3.3.3 Épaisseur de la glace de mer

Les contributions thermodynamiques comprennent la croissance et la fonte de la glace de mer en quête d’un état moyen, contrairement aux contributions dynamiques qui comprennent la déformation mécanique de la couverture de glace de mer qui donne lieu à des extrêmes associés à l’eau libre (divergence) et à la formation de crêtes (convergence). Le franc-bord et le tirant d’eau caractérisent l’épaisseur de la glace de mer, où le franc-bord est défini comme la hauteur de l’élévation de la surface, tandis que le tirant d’eau est la profondeur de la glace de mer sous la surface de la mer (figure 3.6). Les données satellitaires sur l’épaisseur de la glace de mer fournissent un indicateur de la santé de la glace de mer de l’Arctique en raison des changements climatiques (Tilling et coll., 2015; Kwok et Cunningham, 2015; Petty et coll., 2020). Cependant, l’épaisseur de la glace de mer influence également sa force de compression, l’échange de chaleur et de gaz (Kurtz et coll., 2011, Renner et coll., 2017) le mouvement de la glace de mer (la glace plus mince se déplace plus rapidement et est déformée plus facilement que la glace plus épaisse, p. ex., Hakkinen et coll., 2008; Spreen et coll., 2011)., la circulation de l’eau douce et la stratification dans le haut de l’océan (en raison de la fonte causée par les changements du volume de glace, une signature de stockage de l’eau douce, p. ex., Jensen et coll., 2016, Carmack et coll., 2016), les bilans du volume de glace (Kwok, 2018), les taux de productivité, la navigation et les itinéraires maritimes (p. ex., Haas et Howell, 2015; Mudryk et coll., 2021), les prévisions de la glace de mer (Balan-Sarojini et coll., 2021) et les voyages communautaires (p. ex., SmartICE, Sea Ice Monitoring and Information Inc; https://oceansadvance.net/member/smartice-sea-ice-monitoring-information-inc/ [en anglais seulement]).

Figure 3.6. Éléments de démonstration schématiques qui définissent l’épaisseur de la glace de mer, y compris le franc-bord (hauteur de la glace au-dessus du niveau de la mer et au-dessous de l’interface neige-glace) et le tirant d’eau (profondeur de la glace sous le niveau de la mer), en plus de l’épaisseur de la neige, qui influence les récupérations relatives à l’épaisseur de la glace de mer. Image reproduite avec l’aimable autorisation du National Snow and Ice Data Centre (NSIDC), https://nsidc.org/sites/nsidc.org/files/cryosphere/glossary/glossary_freeboard.png

Les données sur l’épaisseur de la glace de mer se présentent sous la forme de produits sur grille basés sur des récupérations par satellite, y compris les satellites Ice, Cloud and Land Elevation Satellite de la NASA (ICESat-1 et -2) et le satellite CryoSat-2, ainsi que sur des observations sur place, y compris des sonars orientés vers le haut sur les sous-marins et les bouées ancrées et des mesures d’induction électromagnétique à partir d’avions et de la côte comme l’Operation IceBridge, qui prévoit des vols et des trajectoires au-dessus de l’archipel Arctique canadien, et en particulier le long du passage du Nord-Ouest en 2010 (Haas, 2004; Haas et coll., 2009). Il convient de noter que l’altimétrie laser satellite (comme celle de ICESat-1 et -2) mesure le franc-bord de la neige et de la glace (hauteur de la couverture de glace et de neige au-dessus du niveau de la mer), tandis que l’altimétrie radar satellite (comme CryoSat-2) mesure le franc-bord de la glace de mer (hauteur de la glace de mer au-dessus de la surface de la mer). Pour calculer l’épaisseur de la glace de mer en supposant un équilibre hydrostatique, les deux techniques nécessitent des estimations auxiliaires de l’épaisseur de la neige, de la densité de la neige et de la densité de la glace (Stroeve et Notz, 2018). Voici un aperçu des données sur l’épaisseur de la glace de mer susceptibles d’intéresser les utilisateurs de données dans le Nord canadien, en plus des références comparant les récents ensembles de données et leurs limites. Comme pour les autres variables de la glace de mer, ces ensembles de données sont présentés en raison de leur disponibilité et de leur couverture locale et mondiale, bien qu’il existe un enregistrement relativement court de l’épaisseur dérivée par satellite par rapport à la concentration de la glace de mer dérivée par satellite et aux vecteurs de dérive.

a) Programme canadien sur l’épaisseur de la glace

L’épaisseur de la glace de mer côtière et l’épaisseur de la neige sur la glace de mer ont été mesurées régulièrement dans de nombreuses stations côtières partout au Canada depuis environ 1950. L’Jeu de données est disponible sur le site Web du Service canadien des glaces (https://www.canada.ca/fr/environnement-changement-climatique/services/previsions-observations-glaces/conditions-glaces-plus-recentes/archives-apercu/donnees-epaisseur.html). Les mesures ont été enregistrées sur place au centimètre près à l’aide de vilebrequins à glace et de jauges d’épaisseur à fil chaud. Les mesures sont prises une fois par semaine, à partir du moment où il est sécuritaire de marcher sur la glace et jusqu’à ce que la glace se détache ou devienne dangereuse. Ce produit est également inclus dans le Unified Sea ice thickness data record, décrit plus loin dans la section suivante.

