Lorsqu’il dégèle, le pergélisol forme des mares de thermokarst, visibles ici au Yukon. Elles émettent d’importantes quantités de gaz à effet de serre. Photo: Shutterstock
Les projections climatiques sous-estiment un élément majeur : le dégel du pergélisol. Pourquoi ?
C’est une réalité implacable : plus les températures augmentent, plus le pergélisol dégèle, et plus il libère de gaz à effet de serre… Ce cercle vicieux, souvent qualifié de « bombe à retardement », demeure l’une des plus grandes incertitudes des projections climatiques. En effet, les modèles utilisés pour simuler l’évolution du climat n’arrivent pas à intégrer ce phénomène dans les calculs. Les zones de pergélisol, qui contiennent une couche de sol perpétuellement gelée, représentent pourtant 20 % des terres émergées et renferment deux fois plus de carbone que l’atmosphère. Ainsi, la quantité de CO2 et de méthane potentiellement libérée avant la fin du 21e siècle est substantielle : le projet de recherche Permafrost Pathways estime que cela représenterait l’équivalent de 110 à 550 gigatonnes de CO2. C’est comme si les émissions de carbone d’un grand pays industrialisé n’étaient pas comptabilisées dans les scénarios climatiques !
Pour attirer l’attention sur ce problème, un groupe de scientifiques a publié un cri d’alarme dans la revue Nature Climate Change en début d’année. « Les modèles sont le seul outil dont nous disposons pour prévoir le climat futur, ce qui est indispensable pour éclairer les décisions politiques », souligne l’autrice principale de l’article, Christina Schädel. « Ils n’ont pas besoin d’être parfaits, mais ils doivent être assez précis pour être fiables. Et actuellement, il y a trop de divergence entre les prévisions des différents modèles parce qu’il manque les processus spécifiques au pergélisol », ajoute la chercheuse du Woodwell Climate Research Center, basé aux États-Unis. En effet, sur les onze modèles auxquels se réfère le dernier rapport du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC), neuf excluent totalement la dynamique du carbone liée au pergélisol. Et les deux autres la simplifient beaucoup trop.
Cette lacune ne vient pas d’un manque de considération de la communauté scientifique, loin de là, mais plutôt de l’extrême complexité de la tâche. Essentiellement, les modèles utilisés, dits de « système Terre », sont une représentation numérique de la planète en entier ! Ils simulent les interactions entre l’atmosphère, les océans, la surface continentale, les glaces et la biosphère. Avec l’avancement de la science et l’accumulation de données d’observation sur le terrain, les modèles se complexifient pour mieux représenter les dynamiques physiques et biogéochimiques du climat. En pratique, cela se traduit par des années de travail de programmation, de paramétrage et de tests. « Ça prend beaucoup de temps pour améliorer les modèles parce que tout est interrelié ! En améliorant une composante, on peut en empirer une autre… Mais on doit toujours s’assurer que le modèle est performant dans son entièreté, résume le spécialiste en modélisation à Environnement et Changement climatique Canada Joe Melton. Nous en sommes encore au début, car les dynamiques incroyablement complexes du pergélisol sont parmi les plus difficiles à simuler. »
Un bioréacteur réactivé
Le pergélisol, c’est la partie souterraine d’un sol qui reste gelée en permanence pendant au moins deux ans. Habituellement, il est recouvert d’une couche de sol qui gèle et dégèle selon les saisons : la couche active. C’est là qu’a lieu la majorité de l’activité biologique et que la végétation ancre ses racines. Juste en dessous, la matière organique (provenant des plantes, animaux, microbes) reste congelée et protégée de la décomposition depuis des millénaires. Mais avec le réchauffement des étés, la couche active s’approfondit graduellement. La matière organique auparavant gelée se retrouve désormais à la merci des microbes. En digérant cette tourbe, les bactéries émettent du gaz carbonique quand l’environnement est sec. Lorsque le milieu est saturé en eau, elles émettent plutôt du méthane, un gaz à effet de serre 28 fois plus puissant que le CO2 sur une période de 100 ans.
