Greenland and Antarctica, remains the potentially largest contributors to the future sea level rise, with also the largest incertitude in their contributions. This incertitude is for a large part due to a lack of knowledge on the processes controlling the flow of ice-streams, the fast flowing glaciers at the margin of ice-sheets that directly contribute to sea level rise by their ice discharge to the surrounding oceans. The main potential triggers for the currently observed outlet glaciers acceleration are : (I) increased basal sliding in relation with increased surface melt water availability ; (ii) modifications of ocean temperature and circulation which can lead to enhanced icebergs calving and ice-shelf thinning, reducing their buttressing effect on upstream ice ; (iii) softening of the highly crevassed shear margins. Ice damage and its effect on ice viscosity has already been diagnosed using inverse methods in several ice flow model applications but prognostic model for the evolution of ice damage and calving are still at their premises. Evolution of ice damage and consequent decrease in ice viscosity may enhance the flow of fast flowing ice-streams, and most probably lead to underestimate their future contribution to sea-level rise.

The general aim of this thesis is to increase our understanding of damage processes and how damaged ice can modify the flow of ice-streams and glaciers. The signature of damage is well known and is highlighted by the presence of characteristic features. It can be the well-observed surface crevasses on every glacier, or the highly crevassed zones in region of high shear stress (called shear margins and located at the junction between fast and slow moving ice zones), or the calving of icebergs at the front of water terminated glaciers. Damage, by modifying locally the ice rheology, has a strong impact on ice flow. This is particularly true where a strong contrast in ice flow exists and leads to high shear stresses, like at the margin of ice-streams or ice-shelves, or around a loc