Pourquoi un glacier, fait de glace bien dure, coule-t-il comme une rivière ?
― La glace écrasée se déforme lentement
La glace est dure : on la casse d'un coup. Et pourtant, un glacier descend sa vallée, année après année, pendant des millénaires. En réalité, sous une pression forte et prolongée, la glace ne se casse pas : elle se déforme lentement. C'est de là que vient l'écoulement des glaciers.
Vous prenez un glaçon tout juste sorti du congélateur et vous le serrez fort dans la main. Bien sûr, il ne change pas de forme. Si vous le laissez tomber, il se brise net. La glace, c'est ça.
Et pourtant, sur une photo de montagne, on voit un ruban de glace blanche qui descend la vallée en serpentant, comme une rivière. Sa surface est parcourue de crevasses profondes.
Comment une matière aussi dure peut-elle sembler « couler » ? Et pourquoi ces fissures apparaissent-elles justement à la surface de ce flux ?
Il y a deux raisons principales
Un glacier peut mesurer plus de cent mètres d'épaisseur. Ce poids écrase en permanence la glace du fond, qui, au lieu de se casser, se déforme peu à peu. L'accumulation de ces petites déformations lentes fait glisser l'ensemble vers le bas.
La base d'un glacier peut fondre légèrement, sous l'effet de la chaleur venue du sol ou de la chaleur de friction. Ce mince film d'eau facilite le glissement, et le glacier tout entier se déplace sur la roche.
Le premier point concerne la déformation de la glace elle-même, le second la relation entre le glacier et le sol. Voyons-les dans l'ordre.
Que signifie « se déformer lentement » pour une glace bien dure ?
Dans la glace, les molécules d'eau sont rangées comme des feuillets bien ordonnés, empilés les uns sur les autres. Entre deux feuillets, les liaisons sont plus lâches qu'à l'intérieur d'un même feuillet. Sous une force suffisante, un léger glissement peut donc se produire le long de ces plans.
Imaginez un jeu de cartes qu'on pousse de biais, par le haut. Chaque carte, prise seule, bouge très peu. Mais l'ensemble du paquet finit par s'incliner. Dans la glace, il se passe quelque chose de semblable.
Ce glissement reste toutefois très lent. On estime que beaucoup de glaciers avancent de quelques dizaines de mètres par an. À l'œil, on ne voit donc rien bouger. Certains glaciers rapides progresseraient, dit-on, de plusieurs dizaines de mètres par jour, mais même cela reste invisible à l'œil nu.
Ce qui compte, c'est que cette « déformation » ne se produit que là où la pression est forte. Près de la surface du glacier, il y a peu de glace au-dessus, donc peu de pression : cette zone reste de la glace ordinaire, cassante. La partie haute ne peut donc pas suivre le mouvement lent du dessous, et elle se déchire. Ce sont les crevasses, ces fissures profondes. Voir la figure 1.
D'où vient l'eau au fond du glacier ?
Au fond d'un glacier, trois choses se produisent en même temps. D'abord, la chaleur qui monte de l'intérieur de la Terre : le sol, partout, laisse échapper un peu de chaleur en continu. Ensuite, la chaleur produite par le frottement de la glace sur la roche, comme quand on se frotte les mains pour les réchauffer.
Le troisième point est un peu plus étonnant. Sous une forte pression, la température de fusion de la glace baisse légèrement. Autrement dit, plus la glace est comprimée, plus elle peut fondre à une température inférieure à 0 °C. Mais cet effet reste très faible : même au fond d'un glacier épais, la baisse serait inférieure à 1 degré. Cela suffit pourtant à faire basculer la situation, si la température du fond est déjà proche de 0 °C.
Cette fine pellicule d'eau ainsi créée facilite le glissement entre le glacier et la roche. Pour une même épaisseur de glace, la vitesse de déplacement change radicalement selon que le fond est gelé ou qu'une couche d'eau s'y trouve.
La glace d'un glacier ne provient pas d'eau congelée. C'est de la neige accumulée, comprimée par le poids de la neige qui s'entasse au-dessus, qui devient peu à peu de la glace en expulsant l'air. Ainsi, plus la glace est profonde, plus elle est ancienne, et les minuscules bulles qu'elle renferme seraient de l'air d'époques anciennes, préservé tel quel.
Une vallée creusée par l'eau a tendance à avoir un fond pointu. Un glacier, lui, érode simultanément le fond et les flancs sur toute sa largeur. Il en résulte une vallée large au fond, en forme de cuvette. Au Japon aussi, dans les Alpes du Nord par exemple, on pense que des vallées ont conservé cette forme.