Le Canadian Cryospheric Information Network (CCIN) fournit une ressource utile pour visualiser les changements d’épaisseur de la glace de mer à partir du programme canadien sur l’épaisseur de la glace (en plus de l’âge de la glace comme indicateur de l’épaisseur de la glace, de l’épaisseur dérivée par satellite de l’ICESat et de l’épaisseur modélisée à partir de PIOMAS) à des endroits précis dans l’Arctique canadien (https://ccin.ca/ccw/seaice/current/thickness [en anglais seulement]).

Figure 3.7 Emplacement des stations côtières du programme canadien sur l’épaisseur de la glace Sources : Unified Sea Ice Thickness Climate Data Record, University of Washington, http://psc.apl.uw.edu/sea_ice_cdr/figures/canadian_coatal/station_locations.png.

Considérations et limites

Cet Jeu de données a été utilisé dans l’évaluation de la variabilité spatiale et temporelle de l’épaisseur de la glace de rive dans l’Arctique canadien (Brown et Cote, 1992; Howell et coll., 2016), mais le programme original sur l’épaisseur de la glace au Canada a pris fin en 2002 en raison d’une diminution du nombre de sites d’enregistrement, et il a été rétabli à l’automne 2012 avec un sous-ensemble de stations. Par conséquent, la faible répartition spatiale et la cohérence temporelle de l’Jeu de données limitent l’évaluation des changements de l’épaisseur de la glace de mer (et de l’épaisseur de la neige sur la glace de mer) à des endroits et à des intervalles de temps particuliers. Plus précisément, seuls quelques sites (Cambridge Bay, Resolute, Eureka et Alert) fournissent des mesures cohérentes pour l’ensemble de l’enregistrement.

a) Unified Sea Ice Thickness Climate Data Record

Le tirant d’eau glaciel, l’épaisseur de la glace et l’épaisseur de la glace de mer et de la neige sont fournis dans cet Jeu de données à partir d’une collection d’observations par satellite (franc-bord) et sur place (tirant d’eau), comprenant des sonars émettant vers le haut (ULS) sur des bouées ancrées ou des sous-marins, des mesures réalisées à partir de trous de forage et des mesures de l’induction électromagnétique aérienne et terrestre de 1975 à 2012 (Lindsay et Schweiger, 2015). L’évaluation des estimations de l’épaisseur de 1975 à 2012 dans le centre de l’Arctique combinée à une approche ajustée à la courbe avec cet Jeu de données a démontré une diminution de 65 % de l’épaisseur de la glace de mer dans le centre de l’Arctique au cours de cette période. La comparaison entre les observations a démontré un accord raisonnable entre les mesures de l’ICESat et des sonars émettant vers le haut, avec des valeurs de l’ordre de 0,11 m.

Considérations et limites

Un échantillonnage spatial et temporel limité nuit à l’évaluation à long terme des changements de l’épaisseur de la glace de mer à des endroits arbitraires fournis par un produit sur grille. L’incertitude associée aux instruments et aux mesures particuliers sera également requise dans les analyses qui utilisent ce produit. Les sources d’incertitude comprennent les erreurs d’échantillonnage, les erreurs de mesure, les erreurs systématiques et les erreurs associées à la procédure de régression utilisée pour combiner plusieurs produits de données (Lindsay et Schweiger, 2015). L’absence d’une couverture spatiale et temporelle continue pourrait être réglée en partie par une interprétation lagrangienne des changements de l’épaisseur de la glace de mer, comme c’est le cas avec les bouées dérivantes de bilan massique de la glace.

b) Produits dérivés de satellites pour l’épaisseur de la glace de mer (CryoSat-2 et ICESat-1/ICESat-1/2)

