Un « volcan de glace » peut-il aider à régénérer la banquise ?

Pour son projet de quatrième année, Katy Cartlidge (2018), étudiante de premier cycle en génie, a évalué si une proposition connue sous le nom de « volcan de glace » avait les moyens de restaurer la glace de mer arctique.

Katy a utilisé la modélisation théorique et l'analyse expérimentale pour évaluer la faisabilité et la sensibilité d'un « volcan de glace » à son environnement, à un moment où la glace de mer arctique en été diminue à un rythme alarmant en raison du changement climatique.

Les scientifiques disent que si les taux actuels de déclin des glaces se maintiennent, un été sans glace sera observé dans l'Arctique au cours de la prochaine décennie.

La banquise arctique présente de nombreux avantages, tels que :

Cette méthode consiste à pomper de l'eau de mer sur une bouée conique flottante, où elle gèle ensuite dans l'atmosphère froide de l'Arctique pour générer un cône de glace en croissance. Un tuyau fendu permet à l'eau d'être pompée plus haut à mesure que la glace s'accumule. Une fois qu'une hauteur de trois mètres a été atteinte, les scientifiques disent que la glace nouvellement formée est susceptible de survivre à une saison de fonte estivale et de devenir une "glace pluriannuelle" précieuse, survivant à la fonte d'au moins deux étés. Il s'agit d'un résultat souhaitable : une glace pluriannuelle plus épaisse et plus solide qui est présente en été, offrant ses avantages toute l'année. Le projet, intitulé "Ice Thickening - Climate Repair", a étudié l'utilisation de la méthode du "volcan de glace" pour augmenter la production de glace de mer arctique en hiver.

"Un avantage significatif du" volcan de glace ", par rapport à d'autres projets de géo-ingénierie proposés, est qu'il ne fait qu'augmenter une activité naturelle et n'introduit aucun produit chimique ou processus inconnu dans l'environnement" - Katy Cartlidge

Katy a développé un modèle bidimensionnel simplifié pour prédire le comportement d'un « volcan de glace » pour l'eau douce à sa température de congélation et également pour l'eau douce au-dessus de sa température de congélation. Cela a ensuite été suivi d'une analyse expérimentale, à l'aide d'un canal étroit qui correspond au modèle bidimensionnel. Les expériences ont été menées dans un congélateur-chambre à une température de –18°C. De l'eau, de températures et de salinités variables (eau douce et eau à la salinité de l'eau de mer arctique), était pompée à travers le canal sur une couche de «glace originale» froide et laissée geler ou provoquer la fonte. Le changement résultant de l'épaisseur de la glace a ensuite été calculé.

Schéma d'un "volcan de glace". L'eau de mer est pompée par le bas sur une bouée flottante, où elle gèle ensuite en un «volcan» conique. Un tuyau fendu permet à l'eau d'être pompée plus haut à mesure que la glace s'accumule. L'échelle verticale est exagérée. Crédit : Katy Cartlidge.

À la fois théoriquement et expérimentalement, les résultats étaient prometteurs pour l'eau à sa température de congélation : la glace se formait facilement et uniformément tout le long du chenal, indiquant qu'un « volcan de glace » pouvait réussir et être uniforme. L'accumulation de glace expérimentale a dépassé les prévisions théoriques pour l'eau douce et l'eau salée, potentiellement en raison des flux de chaleur de l'air qui ont été négligés dans le modèle.

Cependant, les résultats étaient moins encourageants pour l'eau entrant dans le canal au-dessus de sa température de congélation. Il a été constaté que cela entraîne une perte substantielle de glace près de l'entrée, même pour l'eau à quelques degrés au-dessus de sa température de congélation, bien que de la glace soit toujours créée plus loin dans le chenal. Dans le contexte du "volcan de glace", cela sous-entend que la région de glace entourant le tuyau pourrait être complètement érodée en quelques heures, créant un "beignet de glace", à moins que l'eau ne se situe dans une marge très étroite de sa température de congélation.

"Cette plage étroite de température d'eau acceptable pose des problèmes d'opérabilité", a déclaré Katy. "A certaines températures, un 'volcan de glace' pourrait même faire fondre plus de glace qu'il n'en crée, ce qui le rend totalement irréalisable et contre-productif."

Présentation d'une situation où l'eau pénètre au-dessus de la température de fusion de la glace. La glace est érodée autour du tuyau, formant une forme de beignet. Crédit : Katy Cartlidge.

"Cela a un effet bénéfique pour le volcan de glace, car si la glace fond à une température plus élevée que l'eau ne gèle, l'eau peut être au-dessus de sa température de congélation et ne pas faire fondre la glace, augmentant ainsi la plage de températures utilisables", a déclaré Katy. "Cependant, si l'eau salée était suffisamment chaude, elle causerait toujours les pertes de glace désastreuses décrites ci-dessus et rendrait le volcan de glace inefficace." L'analyse expérimentale a également été étendue à l'eau salée, qui présentait des différences notables, notamment une température de fusion supérieure à la température de congélation de l'eau salée elle-même. La présence de sel altère les propriétés thermiques de l'eau.

Les recommandations de Katy pour poursuivre les travaux sur ce sujet incluent :

Katy a déclaré: "Lorsque vous travaillez dans un environnement aussi unique et fragile que l'Arctique, il est nécessaire de faire preuve d'une extrême prudence. Des essais approfondis dans des conditions arctiques, tels que ceux que j'ai effectués dans le congélateur-chambre, seraient entrepris avant d'envisager des essais dans l'Arctique lui-même. L'impact potentiel sur les écosystèmes, le climat et la faune serait soigneusement évalué à chaque étape, le processus d'approbation formel, y compris l'éthique et l'engagement des parties prenantes pour le travail sur le terrain, même à petite échelle, serait exhaustif, et les expériences seraient interrompues si des effets négatifs imprévus étaient observés."

Katy est supervisée par le Dr Shaun Fitzgerald, chargé de cours en ingénierie et directeur de recherche au Center for Climate Repair de Cambridge.

À propos du Center for Climate Repair de Cambridge

Le Center for Climate Repair de Cambridge travaille en collaboration avec Cambridge Zero de l'Université de Cambridge pour protéger notre planète des effets désastreux du réchauffement climatique. La mission du Centre est triple : réduire les émissions de CO2 ; éliminer l'excès de CO2 de l'atmosphère ; et recongeler l'Arctique.

Cet article a été initialement publié par le Département d'ingénierie de l'Université de Cambridge. Il est reproduit sous une licence internationale Creative Commons Attribution 4.0.