Pourquoi un lac non gelé sous l'endroit le plus froid de la Terre ?
― Au fond de la glace antarctique, une épaisse couverture et un lourd couvercle gardent l'eau liquide
L'Antarctique abrite l'endroit où l'on a relevé la température la plus basse jamais mesurée au sol : −89 °C. Juste en dessous, au fond de près de 4 km de glace, dort un « lac d'eau liquide » presque 20 fois plus vaste que le lac Biwa. La glace, censée tout geler, est en réalité ce qui protège le lac.
Dans les régions enneigées, on dit que le sol gèle moins quand il est tombé beaucoup de neige. Il fait un froid de gel au-dessus, mais sous la neige, la terre reste près de 0 °C.
À la station Vostok, en Antarctique, on a mesuré −89,2 °C en 1983. C'est considéré comme la température la plus basse jamais enregistrée par une station météo au sol.
Pourtant, si l'on creuse environ 3 700 m sous cette station, on trouve de l'eau liquide sous la glace. C'est le « lac Vostok », le plus grand lac sous-glaciaire d'Antarctique. Pourquoi ne gèle-t-il pas ?
Seulement deux raisons
Depuis le sol, la chaleur de l'intérieur de la Terre remonte très lentement. Près de 4 km de glace forment une couverture épaisse qui laisse mal fuir cette chaleur. Elle s'accumule, et le fond est plus chaud.
Sous une forte pression, la glace fond même en dessous de 0 °C. Au fond, la pression atteint environ 330 atmosphères, et la température de fusion descend à quelque −2 °C.
Autrement dit, la température du fond est poussée « vers le haut », tandis que la température de fusion est poussée « vers le bas ». Là où les deux se rencontrent, la glace devient de l'eau. Voyons cela pas à pas.
La chaleur de la Terre reste piégée sous la couverture de glace
L'intérieur de la Terre est encore à plusieurs milliers de degrés. Cette chaleur s'échappe du sol en quantité infime : environ 0,05 watt par mètre carré. Votre main ne pourrait pas la sentir.
Sur un sol ordinaire, cette chaleur gagne vite l'air. En Antarctique, près de 4 km de glace sont empilés par-dessus. 1 cm de glace isole peu. Mais empilée sur des milliers de mètres, la chaleur peine à atteindre la surface.
Pour traverser la glace, la chaleur a besoin d'un écart de température entre le haut et le bas. Même minuscule, ce flux exige un grand écart pour franchir 4 km de glace. Résultat : même si la surface est à −55 °C, le fond se réchauffe jusqu'à la température de fusion.
Regardez la droite de la figure 1. Si l'on prolonge simplement la ligne pointillée, le fond serait à ＋34 °C. Bien sûr, ce n'est pas le cas : dès que la température de fusion est atteinte, la chaleur excédentaire sert à faire fondre la glace. Dans la vraie calotte, la neige froide qui tombe en surface transporte son froid vers le bas, et la température monte plus doucement que ne l'indique la ligne pointillée. Pourtant, le fond atteint souvent la température de fusion.
Le poids de la glace abaisse la température de fusion
En général, une matière comprimée se solidifie plus facilement. L'eau, elle, est une originale : la glace occupe plus de volume que l'eau liquide. Sous forte pression, elle penche donc vers l'eau liquide, plus compacte. Autrement dit, la glace comprimée fond en dessous de 0 °C.
L'effet est faible. À chaque atmosphère supplémentaire, la température de fusion ne baisse que d'environ 0,0075 °C. La pression d'une lame de patin n'y change presque rien. Mais le poids de près de 4 km de glace atteint environ 330 atmosphères. La température de fusion descend alors jusqu'à environ −2,4 °C.
On estime la température de l'eau du lac Vostok à environ −3 °C. Qu'elle reste liquide alors qu'elle est plus froide que 0 °C, c'est grâce à ce lourd couvercle.
On repère les lacs sous la glace en envoyant des ondes radio à travers elle depuis les airs. La surface d'un lac renvoie fortement les ondes et apparaît plane. Un inventaire de 2012 en a dénombré environ 380 en Antarctique. Des mesures par satellite ont même montré des lacs reliés par des rivières, qui se vident et se remplissent en quelques années.
En résumé
Le fond de la glace antarctique ne gèle pas parce que la glace épaisse forme une couverture qui piège la chaleur de la Terre et, en même temps, que son poids sert de couvercle qui abaisse la température de fusion. Une surface glaciale et un lac liquide sont les deux faces, dessus et dessous, d'une même glace.
Plus la glace est épaisse, plus elle fait fondre son propre fond.
Sous l'endroit le plus froid de la Terre, le lac est réchauffé.