En résumé
Un glacier coule parce que la glace possède à la fois la dureté d'un solide qui casse et la souplesse d'une matière qui se déforme lentement. La surface se fissure, les profondeurs se déforment, le fond glisse : ces trois phénomènes combinés font descendre ce bloc de glace le long de la vallée, comme une rivière.
Soumise à une forte pression pendant longtemps,
la glace cesse de casser et commence à couler.
Sur les propriétés étonnantes de la glace elle-même, voir Pourquoi la glace flotte-t-elle sur l'eau ? ; sur la façon dont les montagnes sont remodelées sur de longues périodes, voir Comment des fossiles de coquillages se retrouvent-ils au sommet des montagnes ? Le mécanisme de formation des cristaux de neige est expliqué dans Pourquoi les flocons de neige sont-ils hexagonaux ?
- Laissez debout une vieille tablette de chocolat, appuyée contre quelque chose, pendant plusieurs jours. En saison chaude, le bas se déforme peu à peu, en gonflant légèrement. Elle casse net si on la frappe, mais change de forme avec le temps.
- Versez du miel dans une assiette et laissez reposer 10 minutes. Juste après avoir versé, il forme un petit tas ; il s'étale ensuite peu à peu en s'aplatissant. On voit ainsi qu'une même matière se comporte différemment selon qu'une force s'exerce vite ou lentement.
- Empilez environ 50 feuilles de papier et faites glisser le tas horizontalement en appuyant dessus par le haut. Le décalage entre deux feuilles voisines est minime, mais entre le haut et le bas de la pile, il devient important. C'est un mouvement proche de ce qui se passe dans la glace.
Tester avec de la vraie glace prendrait des années. Essayez d'abord avec ces substituts, pour ressentir comment un solide dur finit par se déformer avec le temps.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules, liens avec les manuelsDu niveau collège jusqu'aux matières universitaires spécialisées, chaque section indique son niveau
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de lycée (« physique de base, sciences de la Terre de base »)
- Lycée+Contenu avancé du lycée, ou encadré complémentaire des manuels
- UniversitéNon enseigné au lycée : matière universitaire spécialisée (glaciologie, géophysique)
- RecherchePas encore enseigné comme « fait établi », même à l'université : sujet en cours d'étude par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Déformation plastique : changement de forme qui ne disparaît pas quand la force cesse. La déformation lente de la glace d'un glacier, au fil du temps, en est un exemple.
- Glissement basal : déplacement de l'ensemble du glacier sur la roche du fond. Il dépend fortement de la présence ou non d'eau à la base.
- Crevasse : fissure profonde à la surface d'un glacier. Elle apparaît parce que la glace cassante du haut ne peut pas suivre le mouvement lent de la glace en dessous.
CollègeLycéeVérification par le calcul : quelle pression subit le fond d'un glacier ?
Prenons un glacier de 100 mètres d'épaisseur. Sur chaque mètre carré de son fond s'exerce directement le poids de la glace située au-dessus. Convertissons cette force en une unité de pression familière.
| Écriture symbolique | P = ρ × g × h |
| En mots | Pression au fond = densité de la glace × accélération de la gravité × épaisseur de la glace |
| D'où vient cette formule | Le poids de la colonne de glace posée sur un mètre carré du fond (densité × volume × accélération de la gravité), divisé par cette même surface d'un mètre carré. C'est la même formule que la « pression hydrostatique » au fond de l'eau |
| P | Pression au fond du glacier (en pascals = newtons par mètre carré) |
| ρ | Densité de la glace (kg/m³) |
| g | Accélération de la gravité (m/s²), soit la force gravitationnelle exercée sur 1 kilogramme |
| h | Épaisseur du glacier (m) |
| Densité de la glace (poids d'un mètre cube) | environ 900 kilogrammes |
| Épaisseur du glacier considéré | 100 mètres |
| Ordre de grandeur de la gravité pour 1 kilogramme | environ 9,8 newtons |
| Poids de la glace sur 1 m² du fond (en kilogrammes) | 900 × 100 = 90000 |
| Force exercée sur le fond (en newtons) | 90000 × 9,8 = 882000 |
| Combien de fois la pression atmosphérique (environ 100000) | 882000 ÷ 100000 ≒ 8,8 |
Autrement dit, le fond d'un glacier de 100 mètres d'épaisseur subit une pression d'environ 9 atmosphères. C'est comparable, en équivalent d'eau, à une profondeur d'environ 90 mètres. Parmi les unités utilisées ici, la densité s'exprime en kilogrammes par mètre cube, la force en newtons, et la pression en newtons par mètre carré. C'est cette pression, maintenue pendant très longtemps, qui fait commencer la glace à se déformer lentement.
