Simulation de la percolation induite à l'intérieur d'une glace de mer de première année sous l'effet du blocage hydrodynamique d'une quille de glace : analyse de l'impact sur le flux de chaleur latente glace-océan

Au printemps, l'accroissement de la température de l'air et de l'irradiation solaire mènent à la réouverture et à l'expansion du réseau de canaux dans la glace de mer. Ainsi qu'illustré par l'épisode de drainage de la saumure au début de la période de fonte, l'accroissement du diamètre des canaux de saumure se traduit par une augmentation de la perméabilité de la glace permettant des éventuels écoulements poreux. \n \nLes crêtes de pression sont des obstacles de grande échelle qui font un blocage sur le courant marin et génèrent des champs de pression dans leur sillage. L'inversion des courants causée par le cycle de marée conduit à l'établissement d'un cycle semi-diurne sur le champ de pression à l'interface glace-océan aux abords des crêtes. La glace étant perméable au printemps, cela se traduit par un effet de pompage qui suggère l'existence d'un processus d'exportation nette de saumure vers l'océan. D'un point de vue thermodynamique, cela résulterait parallèlement en une exportation de chaleur latente associée à une fonte volumique de la glace. Considérant que les modèles actuels ne prennent en compte qu'une fonte de l'interface glace-océan, cette dynamique serait d'un impact significatif sur les bilans d'énergie des mers recouvertes de glace en période de fonte. \n \nCe projet de recherche vise à explorer la dynamique des échanges poreux glace-océan aux abords des crêtes. Dans un premier temps, nous avons développé un modèle numérique d'une glace de mer poreuse soumise à un champ de pression à son interface glace-océan. Notre modèle est complètement défini par les équations différentielles de conservation de la masse, du mouvement, des sels et de la chaleur qui sont couplées via l'équation de la température de congélation de l'eau de mer. Les équations sont discrétisées sur une grille numérique rectangulaire de type Arakawa C avec un maillage homogène à pas constant et sont résolues par une méthode numérique aux volumes finis. \n \nLes résultats obtenus à partir de notre modèle nous ont permis de valider l'hypothèse d'une exportation de saumure de la glace vers l'océan dans le sillage d'une crête de pression. En outre, l'étude de la dynamique du bassin de saumure contenue dans la glace située derrière la crête montre que l'écoulement généré dans la glace est principalement orienté verticalement avec une légère composante horizontale en direction de la quille. Le processus vertical d'adaptation hydrodynamique de la saumure au cours d'un cycle de marée peut être décrit en 2 phases: une phase d'expulsion de la saumure et une phase de retour à l'équilibre hydrostatique avec la condition normale de pression sous la glace. La première phase est associée à la génération d'un champ de pression à l'interface glace-océan dans la zone protégée par la quille et à l'expulsion de la saumure de la glace vers la couche océanique. La seconde phase correspond au retrait du champ de pression et à la remontée de la saumure dans la glace accompagnée d'une infiltration d'eau de mer dans la couche inférieure du pied de glace. Sous certaines conditions, l'épaisseur du pied de glace affecté par la remontée de l'eau de mer peut atteindre une hauteur de plus de 2 cm. \n \nDans un même ordre d'idées, l'analyse des bilans volumiques dans la zone affectée par la quille a permis de souligner que le bilan expulsion- infiltration est négatif. Ceci suggère que l'écoulement poreux forcé dans le sillage d'une quille par le champ de pression à l'interface induit un effet de pompage qui provoque une migration horizontale interne de la saumure dans la glace depuis les régions hors de la zone d'influence de la crête vers celle-ci. \n \nAu cours d'un cycle expulsion/infiltration, le bilan d'énergie glace-océan peut alors être établie comme étant la chaleur latente libérée pour produire le volume expulsé de saumure à partir d'un volume équivalent d'eau de mer diluée par la fonte de la matrice de glace pure. En effet, négligeant l'apport d'une fonte de la neige en surface, une exportation d'un volume donné de saumure implique une infiltration d'un volume identique d'eau de mer dans la glace. On peut ainsi scinder le bilan d'énergie extraite de la glace en deux composantes: l'une résultant de la fonte volumique dans la région d'influence de la crête et l'autre résultant de l'advection d'eau de fonte depuis la plaque adjacente. \n \nEn conclusion, les estimations obtenues à partir de nos simulations suggèrent que l'ordre de grandeur de l'impact global des crêtes de pression sur le bilan énergétique glace-océan est non négligeable et mérite d'être étudié davantage avec un ordre de grandeur sur le flux de chaleur latente glace-océan qui pourrait atteindre jusqu'à 7 W/m2.

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