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OSUG - Terre Univers Environnement OSUG

Rôle des débris dans l’évolution des glaciers en Himalaya. Caractérisation et compréhension des processus à l’aide d’une approche multi-échelle.

par BRONDEX Julien - 28 octobre 2015 - ( maj : 28 octobre 2015 )

Fanny BRUN

Date de début et de fin : septembre 2015 - août 2018

Financement : AMN (Allocation ministère normalien)

Directeurs : Patrick Wagnon (LGGE) et Etienne Berthier (LEGOS)

Résumé :

De plus en plus, les glaciers himalayens focalisent l’attention de la communauté scientifique internationale (e.g., Bolch et al., 2012 ; Kääb et al., 2012 ; Scherler et al., 2011). Cependant, nos connaissances et notre compréhension de l’évolution de ces glaciers restent très lacunaires (Bolch et al., 2012). Parmi les particularités de ces glaciers (haute altitude, régimes climatiques variés le long de la chaine), l’existence d’une importante couverture détritique et son rôle mal compris pour contrôler la fonte et donc l’évolution future des glaciers attirent l’attention de la communauté scientifique (Scherler et al., 2011). Il est bien établi par des observations de terrain qu’une couverture de débris tend à diminuer la fonte de la glace sous-jacente dès que son épaisseur dépasse quelques millimètres (Benn et al., 2012). Paradoxalement, les études plus récentes par télédétection (Gardelle et al., 2013 ; Kääb et al., 2012) mesurent des amincissements aussi rapides pour les langues glaciaires couvertes de débris que pour leurs homologues sans débris. L’hypothèse proposée pour résoudre ce paradoxe est une fonte toute aussi forte avec ou sans débris à cause de la forte hétérogénéité des langues des glaciers couverts qui présentent une topographie très complexe et hébergent à leur surface une myriade de petits lacs supra-glaciaires, entourés de falaises de glace. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre le rôle de la couverture détritique à l’aide d’une approche multi-échelle pour obtenir une vision intégratrice du rôle des débris dans l’évolution des glaciers himalayens.

Méthodologie

Echelle locale (quelques km2) : Des études récentes et innovantes (Steiner et al., in review ; Buri et al., in review ; Miles et al., in review) tentent de quantifier la fonte des falaises de glace et lacs supra-glaciaires présents sur les langues de glaciers himalayens à l’aide de modèles physiques (bilan d’énergie). Ces études montrent que localement, sur un glacier de la région du Langtang, la fonte est plus de 10 fois supérieure dans ces zones que sur le reste de la langue glaciaire. Ces études pionnières visent à établir une paramétrisation de la fonte en tenant compte, en plus des variables atmosphériques, de l’exposition, la taille, la pente des falaises ou la taille des lacs. L’objectif de cette thèse est d’appliquer cette paramétrisation sur les glaciers de l’Everest, zone d’étude privilégiée où l’équipe CYME (LTHE-LGGE), grâce à son réseau d’observation SOERE GLACIOCLIM, possède un jeu de données de qualité et unique dans cette région (e.g., Lejeune et al., 2013 ; Wagnon et al., 2013 ; Shea et al., 2015). Une collaboration est actuellement en cours avec le groupe de l’ETH de Zurich à l’origine de ces travaux novateurs. De plus, ce projet de thèse vient compléter un autre travail de thèse déjà en cours (A. Giese), visant à développer un modèle de bilan d’énergie capable de reproduire la fonte sous les débris.

Echelle régionale (quelques milliers de km2) : Les observations de l’évolution des glaciers à l’échelle de la chaîne himalayenne restent peu nombreuses. La soustraction de MNT acquis à différentes périodes a certes déjà été exploitée (Gardelle et al., 2013) mais ces travaux souffrent d’une limite méthodologique forte qui est l’utilisation d’une topographie, celle de la navette spatiale (SRTM), pour laquelle il est difficile de quantifier la pénétration dans la neige/glace. On propose dans le cadre de la thèse d’appliquer une méthodologie nouvelle d’estimation des tendances de variations d’épaisseur exploitant non pas deux MNT mais toute une série de MNT, notamment de la mission ASTER (Berthier et al., in preparation). Ces analyses permettront de produire des cartes des variations d’épaisseur des glaciers entre 2000 et 2015, d’en étudier les variations spatiales, de confirmer/infirmer la similarité des amincissements avec/sans débris et d’évaluer 15 ans de bilans de masse de ces glaciers. Travailler à deux échelles spatiales apporte des avantages essentiels. D’une part, l’échelle locale permet de comprendre les processus qui contrôlent la fonte des glaciers et le rôle des débris sur cette fonte. L’analyse au niveau régional permettra de déterminer si ce rôle est identique dans toutes les régions d’Himalaya, du Karakoram et du Pamir, soumises à des climats différents, et où le comportement des glaciers est très contrasté.

Abstract :

The international scientific community has increasingly being focused on Himalayan glaciers (e.g., Bolch et al., 2012 ; Kääb et al., 2012 ; Scherler et al., 2011). Nevertheless, our understanding of Himalayan glacier evolution and changes remains sparse (Bolch et al., 2012). These glaciers exhibit some specificities (high altitude, heterogeneous climate pattern along the mountain range), including the presence of an important debris coverage. The role of this debris cover in term of melting, and therefore glacier evolution, is an active research topic (Scherler et al., 2011). It is established from field measurements that ice melt beneath debris is reduced when the debris thickness is higher than several millimeters (Benn et al., 2012). But recent remote sensing studies (Gardelle et al., 2013 ; Kääb et al., 2012) showed that debris-covered glaciers thinned at the same rate as debris-free glaciers. This apparent contradiction could be explained by the fact that debris-covered glacier tongues have a complex topography, which includes many supra-glacial lakes and ice cliffs, and thus cannot be modeled as simply as a layer of ice covered by a homogenous debris layer. The goal of this PhD is to improve our understanding of the debris cover role through a multiple scale approach in order to get an overview of the role played by debris over the entire Himalayas.

Methodology

Local study : Recent and innovative studies try to assess melting rates at cliff and lake scales from process-based modeling (Steiner et al., in review ; Buri et al., in review ; Miles et al., in review). They observed melting rates locally more than 10 times higher for lakes and cliffs than over the whole glacier tongue. These pioneering studies will eventually lead to a parameterization of cliff and lake melt rates based on meteorological and topographic (aspect, size, slope) data. The goal of this PhD is to develop and apply this parameterization in the Everest area where the team CYME (LTHE-LGGE) has been collecting high quality data through the observation network SOERE GLACIOCLIM (e.g., Lejeune et al., 2013 ; Wagnon et al., 2013 ; Shea et al., 2015). This work will be conducted in collaboration with the ETHZ group that developed this parameterization. It will also be a complement to an ongoing PhD work by A. Giese, which aim is to quantify ice melt beneath debris.

Regional study : Studies describing the large and regional scale evolution of Himalayan glaciers remain sparse. DEM differentiation between two observation periods has already been used (Gardelle et al., 2013). Nevertheless, this approach used SRTM DEM as a reference DEM, which could potentially lead to biased results as radar signal penetrates ice and snow. For this PhD, we will apply a different method based on time series analysis of ASTER DEMs, instead of differentiating only two DEMs (Berthier et al., in preparation). This will produce maps of glacier thickness changes between 2000 and 2015. Then, the spatial pattern of thickness change will be investigated to assess whether debris covered glaciers melt as fast as the clean ones. Working at two different scales brings substantial advantages. Local