« Les modèles comme le nôtre représentent assez bien ce dégel graduel du pergélisol », indique Joe Melton, dont les principaux travaux de recherche consistent à améliorer le modèle de surface terrestre d’Environnement Canada. Étant donné que près de la moitié du territoire canadien est doté d’une couche de pergélisol, les équipes de recherche travaillent fort pour mieux représenter ces processus de dégel, mais il reste encore beaucoup à faire. « Dans les endroits où le sol contient beaucoup de glace par exemple, notre modèle risque fortement de se tromper », souligne le chercheur.
En effet, le dégel du pergélisol ne se fait pas toujours de façon homogène ni graduelle, bien au contraire.
Là où ça se complique…
Dans le pergélisol, il n’y a pas que de la matière organique et minérale ; on peut aussi trouver des poches de glace. « En dégelant, un pergélisol avec une forte teneur en glace va perdre du volume et subir des changements géomorphologiques appelés thermokarsts », explique Pascale Roy-Léveillée, professeure à l’Université Laval et titulaire d’une chaire de recherche en géomorphologie du pergélisol au Nunavik. Le sol s’affaisse lorsque la glace fond, car il n’arrive pas à retenir toute cette nouvelle eau dans ses pores. Telle une éponge que l’on écrase, l’eau est ainsi évacuée du sol, et celui-ci perd du volume.
Quand ils se produisent dans un environnement plat et mal drainé, les thermokarsts entraînent la formation de marécages, d’étangs et de lacs. « Ça fait un effet boule de neige parce que ces nouveaux plans d’eau s’agrandissent avec le temps, poursuit Pascale Roy-Léveillée, qui a vu de tels lacs mesurant 40 km2 au Yukon. L’eau emmagasine la chaleur, ce qui réchauffe et accélère le dégel du pergélisol aux alentours. » Cela signifie aussi qu’une forte teneur en glace a pour effet d’humidifier la région, et donc de favoriser les émissions de méthane par les micro-organismes, ce qui réchauffe davantage la planète… « Mais ça peut aussi créer l’effet contraire ! » nuance la chercheuse, avec un petit rire nerveux qui témoigne de la complexité du phénomène. Ainsi, lorsque le dégel se produit dans un terrain légèrement en pente, l’affaissement du sol peut générer des ravins de thermo-érosion. Ces crevasses drainent alors l’eau et contribuent à assécher le paysage, ce qui favorise des émissions de CO2 plutôt que de méthane. Et ce qui, évidemment, change les calcu
ls.
Le sol peut aussi se rompre sous l’effet de la perte de volume, exposant ainsi les couches profondes, autrefois isolées. Une surface beaucoup plus grande se retrouve soudainement exposée aux températures plus chaudes. Le pergélisol dégèle alors rapidement. Selon une étude menée en 2020, les émissions de carbone causées par les thermokarsts pourraient être jusqu’à 40 % plus élevées que celles libérées par le dégel graduel du pergélisol – c’est-à-dire l’approfondissement de la couche active. Pourtant, ce dégel plus abrupt est complètement absent de tous les modèles de système Terre.