LycéeLycée+Pourquoi c'est le haut, et non le fond, qui va le plus vite
LycéeLa pression est plus forte en profondeur, donc la déformation y est plus active. Mais la distance parcourue que nous observons à une profondeur donnée résulte de l'accumulation des déplacements de toutes les couches situées en dessous. C'est donc à la surface, où cette somme est la plus grande, que le déplacement est le plus rapide. C'est pour cela que les flèches de la figure 1 sont plus longues en haut.
Lycée+À la différence d'un liquide comme le sirop, doubler la force appliquée à la glace ne double pas la vitesse de déformation. En réalité, la vitesse de déformation augmenterait presque comme le cube de la force appliquée. C'est cette forte sensibilité qui explique qu'une légère augmentation d'épaisseur suffise à accélérer brusquement un glacier.
UniversitéTraiter la glace comme un « écoulement extrêmement lent »
En glaciologie universitaire, on traite le glacier comme un écoulement où la force appliquée et la vitesse de déformation ne sont pas proportionnelles. L'orientation des cristaux à l'intérieur de la glace, la teneur en eau, la quantité de sédiments fins qu'elle contient influencent tous sa facilité à se déformer. La relation entre force appliquée et vitesse de déformation est appelée loi d'écoulement de Glen : la vitesse de déformation serait proportionnelle à peu près au cube de la force appliquée. On pense aussi qu'au fond, lorsque la glace franchit une aspérité rocheuse, elle fond du côté comprimé et regèle du côté opposé — un mécanisme supplémentaire qui contribuerait à l'avancée du glacier.
📖 Pour la dérivation des formules et pour aller plus loin : Pression hydrostatique (Wikipédia, en japonais) ／ Glacier (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore bien compris
- Le trajet de l'eau au fond On pense que l'eau au fond d'un glacier forme parfois un film large et fin, parfois des chenaux étroits comme de petites rivières, selon le lieu et la saison, mais l'observation directe est difficile et ce point reste mal connu.
- Le mécanisme des accélérations soudaines Certains glaciers, habituellement très lents, accélèrent parfois de plusieurs dizaines de fois pendant quelques mois seulement. Ce qui déclenche ce phénomène reste débattu.
- Les prévisions à l'échelle de l'océan La vitesse à laquelle les glaciers et les calottes glaciaires se déversent dans la mer influe directement sur les prévisions futures du niveau des océans. C'est encore aujourd'hui un point où les prévisions varient beaucoup.
Autrement dit, le contenu de cet article correspond à « ce que l'on comprend dans l'état actuel des connaissances ». Ce qui se passe au fond, en particulier, pourrait encore être réécrit à l'avenir.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage correspondant de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : forces et pression, changements d'état | Le poids de la glace qui presse le fond, la fonte de la glace |
| Lycée | Sciences de la Terre de base : formation des reliefs／Physique de base : forces et pression | La vallée en forme de cuvette, le calcul de la pression au fond |
| Lycée+ | Physique : déformation de la matière／Sciences de la Terre : glaciations et périodes interglaciaires | La non-proportionnalité entre force appliquée et vitesse de déformation |
| Université | Glaciologie, géophysique | La glace traitée comme un écoulement, la refonte-regel au fond |
| Recherche | Observation et modélisation des glaciers et calottes glaciaires | Le trajet de l'eau au fond, le mécanisme des accélérations soudaines |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | La forme des vallées de montagne, l'air ancien piégé dans la glace |
- Société japonaise de la neige et de la glace (dir.), *Dictionnaire de la neige et de la glace* (雪と氷の事典), Asakura Shoten (朝倉書店)
- Institut national de recherche polaire (国立極地研究所), page explicative « La science de l'Antarctique et de l'Arctique »
- W. S. B. Paterson, The Physics of Glaciers, Elsevier
- Agence météorologique japonaise (気象庁), « Rapport de surveillance du changement climatique », section sur le niveau de la mer et la neige/glace
※Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Les valeurs chiffrées données servent uniquement à faciliter la compréhension et restent des ordres de grandeur approximatifs. Si vous vous rendez dans un lieu enneigé ou englacé, suivez les consignes et les indications des gestionnaires du site ou des autorités locales.