Pourquoi l'Antarctique est-il tellement plus froid que l'Arctique ?
― L'Antarctique est un « haut plateau », l'Arctique une « mer gelée »
L'endroit le plus froid de la Terre se trouve au cœur de l'Antarctique. L'Arctique aussi est froid, mais la température moyenne annuelle au pôle Sud serait environ 30 °C plus basse qu'au pôle Nord. Deux « extrémités de la Terre », et pourtant un tel écart : pourquoi ? La réponse se trouve sous nos pieds.
Sur une carte, l'Arctique et l'Antarctique se font face, en haut et en bas de la Terre. Dans les deux cas, le soleil reste bas et, en hiver, il ne se lève pas pendant plusieurs mois. Les conditions semblent presque identiques.
Pourtant, en comparant les relevés, l'écart est net. Autour du pôle Nord, même en hiver, la température resterait de l'ordre de −30 °C. Au pôle Sud, elle descend généralement autour de −60 °C en hiver.
De plus, à la base Vostok en Antarctique, −89,2 °C ont été mesurés en 1983. Des observations satellites ont même relevé des valeurs proches de −90 °C sur le plateau de l'intérieur de l'Antarctique. En Arctique, aucun record aussi froid n'a jamais été atteint.
Seulement deux raisons
Le continent antarctique est recouvert d'une couche de glace de 2 km d'épaisseur en moyenne. Le sol au pôle Sud se trouve à une altitude comparable aux 7e-8e stations du mont Fuji. Plus on monte, plus l'air se refroidit.
Le centre de l'Arctique n'est pas une terre mais une mer. Sous une glace de quelques mètres d'épaisseur se trouve une eau de mer qui reste liquide, autour de −2 °C. Cet océan envoie continuellement de la chaleur par le dessous.
En somme, l'Antarctique est « un bloc de glace perché en altitude, que rien ne réchauffe par le dessous ». L'Arctique est « une fine glace au niveau de la mer, avec sa propre bouillotte ». Voyons cela étape par étape.
Combien l'altitude seule fait-elle baisser la température ?
Beaucoup savent par expérience qu'on a plus frais en montagne. Quand l'air du bas monte en altitude, la pression autour de lui diminue et il se dilate. En se dilatant, il consomme sa propre chaleur, donc il se refroidit.
En moyenne, la température baisserait d'environ 6,5 °C par kilomètre d'altitude. Le pôle Sud se trouve à environ 2,8 km d'altitude. L'altitude seule donnerait donc un calcul d'environ 18 °C de moins qu'au niveau de la mer. Essayez de faire varier l'altitude avec le curseur de la figure 1.
Comme indiqué en bas à droite de la figure 1, l'altitude n'explique qu'environ 60 % de l'écart. Le reste s'explique par une seconde raison.
La mer arctique, une « bouillotte sous la glace »
L'eau de mer contient du sel et ne gèle qu'en dessous d'environ −1,8 °C. En Arctique, même quand la surface de la mer gèle, l'eau qui se trouve dessous reste à près de −2 °C. Même si l'air au-dessus est à −30 °C, juste sous la glace, c'est −2 °C.
Cet écart de température fait remonter peu à peu la chaleur de la mer à travers la glace. Comme la glace ne fait que quelques mètres d'épaisseur, la chaleur transmise n'est pas négligeable. La partie gauche de la figure 2 illustre ce phénomène.
Sous les pieds, au pôle Sud, comme le montre la partie droite de la figure 2, il y a plus de 2 km de glace accumulée sur la terre. Il n'y a pas d'océan pour envoyer de la chaleur par le dessous. Une chaleur provient aussi de l'intérieur de la Terre, mais elle est très faible et, bloquée par l'épaisse glace, n'atteint pas la surface.
De plus, en Antarctique, même en été, la neige et la glace fondent très peu. La surface toute blanche réfléchit l'essentiel du rayonnement solaire, donc le réchauffement estival reste faible. En Arctique, l'été fait craquer la banquise, et une surface de mer plus sombre apparaît, absorbant le rayonnement solaire.
Sur le plateau antarctique, l'air extrêmement refroidi est lourd et s'écoule le long des pentes douces vers la côte. On appelle ce phénomène « vent catabatique » ; près des côtes, il peut souffler fort pendant plusieurs jours d'affilée. Le froid du plateau est ainsi transporté jusqu'à la mer, sous forme de vent.
La calotte antarctique représenterait environ 90 % de la glace continentale terrestre. Si elle fondait entièrement, le niveau de la mer monterait, selon les calculs, de plusieurs dizaines de mètres. La banquise arctique, elle, flotte déjà sur la mer : sa fonte ne fait presque pas monter le niveau de la mer.