« En prenant différentes formes, les processus thermokarstiques ajoutent d’énormes complications aux modèles, souligne Pascale Roy-Léveillée. Est-ce qu’il y a beaucoup de glace dans le sol ? Est-ce qu’il y a une pente ? Est-ce que le pergélisol est près de la surface ? À quelle profondeur se trouve la glace ? Toutes ces conditions très localisées vont avoir des effets différents sur les flux de carbone. » Et même si on comprend de mieux en mieux le rôle de la glace du sol sur les émissions de carbone, il reste un obstacle avant de pouvoir le représenter correctement : on connaît mal la distribution de la glace souterraine…
De plus, les thermokarsts sont loin d’être les seuls processus qui donnent du fil à retordre aux équipes de modélisation. Par exemple, les changements de végétation et de couverture de neige interagissent de façon complexe avec le pergélisol. Devant la vastitude et l’hétérogénéité du territoire arctique, les scientifiques font face à un manque de données et à un problème d’échelle. « Notre modèle a une résolution d’environ 100 km, indique M. Melton. Il est difficile de représenter la complexité et l’hétérogénéité de phénomènes qui se produisent à une échelle de quelques mètres dans une cellule d’une centaine de kilomètres. »
Encore une question d’argent
Le progrès est lent et la tâche, complexe. Ce qui signifie que les ressources à mobiliser sont elles aussi considérables… Mais le mode de financement ajoute un bâton dans les roues des scientifiques, déplore Christina Schädel. « Les subventions en recherche sont généralement accordées pour des projets de trois ans : c’est trop court pour accomplir un travail aussi complexe, dit-elle. Il y a un gouffre entre ce dont on a besoin et ce qu’on reçoit. » Si la durée des subventions était prolongée, les scientifiques auraient le temps de réellement progresser et d’accélérer l’intégration des dynamiques de pergélisol aux modèles, soutient la chercheuse.
Totalement d’accord avec ces propos, Oliver Sonnentag, professeur au Département de géographie de l’Université de Montréal, renchérit sur l’importance de financer la recherche dans le Nord, une lacune importante au pays : « Ça coûte cher parce que la région est moins accessible, mais c’est absolument nécessaire. » Le chercheur nous apprenait d’ailleurs qu’en début d’année, le gouvernement canadien envisageait couper dans un programme qui soutient les déplacements des scientifiques en région polaire. Finalement, le programme a été renouvelé pour 5 ans, mais sans garantie de prolongement. L’Arctique se réchauffe déjà de trois à quatre fois plus rapidement que la moyenne mondiale… La recherche sur ce territoire a plus d’importance que jamais.
Oliver Sonnentag a « profité » d’un feu de forêt en 2022 dans les Territoires du Nord-Ouest pour multiplier les mesures. Photo: Oliver Sonnentag
Pendant ce temps, sur le terrain
Améliorer les modèles, un travail informatique ? Oui, mais pas seulement. Il faut récolter sur le terrain un maximum de données pour paramétrer les modèles, pour les faire rouler et pour tester leur performance. « On aimerait bien avoir une immense banque de données à l’échelle mondiale. Mais on ne peut pas se fier à des techniques de télédétection pour étudier le sous-sol, on doit se rendre sur place, alors on manque de données », explique Oliver Sonnentag, de l’Université de Montréal. Le chercheur se rend dans les Territoires du Nord-Ouest plusieurs fois par année et collabore avec les communautés autochtones locales pour recueillir des mesures. En surveillant les échanges de gaz et d’énergie entre la surface terrestre et l’atmosphère, son équipe étudie les interactions entre le dégel du pergélisol, la neige, l’hydrologie, la végétation et, depuis un « heureux » accident, les feux de forêt. « Un de nos sites de recherche a brûlé en 2022, raconte Oliver Sonnentag. Ça a été catastrophique pour plusieurs raisons… mais scientifiquement, c’est une vraie mine d’or ! » En effet, on se doute bien que les feux accélèrent le dégel du pergélisol, mais comment le quantifier ? Ces événements sont difficiles à étudier puisqu’on ne sait jamais où et quand ils se produiront. Dans ce cas-ci, la station de recherche de Scotty Creek, dans les Territoires du Nord-Ouest, cumulait déjà une décennie de données sur les échanges de gaz à effet de serre avant d’être ravagée par le feu de forêt. « C’est une occasion unique d’améliorer la connaissance sur les interactions entre les feux et le dégel du pergélisol », ajoute le chercheur. La station de la recherche reconstruite au même endroit permettra aux scientifiques de comparer les données avant et après le feu… Une première mondiale !