Les récupérations de CryoSat et ICESat nécessitent un prétraitement des données d’altimétrie pour calculer l’élévation de la surface et, par la suite, l’épaisseur de la glace de mer. Pour les données d’altimétrie de CryoSat-2, les échos radars spéculaires (en pointe) et diffus (largement distribués) distinguent respectivement les formes d’onde des chenaux/de la glace mince et celles de l’océan (Tilling et coll., 2018). Les échos diffus sont également caractérisés par des floes dans des régions dont la concentration de glace de mer est supérieure à 75 % dérivés d’une grille de 25 km. Les types de glace sont déterminés à partir de l’OSI-SAF, et des techniques de « re-poursuite » distinctes sont appliquées aux échos spéculaires et diffus, à partir desquels l’élévation de la surface de l’océan des chenaux et les élévations de la surface des floes de glace de mer sont déterminées. Le franc-bord radar est déterminé à partir de la différence d’élévation entre les surfaces des chenaux et des floes de glace de mer. Pour les données d’altimétrie des satellites ICESat-1 et -2, les hauteurs de franc-bord de neige et de glace sont calculées à partir de la différence entre l’élévation de la surface et l’élévation de la surface de la mer associée aux chenaux à des intervalles de 10 km pour les régions situées à 25 km du littoral où les concentrations de glace de mer dépassent 50 % (Kwok et coll., 2020). En supposant un équilibre hydrostatique, l’épaisseur de la glace de mer est calculée à partir du franc-bord en tenant compte de la charge de neige sur la glace de mer (c.-à-d. la profondeur multipliée par la densité), et en utilisant la glace de mer et les densités océaniques pour déterminer la quantité de glace qui se trouve sous le niveau de la mer. Les méthodes classiques ont utilisé une climatologie à long terme (c.-à-d. une moyenne) de l’épaisseur de la neige et des cartes de densité compilées à partir de mesures directes aux stations russes dérivantes dans les années 1950 à 1990 pour effectuer la conversion du franc-bord à l’épaisseur (Warren et coll., 1999). Le fait que les données sur l’épaisseur de la glace de mer reposent sur des mesures régulières de la hauteur de la surface de la mer aux chenaux, qui sont peu nombreuses dans les chenaux étroits de l’Arctique canadien, de sorte que les données sont souvent manquantes ou peu fiables pour ces régions, constitue une limite de l’altimétrie. Les données de Cryosat-2 sont disponibles de 2010 à aujourd’hui, celles de l’ICESat-1 de 2003 à 2008 et celles de l’ICESat-2 de 2018 à aujourd’hui. Le franc-bord de la neige et de la glace, l’épaisseur de la neige et l’épaisseur de la glace de mer ont été fournis par le relevé aérien de l’Operation IceBridge pendant l’écart entre les missions de l’ICESat-1 et de l’ICESat-2 (Kurtz et coll., 2013; Tschudi et coll., 2016).

Figure 3.8 Cartes de l’épaisseur de la glace de mer dérivées de CryoSat-2 en automne (octobre – novembre; rangée du haut) de 2010 à 2014 et au printemps (mars – avril; rangée du bas) de 2011 à 2015. (Source : Tilling et coll., 2018.)

a) SMOS et SMAP

L’épaisseur de la glace de mer dérivée de la mission Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) est calculée à partir des températures de brillance enregistrées par le radiomètre à bande L de la mission et est efficace pour détecter la glace mince (Kaleschke et coll., 2012). L’épaisseur de la glace de mer dérivée de la mission Soil Moisture Active Passive (SMAP) de la NASA est également dérivée des températures de brillance observées par un radiomètre à balayage avec un angle d’incidence fixe à bord du satellite (Patilea et coll., 2019).

Considérations et limites

L’emplacement de l’horizon de rayonnement radar dans le système neige-glace représente une source d’erreur notable pour les altimètres radar (c.-à-d. CryoSat-2). L’épaisseur de la neige sur la glace de mer (Giles et coll., 2007) constitue une source d’erreur pour les altimètres radar et laser (c.-à-d. CryoSat-2 et ICESat-1/2). Le fait que les estimations de l’épaisseur de la glace de mer ne sont pas disponibles pendant la saison de fonte estivale et ne couvrent pas un long domaine temporel constitue la limite temporelle de l’altimétrie satellitaire. D’un point de vue spatial, les estimations se limitent à des zones à proximité immédiate des chenaux et sont donc moins fiables pour les régions situées le long des rives (c.-à-d. l’archipel Arctique canadien). Une comparaison récente des observations de l’épaisseur de la glace de mer par satellite et des observations sur place a démontré que le satellite CryoSat-2 fournissait une estimation fiable des épaisseurs variant de 0,5 à 4 m, tandis qu’un produit combiné CrysoSat-2 et Soil Moisture and Ocean Salinity fournissait une estimation raisonnable de la glace mince (Salilla et coll., 2019). De plus, les missions SMOS et SMAP sont limitées par la résolution des capteurs (~62 km) dans les chenaux de l’archipel Arctique canadien.

b) Enregistrement des données climatiques sur l’épaisseur de la glace de mer de l’Arctique

Les données mensuelles sur l’épaisseur de la glace de mer pour les mois d’hiver à partir de 2002 qui sont fondées sur les observations de l’altimétrie radar par satellite (produit C3S pour l’épaisseur, à partir de l’imagerie satellitaire d’Envisat et de CryoSat-2) sont obtenues à l’aide du franc-bord de la glace de mer, de la densité constante de l’eau de mer, de la densité de la neige et de la profondeur d’une climatologie (avec une épaisseur de neige de 50 % sur la glace de mer de première année; Warren et coll., 1999), et la densité de la glace de mer catégorisée en fonction du type de glace (glace de première année et glace de plusieurs années; document théorique de base de l’algorithme de C3S). Il s’agit d’un produit sur grille qui comprend une variété de mesures et qui est comparable à l’Unified Sea Ice Thickness Climate Record pour les observations de l’épaisseur sur place.

c) Voici un autre produit d’intérêt qui simule l’épaisseur de la glace de mer :

PIOMAS (http://psc.apl.uw.edu/research/projects/arctic-sea-ice-volume-anomaly/ [en anglais seulement])

Références - Épaisseur de la glace de mer

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