En résumé
L'Antarctique est environ 30 °C plus froid que l'Arctique parce que le pôle Sud se trouve sur un plateau de glace d'environ 2,8 km d'altitude. L'altitude seule explique environ 18 °C de refroidissement. De plus, sous la glace arctique se trouve un océan qui ne gèle pas et envoie continuellement de la chaleur, ce dont l'Antarctique est dépourvu.
L'Arctique : une fine glace flottant sur la mer.
L'Antarctique : un épais plateau de glace qui touche le ciel.
Ce qui se passe au fond de la glace antarctique est détaillé dans « Pourquoi y a-t-il un lac qui ne gèle pas sous l'endroit le plus froid de la Terre ? », et le mécanisme du refroidissement de l'air par l'altitude dans « Pourquoi le vent qui a franchi une montagne devient-il soudain chaud ? ».
- Préparez deux verres : dans l'un, mettez seulement de l'eau ; dans l'autre, de l'eau et du sel (environ une cuillère à soupe), bien dissous.
- Placez les deux au congélateur et regardez toutes les 30 minutes lequel commence à geler le premier.
- Même quand l'eau pure commence à geler, l'eau salée devrait rester liquide encore un moment. C'est exactement pour cette raison que la mer arctique, proche de −2 °C, ne gèle pas entièrement.
Lors des prévisions météo, comparez aussi la température d'une montagne élevée à celle au niveau du sol. Vous constaterez que le repère d'environ 6,5 °C par kilomètre d'altitude s'applique à peu près.
Pour en savoir plus ― vocabulaire, formules, liens avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque notion est indiqué clairement
- Collègeprogramme de sciences du collège
- Lycéeprogramme de « sciences de la Terre » ou de physique au lycée
- Lycée+contenu d'approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Universiténon enseigné au lycée : matière spécialisée universitaire (météorologie, glaciologie)
- Recherchepas encore considéré comme « établi » même à l'université ; sujet encore étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Calotte glaciaire (inlandsis) : masse de glace, formée par le tassement de la neige accumulée sur la terre, assez vaste pour recouvrir tout un continent. Aujourd'hui, on en trouve en Antarctique et au Groenland.
- Banquise : glace formée par le gel de l'eau de mer. La quasi-totalité de la glace qui recouvre le centre de l'Arctique en est.
- Gradient thermique vertical : taux de baisse de la température avec l'altitude. En moyenne, environ 6,5 °C par kilomètre.
CollègeLycéeVérification par le calcul : de combien l'altitude seule refroidit-elle le pôle Sud ?
Nous estimons quelle part de l'écart de température moyenne annuelle entre les deux pôles s'explique par l'« altitude ». Nous calculons aussi la quantité de chaleur qui remonte à travers la banquise arctique.
| En notation | T = T0 − Γ × h |
| En mots | Température en altitude = température au niveau de la mer − gradient thermique × altitude |
| D'où vient cette formule | Quand l'air monte, la pression baisse, il se dilate, et il consomme sa propre chaleur pour le faire (détente adiabatique). Γ est le taux moyen de refroidissement, vapeur d'eau comprise. |
| Chaleur traversant la banquise | q = k × ΔT ÷ d (loi de la conduction thermique : la chaleur transmise est proportionnelle à l'écart de température et inversement proportionnelle à l'épaisseur) |
| T0 | Température au niveau de la mer (°C) |
| Γ | Gradient thermique vertical (°C/km). Environ 6,5 en moyenne |
| h | Altitude (km) |
| q | Chaleur traversant chaque mètre carré, par seconde (W/m²) |
| k | Conductivité thermique de la glace (W/(m·K)) |
| ΔT, d | Écart de température entre le haut et le bas de la glace (°C), et épaisseur de la glace (m) |
| Température moyenne annuelle au pôle Nord | environ −18 °C |
| Température moyenne annuelle au pôle Sud | environ −49 °C |
| Altitude du pôle Sud | env. 2,8 km (2835 m) |
| Gradient thermique vertical | env. 6,5 °C/km (atmosphère standard internationale) |
| Conductivité thermique de la glace | env. 2,2 W/(m·K) |
| Épaisseur de la banquise (exemple) | 2 m |
| Surface et base de la banquise en hiver | environ −30 °C et −1,8 °C |
| Écart de température moyenne annuelle entre les deux pôles | 49 − 18 = 31 (°C) |
| Refroidissement dû à l'altitude (Γ × h) | 6,5 × 2,8 = 18,2 (°C) |
| Part de l'écart expliquée par l'altitude | 18,2 ÷ 31 ≒ 0,59 |
| Reste inexpliqué par l'altitude | 31 − 18,2 = 12,8 (°C) |
| Écart de température haut/bas de la banquise | 30 − 1,8 = 28,2 (°C) |
| Conductivité × écart de température | 2,2 × 28,2 ≒ 62 |
| Divisé par l'épaisseur 2 m (q) | 62 ÷ 2 = 31 (W/m²) |
| Pour une surface d'env. 1,6 m² | 31 × 1,6 ≒ 50 (W) |
L'altitude seule explique environ 60 % (environ 18 °C) de l'écart entre les deux pôles. Les quelque 13 °C restants s'expliquent en grande partie par la chaleur que la mer arctique envoie par le dessous de la glace. Cette chaleur représente environ 50 watts par 1,6 m² : comme une petite ampoule allumée tout l'hiver sous le plancher.
