Seuil de percolation pour l'écoulement vertical des fluides à travers la banquise granulaire

Pourquoi les minuscules voies dans la banquise comptent

La banquise peut sembler être une plaque solide et inerte, mais en son sein elle est creusée de canaux microscopiques d'eau salée. Ces conduits cachés contrôlent comment la chaleur, les gaz et les nutriments circulent entre l'océan et l'atmosphère, influençant tout, du climat à la survie des algues qui vivent dans la glace. Cette étude pose une question simple mais cruciale : à quel moment ce réseau interne de la banquise devient-il suffisamment connecté pour que l'eau puisse circuler librement verticalement ? La réponse dépend fortement de la façon dont les cristaux de glace sont disposés, et cette différence a d'importantes répercussions sur la manière dont nous modélisons un monde polaire qui se réchauffe.

Deux types de banquise, deux comportements très différents

Toute la banquise n'a pas la même structure. Dans la glace « columnar » (colonnaire), les cristaux croissent sous forme de plaquettes verticales longues, avec de la saumure emprisonnée dans des couches et des canaux entre elles. Dans la glace « granulaire », les cristaux ressemblent davantage à un tas de petits grains, la saumure remplissant des films minces et des poches dans les interstices. Des travaux antérieurs ont montré que la glace colonnaire devient pratiquement étanche à l'écoulement vertical global lorsque le volume de saumure descend en dessous d'environ 5 %. Au-dessus de ce seuil, le fluide salé peut percoler par des voies continues. Cette règle simple, connue sous le nom de « règle des cinq », est largement utilisée dans les modèles de la banquise. Mais la banquise granulaire, fréquente en Antarctique et de plus en plus présente dans la glace arctique plus mince et plus jeune, semblait se comporter différemment parce que son réseau de saumure est moins nettement connecté.

Mesurer quand l'eau peut se mouvoir

Pour déterminer le comportement de la glace granulaire, les auteurs ont réalisé plus d'une centaine de mesures de terrain sur la glace de première année de l'Antarctique lors de l'expédition SIPEX II. Ils ont foré des trous verticaux partiels dans la glace, scellé les parois avec un tube ajusté, et utilisé des capteurs de pression pour suivre la vitesse à laquelle l'eau de mer remontait dans le trou depuis le bas. À partir de ce « test de vidange », ils ont pu remonter jusqu'à calculer la facilité avec laquelle l'eau circule à travers la glace juste sous le trou. Ils ont ensuite combiné ces mesures avec des profils détaillés de température, de salinité et de structure cristalline issus de carottes proches pour déterminer à la fois la teneur locale en saumure et si la glace était colonnaire ou granulaire. Les résultats ont révélé un schéma frappant : la glace granulaire était essentiellement imperméable en dessous d'un volume de saumure d'environ 10 %, et ne devenait perméable qu'au-delà de ce seuil plus élevé.

Indices complémentaires provenant de colorants et de modèles simples

Les auteurs ont aussi revisité des expériences au traceur coloré réalisées lors d'un précédent voyage antarctique, où de l'eau colorée refroidie était versée sur des blocs de banquise retournés. Dans chaque cas, le fluide teinté s'est rapidement enfoncé à travers une couche supérieure très perméable mais s'est arrêté net dans des couches plus profondes et plus froides où le volume de saumure était d'environ 10 %. Bien que ces expériences aient été à l'origine exploratoires, elles faisaient écho de façon indépendante au seuil de 10 % observé dans les tests de vidange. Pour comprendre pourquoi la glace granulaire exige une teneur en saumure plus élevée pour conduire le fluide, les auteurs se sont tournés vers un modèle simple initialement développé pour des mélanges de polymères et de poudres métalliques. En mesurant les tailles relatives des grains de glace et des films de saumure environnants sur des micrographies de glace antarctique, ils ont adapté ce cadre de « poudre comprimée » et constaté qu'il prédit naturellement un seuil de percolation plus élevé pour la glace granulaire (d'environ 10 %) que pour la glace colonnaire (d'environ 5 %).

Une règle universelle cachée dans le hasard

Au-delà de l'identification du seuil lui-même, l'étude a testé des prédictions issues de la théorie de la percolation — une branche de la physique statistique qui décrit comment la connectivité surgit brusquement dans des systèmes aléatoires. Au-dessus du seuil, la théorie prédit que la perméabilité suit une loi de puissance simple en fonction de l'écart par rapport à ce point critique, avec un exposant critique dit « universel », qui dépend seulement de la dimension et non des détails microscopiques. De manière surprenante, des travaux antérieurs montraient que la glace colonnaire se comporte comme si elle partageait ce même exposant avec des modèles de réseau idéalisés. En combinant leurs nouvelles mesures de perméabilité sur la glace granulaire avec des images antérieures de ses espaces poreux, les auteurs démontrent que la glace granulaire suit la même mise à l'échelle universelle. Une fois le seuil de 10 % franchi, sa perméabilité augmente avec la teneur en saumure d'une manière mathématiquement presque identique à celle de la glace colonnaire et des réseaux modèles abstraits.

Ce que cela signifie pour le climat et la vie dans la glace

Pour les scientifiques qui cherchent à prévoir le climat polaire, la chimie océanique et les écosystèmes associés à la glace, ces résultats délivrent un message clair : on ne peut pas supposer un seul seuil uniforme pour que la banquise devienne perméable. La glace granulaire, qui représente une large part de la banquise antarctique et devient plus fréquente dans l'Arctique, n'autorise l'écoulement vertical global qu'une fois que la fraction de saumure atteint environ 10 % — à peu près le double de la règle des cinq familière pour la glace colonnaire. Ce seuil plus élevé affecte la vitesse d'évacuation des eaux de fonte, la formation des mares de surface et l'efficacité du transport des nutriments et des gaz à travers la glace. Parallèlement, la découverte que les deux types de glace partagent la même mise à l'échelle universelle au-delà de leurs seuils respectifs renforce l'idée que la physique statistique fournit un langage puissant et unificateur pour décrire la structure complexe et changeante de la banquise polaire.

Citation: Golden, K.M., Furse, C.M., Gully, A. et al. Percolation threshold for vertical fluid flow through granular sea ice. Sci Rep 16, 11435 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41706-w

Mots-clés: perméabilité de la banquise, banquise granulaire, seuil de percolation, climat polaire, canaux de saumure