A finite-strain logarithmic viscoelastic model for Antarctic ice shelves based on an additive split

Les bords flottants des immenses calottes glaciaires de l'Antarctique ne sont pas des murs de glace statiques ; ce sont des structures dynamiques et respirantes qui se déplacent, se courbent et finissent par se briser constamment. Ces extensions flottantes, appelées plateformes de glace, agissent comme des contreforts cruciaux, retenant les vastes glaciers situés derrière elles. Lorsqu'elles se brisent, un processus appelé vêlage, elles libèrent des icebergs dans l'océan, un mode principal de perte de masse de ces calottes glaciaires. Pendant des décennies, les scientifiques ont tenté de prédire exactement quand et où ce brisement se produit. Pour ce faire, ils s'appuient sur des modèles informatiques qui simulent la façon dont la glace se déplace et se déforme sous son propre poids et sous la pression de l'océan. Cependant, ces modèles traitaient traditionnellement la glace de deux manières : soit comme un solide qui revient instantanément en place lorsqu'il est poussé (élastique), soit comme un fluide épais et lent qui s'écoule sur des années (visqueux). En réalité, les plateformes de glace subissent des forces qui agissent sur ces deux échelles de temps simultanément. Les marées et les vagues océaniques poussent et tirent la glace sur quelques heures, tandis que le fluage lent du glacier se produit sur des décennies. Un modèle qui ignorerait le rebond rapide, semblable à un ressort, de la glace pourrait manquer les fissures qui se forment lors d'une tempête, tandis qu'un modèle qui ignorerait l'écoulement lent pourrait échouer à prédire la forme à long terme de la plateforme.

Pour résoudre ce problème, une équipe de chercheurs a développé une nouvelle façon de simuler le comportement de ces plateformes de glace qui capture à la fois le rebond rapide et l'écoulement lent en même temps, même lorsque la glace a changé de forme de manière significative au fil du temps. Ils ont créé un cadre mathématique qui traite la glace comme un matériau capable de s'étirer et de se courber de manières complexes, tout en conservant la mémoire de sa forme originelle. Cette approche leur permet de suivre la façon dont la glace répond à la contrainte immédiate d'une marée montante tout en tenant compte de l'étirement lent de plusieurs années qui se produit entre les cycles de marée. En se concentrant sur la géométrie spécifique du bord de la plateforme de glace, là où elle rencontre l'océan ouvert, ils ont découvert que la forme de la falaise et la façon dont la glace est stratifiée à l'intérieur jouent un rôle décisif dans l'endroit où la glace est la plus susceptible de se fissurer. Leurs travaux suggèrent que l'interaction entre la capacité de la glace à rebondir et sa tendance à s'écouler lentement crée un motif spécifique de tension près de l'avant, qui contrôle comment et quand la glace se détache.

Les chercheurs ont construit leur modèle sur un concept appelé système « Maxwell », qui est une façon standard de décrire les matériaux qui agissent à la fois comme un ressort et comme un fluide épais. Imaginez un ressort connecté en ligne avec un piston se déplaçant à travers du miel ; si vous tirez dessus, le ressort s'étire instantanément, et le miel s'entraîne lentement. Dans leur simulation, le ressort représente la réponse élastique immédiate de la glace, tandis que le miel représente l'écoulement visqueux lent qui suit la loi d'écoulement de Glen, une règle utilisée depuis longtemps pour décrire comment la glace se déplace sur des siècles. L'innovation de cette étude réside dans la gestion mathématique lorsque la glace s'étire beaucoup. Les modèles précédents éprouvaient souvent des difficultés lorsque la glace changeait considérablement de forme, nécessitant des calculs complexes difficiles à exécuter sur ordinateur. Cette nouvelle approche utilise un type de mesure spécifique appelé déformation logarithmique, qui permet à l'équipe de diviser le mouvement total de la glace en ses parties élastiques et visqueuses de manière simple et additive. Cela signifie qu'ils peuvent additionner les deux types de mouvement sans avoir besoin de suivre une forme « intermédiaire » invisible de la glace, ce qui rend les calculs beaucoup plus efficaces et plus faciles à intégrer dans les modèles climatiques existants.