LycéeLycée+Rayonnement et « inversion thermique »
LycéeLe sol et la neige émettent un rayonnement infrarouge invisible qui laisse échapper la chaleur vers l'espace (refroidissement radiatif). La vapeur d'eau et les nuages dans l'air en interceptent une partie et la renvoient vers le sol. Sur le haut plateau antarctique, l'air est raréfié et contient très peu de vapeur d'eau, ce qui facilite la fuite de la chaleur vers l'espace.
Lycée+En hiver, sur le plateau antarctique, c'est la surface de neige qui se refroidit le plus, tandis que l'air situé juste au-dessus reste un peu plus chaud : on parle d'« inversion thermique de surface ». Dans cette situation, l'idée que « plus on monte, plus il fait froid » ne s'applique pas tout près du sol. L'estimation donnée dans le texte repose sur le refroidissement moyen de l'ensemble de l'atmosphère.
UniversitéBilan thermique et conduction dans la banquise
La température des régions polaires est déterminée par le bilan thermique de surface (équilibre entre rayonnement net, chaleur sensible, chaleur latente, et chaleur conduite depuis le sol ou l'océan). En Arctique, la chaleur conduite à travers la banquise, ainsi que la forte chaleur émise par les chenaux de fracture (leads) de la banquise, réchauffent la surface en hiver. Le refroidissement avec l'altitude se traite à l'aide des gradients adiabatiques sec et humide et du concept d'atmosphère standard. Les observations satellitaires en Antarctique ont rapporté des températures de surface minimales d'environ −98 °C dans de petites dépressions du plateau.
📖 Pour la démonstration des formules et pour aller plus loin : Gradient thermique vertical (Wikipédia, en japonais) ／ South, article satellite sur les températures de surface extrêmes en Antarctique de l'Est (Scambos et al., 2018)
RechercheCe qui n'est pas encore clairement établi
- Jusqu'où la température de surface peut-elle descendre ? Les valeurs proches de −90 °C trouvées par satellite apparaîtraient lors de journées claires et peu venteuses se prolongeant plusieurs jours. La limite théorique inférieure reste à l'étude.
- Si la banquise arctique s'amincit, comment évoluera le froid hivernal ? Plus la banquise est fine, plus la chaleur de la mer passe facilement. C'est l'une des raisons avancées pour expliquer que le réchauffement arctique progresse plus vite que la moyenne mondiale, mais l'ampleur exacte varie selon les études.
- Pourquoi l'intérieur de l'Antarctique montre-t-il moins nettement les effets du réchauffement ? Dans l'ouest de l'Antarctique et dans la péninsule, la tendance au réchauffement est claire, mais sur le plateau intérieur, la dispersion des résultats reste grande et le débat continue.
Autrement dit, le contenu de cet article reflète « ce que l'on comprend à ce jour ». Gardez notamment en tête que le chiffre « quelle part s'explique par l'altitude » n'est qu'un repère fondé sur les propriétés moyennes de l'atmosphère.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・météorologie et ses changements (formation des nuages) | Pourquoi l'air se refroidit en altitude |
| Lycée | Sciences de la Terre・structure de l'atmosphère et bilan thermique | Gradient thermique vertical, refroidissement radiatif |
| Lycée+ | Sciences de la Terre・inversion thermique | Inversion thermique de surface sur le plateau antarctique |
| Université | Météorologie, glaciologie (bilan thermique, banquise) | Estimation de la conduction thermique à travers la banquise |
| Recherche | Climatologie polaire | Température minimale de surface, rapidité du réchauffement arctique |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Prévision de la température en montagne, difficulté de l'eau salée à geler |
- Wikipédia « Calotte glaciaire de l'Antarctique » (南極氷床, en japonais)
- Wikipédia « Banquise » (海氷, en japonais)
- Scambos, T. A. et al. (2018) Ultralow Surface Temperatures in East Antarctica From Satellite Thermal Infrared Mapping: The Coldest Places on Earth. Geophysical Research Letters
- Société japonaise de glaciologie (éd.), Nouveau dictionnaire de la neige et de la glace (日本雪氷学会 編『新版 雪氷辞典』), Kokon Shoin
- Ogura Yoshimitsu, Météorologie générale (小倉義光『一般気象学』), Presses de l'Université de Tokyo
※Cet article est une vulgarisation scientifique à usage général. Les chiffres indiqués sont des repères et des estimations destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. Les températures varient selon le lieu et l'année d'observation.