L'eau au fond de la glace joue aussi un rôle dans le mouvement des glaciers. Lisez aussi Pourquoi un glacier, pourtant de la glace dure, coule-t-il comme un fleuve ? L'eau plus froide que 0 °C est présentée dans L'eau qui ne gèle pas même à −20 °C, et la glace qui ne fond pas quand on la presse dans Pourquoi une route verglacée est-elle si glissante ? Et pour l'air vieux de 800 000 ans, emprisonné en bulles dans cette même glace antarctique épaisse, lisez Pourquoi la glace antarctique garde-t-elle de l'air vieux de 800 000 ans ?
- Fabriquez un gros bloc de glace au congélateur et posez-le en pont sur deux verres.
- Attachez une bouteille en plastique remplie d'eau à chaque bout d'un fil de fer fin. Passez le fil sur le milieu du bloc, bouteilles pendantes.
- Attendez quelques dizaines de minutes à quelques heures dans un endroit frais : le fil s'enfonce dans la glace. Pourtant, la glace qu'il a traversée reste soudée.
La glace juste sous le fil, comprimée, fond ; l'eau passe au-dessus du fil et, n'étant plus comprimée, gèle de nouveau. Ce phénomène s'appelle le « regel ». Toutefois, le fil transmet aussi la chaleur ambiante, donc ce n'est pas une expérience de pression pure. Faites-la avec un adulte, en faisant attention aux objets tranchants et lourds.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et lien avec les manuelsLe niveau de chaque passage est indiqué, du collège aux cours spécialisés de l'université
- CollègeCe qu'on apprend en sciences au collège
- LycéeCe qu'on apprend en physique et en sciences de la Terre au lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Cours spécialisés de l'université (thermodynamique, glaciologie), non vus au lycée
- RechercheSujets que les chercheurs étudient en ce moment, pas encore enseignés comme acquis, même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a des noms
- Lac sous-glaciaire (hyōshōka-ko) : lac d'eau liquide accumulé au fond de l'épaisse glace (calotte) de l'Antarctique ou du Groenland.
- Flux géothermique : quantité de chaleur qui s'échappe de l'intérieur de la Terre vers la surface, exprimée en watts par mètre carré.
- Fusion sous pression : phénomène par lequel la température de fusion de la glace baisse quand la pression monte. La glace qui fond sous pression puis regèle ensuite s'appelle le « regel ».
CollègeLycéeVérifions par les formules : la « température de fusion » et la « température » du fond
Deux grandeurs nous intéressent : la température de fusion de la glace au fond, et la température qu'aurait le fond si la chaleur se transmettait seulement par conduction. La première vient d'une formule de pression, la seconde d'une formule de transmission de la chaleur.
| En symboles (pression) | P ＝ ρ × g × h |
| En symboles (fusion) | Baisse du point de fusion ΔT ＝ β × P |
| En symboles (chaleur) | q ＝ k × ΔT_chaleur ÷ h → écart de température ΔT_chaleur ＝ q × h ÷ k |
| En mots | Pression au fond ＝ masse volumique de la glace × accélération de la pesanteur × épaisseur. Baisse du point de fusion ＝ coefficient × pression. Chaleur traversant la glace ＝ conductivité thermique × écart de température haut-bas ÷ épaisseur. |
| D'où viennent ces formules | La première est le poids de la glace au-dessus divisé par la surface (équilibre des forces). La deuxième est la relation entre température et pression où glace et eau coexistent (formule de Clausius-Clapeyron), vue comme une droite sur un petit intervalle. La troisième est la loi de conduction de la chaleur (loi de Fourier) : la chaleur va du chaud vers le froid, proportionnellement à l'écart de température. |
| Symbole | Signification et unité |
| ρ | Masse volumique de la glace (kg／m³) |
| g | Accélération de la pesanteur (m／s²) |
| h | Épaisseur de la glace (m) |
| β | Baisse du point de fusion par mégapascal de pression (℃／mégapascal) |
| q | Flux géothermique (watt／m²) |
| k | Conductivité thermique de la glace (watt／m／℃) |
| Épaisseur de glace (au-dessus du lac Vostok) | environ 3700m |
| Pression par mètre de glace (densité 917 kg／m³, g = 9,8) | environ 0,009 mégapascal |
| Baisse du point de fusion β | environ 0,074℃ par mégapascal |
| 1 atmosphère | environ 0,1 mégapascal |
| Flux géothermique q | environ 0,05 watt par m² |
| Conductivité thermique de la glace k | environ 2,1 |
| Température moyenne annuelle en surface | environ −55℃ |
| Pression au fond (mégapascal) | 0.009 × 3700 ≒ 33 |
| En atmosphères | 33 ÷ 0.1 ＝ 330 |
| Baisse du point de fusion (℃) | 33 × 0.074 ≒ 2.4 |
| Écart de température par mètre pour laisser passer la chaleur (℃) | 0.05 ÷ 2.1 ≒ 0.024 |
| Écart de température haut-bas sur toute la glace (℃) | 0.024 × 3700 ≒ 89 |
| Température du fond si la chaleur se transmet seulement par conduction (℃) | 89 − 55 ＝ 34 |
Le point de fusion au fond est d'environ −2,4 °C. En revanche, par conduction seule, le fond serait à ＋34 °C, bien au-delà du point de fusion. En réalité, la neige qui tombe transporte le froid vers le bas, l'écart de température est plus faible, et par endroits le fond reste gelé. Cette estimation grossière montre tout de même que « plus la glace est épaisse, plus le fond fond facilement ».