Pour tester l'efficacité de leur nouvelle méthode, l'équipe a d'abord réalisé une simulation d'une colonne verticale de glace supportant son propre poids, en comparant leurs résultats à un modèle plus complexe et bien établi. Les résultats concordaient presque parfaitement. Après un an et demi de temps simulé, le nouveau modèle prédisait que la glace s'enfoncerait et gonflerait de montants ne différant de quelques centimètres que du modèle complexe. Les niveaux de contrainte à l'intérieur de la glace étaient également presque identiques, ne différant que de moins d'un kilopascal dans la plupart des zones. Cela a confirmé que leur approche additive simplifiée pouvait reproduire avec précision le comportement de la glace sans le coût computationnel élevé des anciennes méthodes. Cependant, les chercheurs ont pris soin de noter où leur méthode pourrait échouer. Ils ont découvert que si la glace était soumise à un type spécifique de mouvement de torsion, connu sous le nom de cisaillement simple, où les couches glissent les unes sur les autres comme un jeu de cartes, leur modèle commencerait à diverger du modèle plus complexe. Dans ces scénarios de torsion extrême, le nouveau modèle prédirait que la glace se décharge ou se relâche trop rapidement. Heureusement, les chercheurs ont déterminé que les plateformes de glace qu'ils étudient ne subissent pas ce genre de torsion extrême. Au contraire, la glace près de l'avant est principalement étirée et courbée par la gravité et la flottabilité, un type de mouvement pour lequel leur nouveau modèle reste hautement précis.

Une fois le modèle vérifié, l'équipe l'a appliqué à une langue de glace idéalisée, une longue bande de glace flottant sur l'océan, pour voir comment les formes et les propriétés internes affectent la contrainte à l'avant. Ils ont inclus des détails réalistes, tels que le fait que la glace est plus dense à la base qu'au sommet en raison de la compression, et qu'elle s'écoule plus facilement lorsqu'elle est plus chaude. Ils ont également testé différentes formes de falaises, incluant certaines avec un « pied » de glace submergé et d'autres avec une base en surplomb. Les simulations ont révélé que la forme de la falaise modifie radicalement l'endroit où la tension s'accumule. Un pied submergé peut en fait inverser la direction de la courbure, réduisant la contrainte à la surface et rendant potentiellement la glace plus stable. Inversement, une face en surplomb concentre la tension et déplace le point de contrainte le plus dangereux plus loin à l'intérieur des terres. L'étude a également montré que les variations de température et de densité à travers l'épaisseur de la glace créent leurs propres forces de flexion internes, indépendamment de la forme de la falaise. Ces découvertes soulignent que le risque de vêlage ne dépend pas seulement du poids total de la glace, mais de l'équilibre précis des forces créées par la géométrie de la glace et sa structure interne.

L'objectif ultime de cette recherche est de fournir un outil plus fiable pour prédire l'avenir des plateformes de glace de l'Antarctique. En capturant à la fois la réponse élastique rapide aux marées et aux vagues et le fluage visqueux lent sur des années, ce nouveau modèle offre une image plus claire des champs de contrainte qui mènent au vêlage. Les chercheurs soulignent que, bien que leur méthode ne soit pas un remplacement universel pour tous les types de modélisation de la glace, elle est particulièrement adaptée aux conditions spécifiques trouvées aux bords des plateformes de glace. Elle permet aux scientifiques de simuler les changements de forme complexes et finis de la glace sur des décennies sans perdre la capacité de voir les effets immédiats des événements à court terme. Cette capacité est cruciale pour comprendre comment les plateformes de glace pourraient réagir à un climat changeant, où la fréquence des tempêtes et le taux de réchauffement océanique pourraient altérer l'équilibre délicat des forces qui maintiennent ces structures massives ensemble. Ce travail ne prétend pas résoudre entièrement le mystère du vêlage, mais il fournit une méthode robuste, efficace et physiquement cohérente pour explorer la mécanique du front de glace, offrant une vue plus claire des forces qui dirigent la rupture de la glace.