Modelé _ _ Banquise

Cour dans la calotte glaciaire antarctique

La banquise est la couche de glace qui se forme à la surface d'une étendue d'eau par solidification des premières couches d'eau, généralement la mer mais aussi les lacs et les rivières. Il ne faut pas confondre cette glace plus ou moins pérenne avec les calottes glaciaires et les inlandsis qui sont constitués quant à eux de glace continentale, c'est-à-dire de précipitations neigeuses accumulées et tassées.
La banquise pérenne ayant une épaisseur de 3 à 4 mètres est vieille de plusieurs années, car elle persiste après la fonte estivale. La banquise saisonnière (appelée aussi banquise annuelle ou hivernale) a moins d'un an. Elle se forme durant l'hiver polaire, lorsque la température de l'eau de mer descend en dessous de -1,8 °C. Au cœur de l'hiver, l'épaisseur des glaces peut atteindre 1,5 à2 mètres, sans compter la neige qui s'y accumule.
En 1980, l'épaisseur moyenne de la banquise arctique varie de 1,89 à 2,62 m, en 2012 : 1 à 1,72 m. Entre 1980 et 2012, l'épaisseur maximum est entre fin mars et mi-mai et le minimum entre fin aout et mi-novembre.
La flottabilité de la banquise est due à l'écart entre la densité de la glace et celle de l'eau liquide (aux environs de 9 %) : la glace, moins dense, subit la poussée d'Archimède.
Après l'été, la banquise augmente rapidement jusqu'à 9,5 millions de km2. Puis l'augmentation est moins rapide dès que la banquise touche les côtes du Canada et de la Russie.
Connaître l'étendue de la banquise est essentielle à la navigation dans les eaux concernées.

La vie est rare sur la banquise, mais plus développée sous l'eau. Au pied du mur de glace, de la banquise

Formation

À la fin de l'été, le froid polaire s'installe, parfois brutalement (−40 °C) ; la surface de l'océan se refroidit mais en raison des mouvements de la mer (houle, vagues, etc.), la glace ne prend pas d'un seul coup.
Quand la température de l'eau atteint −1,86 °C, les premières paillettes de glace cristallisent.
C'est d'abord le frazil (ou frasil) qui se forme. Ces cristaux de glace qui se créent dans l'eau en modifient la viscosité. Les vents et les courants rassemblent le frazil en une couche d'aspect huileux et mat appelée la « mélasse » (ou « sorbet » au Canada). Dans d'autres conditions, la juxtaposition de ces petits cristaux de glace forme une sorte de bouillie appelée « slush ».
Si la mer est calme, la mélasse s'épaissit en une croûte plus épaisse et souple : le « nilas »), puis plus rigide : la banquise. Si la mer est agitée, le nilas s'agglomère en petites boules appelées « shuga ». Ensuite, les petits cristaux vont s'agréger jusqu'à former des plaques arrondies de glace dont les bords peuvent se soulever sous l'action du vent ou des vagues : c'est la glace en crêpe (ou pancake ice). Celle-ci va se solidifier assez rapidement, mais tant qu'elle n'atteint que quelques centimètres d'épaisseur, elle reste fragile et les mouvements de l'eau peuvent la fissurer en plaques plus ou moins étendues, les « floes ».
Une fois la surface gelée, l'eau de mer se trouve isolée de l'air et le processus ralentit. La banquise s'épaissit alors lentement, par sa face inférieure par adjonction de frasil ou de fin cristaux filiformes de « glace colomnaire », jusqu'à atteindre environ deux mètres. Au-delà d'une certaine épaisseur, la glace ne constitue plus qu'un seul bloc couvrant une vaste étendue : c'est la banquise proprement dite (banquise pérenne). L'eau de mer se dessale en gelant (« expulsion » du sel vers les eaux plus profondes).
L'eau de mer projetée par les vagues sur la banquise et qui gèle ensuite, ainsi que les précipitations neigeuses qui s'accumulent à sa surface durant l'hiver augmentent encore l'épaisseur de la banquise.

Les vents, les courants et les chocs avec les icebergs dérivants font bouger la banquise, la fracturent (phénomène mesurable par des hydrophones, géophones et sismomètres qui enregistrent des « tremblements de glace »), la compriment et créent des fissures, des canaux, des failles, des crêtes de compression, des chevauchements de plaques, etc.

Débâcle dans l'Arctique

Débâcle

Lorsqu'elle redevient sujette aux mouvements de la mer, la banquise se fragmente, se brise, s'ouvre, se chevauche en grandes plaques puis en morceaux de plus en plus petits. La banquise ainsi morcelée reçoit le nom de pack. Ces plaques servent fréquemment aux mammifères marins comme les morses, les phoques ou les otaries pour se réchauffer et s'y reposer.
La partie restante persistera 2 à 4 ans voire plus et son épaisseur atteindra alors 4 à 5 mètres. Pendant ce temps, cette croûte de glace traversera l'océan Glacial, emportée par les courants : c'est la dérive arctique.

Thermodynamique et dynamique de la banquise

Thermodynamique

Banquise côtière, le long de la côte à gauche, versus banquise de mer ou dérivante à droite

La banquise est une structure complexe, produit d'une multitude de phénomènes. La glace de première année atteint généralement 1,5 à2 mètres à la fin d'une saison hivernale. La limite thermodynamique de la prise d'épaisseur est de l'ordre de 3,5 mètres. Cela est dû à une non-linéarité des transferts thermodynamiques. Si elle est fine, elle n'isole que faiblement l'océan, qui perd alors facilement de la chaleur vers l'atmosphère. L'océan se refroidit rapidement, la banquise s'épaissit. Puisque la banquise s'épaissit, l'isolation de l'océan augmente, ce qui ralentit les pertes de chaleur. Il arrive un point d'équilibre où la banquise est suffisamment épaisse pour empêcher l'océan de se refroidir, ce qui bloque sa croissance.
Une autre non-linéarité est l'albédo de la banquise qui est en théorie d'environ de 0,7, alors que celui de l'océan de 0,15 environ, mais en réalité il n'y a pas un « albédo de banquise » ni un « albédo de l'océan », seulement un continuum d'albédos suivant les conditions. La banquise âgée, donc épaisse, aura un albédo plus élevée lors de la fonte ; alors que l'albédo de la glace de première année, mince, diminue très rapidement (aidé par la formation de mares de fonte). Pour montrer cette non-linéarité, le modèle de la banquise d'Eisenman, même si cela est une simplification, modélise ainsi l'albédo en tant qu'une tangente hyperbolique fonction de la hauteur, ce qui veut dire que l'albédo baisse rapidement à des valeurs comprise entre 0,4 et 0,6 lorsque l'épaisseur de la banquise est de moins de1 mètre. De manière pratique, cela implique que même une simple diminution de l'épaisseur de la banquise, et non sa perte totale, suffit à enclencher la rétroaction positive de l'albédo.