Soutenance de thèse de Brivaël COLLIN sous la direction de Romain VOLK
Résumé de la thèse
Le réchauffement climatique entraîne une hausse progressive de la température des océans, dont l’effet sur la fonte des plates-formes de glace polaires demeure incertain. Ces structures flottantes, prolongeant les glaciers continentaux, perdent l’essentiel de leur masse par transfert de chaleur depuis l’océan sous-jacent. Comprendre précisément la dynamique de cette interface glace–océan est donc essentiel pour prédire l’évolution des inlandsis polaires.
Cette thèse explore les mécanismes fondamentaux régissant cette interaction à travers une approche expérimentale en laboratoire. Une plaque d’environ 10 cm d’épaisseur de glace d’eau douce est immergée dans un réservoir d’eau salée homogène, initialement au repos. L’ensemble, d’échelle métrique, est placé dans une chambre froide afin de limiter les échanges thermiques extérieurs. Une plaque chauffante au fond du réservoir permet de contrôler le forçage thermique et de reproduire différentes conditions océaniques.
Divers outils de mesure sont mis en œuvre. L’ombroscopie permet de suivre la vitesse de fonte, tandis que la vélocimétrie par images de particules (PIV) restitue le champ bidimensionnel des vitesses de l’écoulement. Des sondes mobiles enregistrent en continu les profils verticaux de température et de salinité. Une méthode originale de traitement PIV, fondée sur l’utilisation de tuples de 5 à 10 images par déclenchement au lieu d’une paire, est développée pour améliorer la résolution et réduire le bruit, offrant ainsi une vision fine de la structure spatio-temporelle de l’écoulement.
Les expériences montrent que la fonte génère sous la glace une couche d’eau douce froide qui peut limiter les transferts de chaleur depuis les profondeurs. La stabilité de cette couche tampon dépend des conditions de température et de salinité de l’eau ambiante et est mesurée par le rapport de densité R_ρ. Ce rapport compare l’effet stabilisant de la salinité à l’effet déstabilisant de la température sur la densité d’un fluide stratifié. R_ρ détermine le régime de l’écoulement : pour R_ρ≪1, la convection domine et détruit la couche froide, tandis que pour R_ρ≫1, la stratification est suffisamment forte pour résister à la convection. Le taux de fonte est donc fortement influencé par l’épaisseur de cette couche froide et stratifiée, qui favorise un transfert thermique principalement diffusif et peu efficace.
Nous étudions l’évolution du système pour des températures de forçage entre 4 °C et 20 °C et des salinités initiales comprises entre 0 et 150 g·L⁻¹. Le système adopte le plus souvent une structure bicouche, avec une couche supérieure froide, stable et stratifiée, surmontant une zone inférieure convective, chaude et homogène. Pour des salinités faibles, cependant, la convection devient pénétrante, détruit la stratification et accélère la fonte. Lorsque la bicouche reste stable, la couche froide agit comme un isolant thermique, limitant les échanges de chaleur et réduisant ainsi le taux de fonte.
En combinant des mesures précises de vitesse, de température et de salinité, ce travail fournit une description complète des processus couplés de convection et de fonte. Il établit un lien quantitatif entre les régimes de fonte observés et les propriétés statistiques des écoulements, apportant des éléments nouveaux pour comprendre la stabilité des plates-formes glaciaires et leur sensibilité au réchauffement océanique futur.
Laboratory experiments on ice melting in saltwater: stratification, double-diffusion and convection
Climate change is causing a gradual warming of the oceans, whose impact on the melting of polar ice shelves remains uncertain. Ice shelves are floating extensions of continental glaciers and lose most of their mass through heat transfer from the underlying ocean. An accurate understanding of the dynamics of the ice–ocean boundary layer is therefore essential to predict the future evolution of the polar ice sheets.
This thesis investigates the fundamental mechanisms governing ice-ocean interaction through controlled laboratory experiments. A slab of freshwater ice is immersed in a homogeneous initially quiescent salt water tank. The meter-scale setup is placed in a cold room to minimize external heat exchanges. A heating plate at the bottom of the tank controls the thermal forcing and reproduces various oceanic conditions.
Several diagnostic techniques are used. Shadowgraphy measurements provide the melting rate, while particle image velocimetry (PIV) yields two-dimensional velocity fields of the flow. Mobile probes continuously record vertical profiles of temperature and salinity. A new PIV post-processing method, based on five to ten frames per acquisition instead of the usual two frames, significantly reduces noise and enhances the spatial and temporal resolution of velocity fields, giving detailed insight into the multiscale flow structure.
The experiments show that melting generates a cold, fresh water layer beneath the ice, which can limit heat transfer from the deeper layers. The stability of this buffer layer depends on the ambient temperature and salinity conditions and is measured by the density ratio R_ρ. This ratio compares the stabilizing effect of salinity to the destabilizing effect of temperature on the density of a stratified fluid. R_ρdetermines the flow regime: for R_ρ≪1, convection dominates and destroys the cold layer, whereas for R_ρ≫1, stratification is strong enough to resist convection. The melt rate is therefore strongly influenced by the thickness of this cold, stratified layer, which favors a predominantly diffusive and inefficient heat transfer.
We study the system’s evolution for forcing temperatures between 4 °C and 20 °C and initial salinities ranging from 0 to 150 g·L⁻¹. The system most often adopts a two-layer structure, with a cold, stable, and stratified upper layer overlying a warm, homogeneous convective lower layer. For low salinities, however, convection becomes penetrative, destroys the stratification, and accelerates melting. When the two-layer structure remains stable, the cold layer acts as a thermal insulator, limiting heat exchanges and thus reducing the melt rate.
By combining high-resolution measurements of velocity, temperature and salinity, this work provides a comprehensive picture of the coupled processes of convection and melting. It establishes a quantitative link between observed melting regimes and the statistical characteristics of the flow, offering new insights into the stability of ice shelves and their sensitivity to ocean warming in a changing climate.
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