LycéeLycée+Pourquoi l'eau est une « originale »
LycéeLes molécules d'eau se tiennent par des liaisons hydrogène et, en glace, forment une charpente hexagonale pleine de vides. La glace occupe donc environ 9 % de volume de plus que l'eau, et flotte. Sous pression, le changement va vers le côté liquide, moins volumineux. Sur le diagramme de phases, cela se traduit par la frontière solide-liquide inclinée vers la gauche.
Lycée+Au-dessus du lac Vostok, on pense que la base de la glace fond du côté nord du lac, tandis que l'eau du lac regèle du côté sud. L'épaisseur de glace varie selon l'endroit, et le point de fusion aussi. La « glace de regel » collée sous la calotte a été prélevée par forage et étudiée comme indice sur l'eau du lac.
Univ.Bilan thermique de la calotte et effet de l'advection
La relation entre point de fusion et pression se déduit de la formule de Clausius-Clapeyron, à partir de la chaleur latente de fusion et du changement de volume. La distribution de température d'une calotte se calcule par un bilan thermique : conduction selon la loi de Fourier, plus l'advection (le froid de la glace entraînée vers le bas par l'accumulation de neige), plus la chaleur de frottement quand la glace s'écoule. Plus il neige, plus le fond est froid ; plus la glace intérieure est épaisse, plus le fond fond facilement.
📖 Dérivation des formules et approfondissements : Formule de Clausius-Clapeyron (Wikipédia) ／ Lac Vostok (Wikipédia)
RechercheCe qu'on ne sait pas encore bien
- Y a-t-il de la vie dans les lacs ? Au lac Whillans, en Antarctique de l'Ouest, un forage en 2013 a révélé des micro-organismes dans l'eau. Ce qui vit dans le lac Vostok, plus profond et isolé, reste incertain, notamment à cause du risque de contamination lors du forage.
- Où et combien la Terre dégage-t-elle de chaleur ? Le flux géothermique de l'Antarctique ne peut presque nulle part être mesuré directement, et les valeurs varient beaucoup d'un endroit à l'autre. La prévision des endroits où le fond fond en dépend.
- Comment l'eau du fond modifie-t-elle l'écoulement de la glace ? L'eau sous la glace sert de lubrifiant et faciliterait son glissement vers la mer. L'effet d'une vidange brutale de lac sur la vitesse d'écoulement fait l'objet de recherches.
Le contenu de cet article est donc lui aussi « l'explication selon l'état actuel des connaissances ». La température du lac et les valeurs géothermiques changent selon la méthode d'estimation.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : « changements d'état », « pression » | Glace et eau, pression due au poids |
| Lycée | Physique : « chaleur » ; Sciences de la Terre : « intérieur de la Terre » | Transmission de la chaleur, flux géothermique |
| Lycée+ | Chimie : « diagramme de phases » | La propriété de l'eau de fondre sous pression |
| Univ. | Thermodynamique, glaciologie | Formule de Clausius-Clapeyron, bilan thermique de la calotte |
| Recherche | Sciences polaires, astrobiologie | Vie sous la glace, distribution de la chaleur terrestre |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Si le sol gèle moins les années de forte neige, c'est aussi parce qu'une couche épaisse retient la chaleur du sol |
- Wright, A. and Siegert, M. (2012) A fourth inventory of Antarctic subglacial lakes. Antarctic Science
- Wikipédia (en japonais), « Lac Vostok »
- Kapitsa, A. P. et al. (1996) A large deep freshwater lake beneath the ice of central East Antarctica. Nature 381
- Christner, B. C. et al. (2014) A microbial ecosystem beneath the West Antarctic ice sheet. Nature 512
- Cuffey, K. M. and Paterson, W. S. B. (2010) The Physics of Glaciers, 4th ed. Elsevier
※ Cet article est une vulgarisation scientifique pour le grand public. Les valeurs données sont des repères et des estimations destinés à comprendre le mécanisme. Les valeurs observées en Antarctique varient selon la méthode de mesure et l'époque.