Étudier le changement climatique à l’aide d’un drone radar de glace

Je me tiens au sommet de 100 mètres de glace, observant un drone survoler le glacier Slakbreen dans l’archipel de Svalbard en Norvège, à plus de 600 kilomètres au nord du continent. Je fais partie d’une équipe qui teste Peregrine, un véhicule aérien sans pilote (UAV) à voilure fixe équipé d’un radar miniaturisé de pénétration de la glace, capable d’imager la glace glaciaire jusqu’au socle rocheux situé en-dessous. Il fait -27°C, descendant jusqu’à -40°C avec le vent, bien en-dessous de la température de fonctionnement de la plupart des équipements commerciaux que nous avons apportés pour cette expédition. Nos téléphones, ordinateurs portables et appareils photo sont en train de lâcher rapidement. Le dernier de nos ordinateurs qui fonctionne encore est posé sur un petit tapis chauffant à l’intérieur de sa propre petite tente. Bien que le temps soit rude ici, nous avons l’intention de faire fonctionner Peregrine dans des conditions encore plus difficiles, en effectuant régulièrement des relevés des calottes glaciaires antarctiques et groenlandaises. Ces immenses masses d’eau pourraient faire monter le niveau des océans de 65 mètres si elles fondaient entièrement. Bien que personne ne s’attende à ce que ces calottes glaciaires fondent complètement dans un proche avenir, leur échelle incroyable fait que même de petites variations ont des conséquences pour l’avenir de notre planète. Et les données que Peregrine recueillera aideront les scientifiques à comprendre comment ces zones critiques réagiront au changement climatique. Thomas Teisberg, doctorant en génie électrique à l’Université de Stanford, lance Peregrine sur le glacier de Slakbreen en Norvège.
Pour aller au-delà de la surface, les scientifiques se sont longtemps intéressés aux changements de hauteur de la surface des calottes glaciaires, en utilisant des données collectées par des altimètres laser embarqués sur des satellites. Ces données proviennent en grande partie de l’ICESat, lancé en 2003, et de son successeur, l’ICESat-2, lancé en 2018. Grâce à ces satellites de la NASA, les scientifiques mesurent le changement d’altitude, ce qui leur permet d’inférer l’impact net des processus de surface tels que les chutes de neige et la fonte, ainsi que les taux auxquels les calottes glaciaires libèrent des icebergs dans l’océan. Ces mesures sont importantes, bien sûr, mais l’altimétrie laser ne fournit aucune information directe sur ce qui se passe sous la surface, notamment sur la déformation de la glace et sur la façon dont elle glisse sur la roche sous-jacente. Et alors que nous essayons de comprendre comment les calottes glaciaires réagissent aux nouveaux extrêmes climatiques, ces processus sont essentiels. Comment les changements de température impactent-ils la vitesse à laquelle la glace se déforme sous son propre poids ? Dans quelle mesure l’eau liquide atteignant le fond d’un glacier lubrifie-t-elle son lit et entraîne-t-elle une accélération de la glace vers l’océan ? Obtenir des réponses à ces questions nécessite de voir sous la surface. C’est là que le radar de pénétration de la glace (RPG) entre en jeu, une technologie qui utilise des ondes radio pour imager les couches internes des glaciers et le lit en-dessous. Contrairement à d’autres méthodes plus laborieuses, telles que le forage de trous ou la mise en place d’ensembles de géophones pour collecter des données sismiques, les systèmes de RPG, dès leurs débuts, ont été embarqués sur des avions. Dans les années 1960, dans le cadre d’une collaboration internationale, un avion de transport Lockheed C-130 Hercules de l’US Navy a été transformé en avion de collecte de données RPG. Le projet a montré qu’il était possible de collecter rapidement ce type de données, même dans les régions les plus reculées de l’Antarctique. Depuis lors, les instruments RPG se sont améliorés, tout comme les moyens d’analyser les données et de les utiliser pour prédire l’élévation future du niveau de la mer. Cependant, les avions utilisés pour collecter les données ont peu évolué en comparaison. Les instruments modernes sont souvent embarqués sur des De Havilland Canada DHC-6 Twin Otters, des turbopropulseurs bimoteurs, ou sur des Basler BT-67, des Douglas DC-3 modifiés. (Certains Basler effectuant des missions en Antarctique ont été utilisés pendant la Seconde Guerre mondiale.) Et tandis que le soutien à ces opérations varie en fonction des pays, la demande de nouvelles données dépasse la capacité des avions équipés d’équipages pour les collecter, du moins avec un budget qui ne mettrait pas ces opérations hors de portée pour toutes les opérations les mieux financées. Collecter de telles données ne devrait pas être si difficile de nos jours. C’est pourquoi moi-même et d’autres étudiants du laboratoire de radio-glaciologie de Stanford dirigé par Dustin Schroeder développons plusieurs systèmes novateurs de radar de pénétration de la glace, dont Peregrine. Peregrine est un UAV modifié portant un radar de pénétration de la glace miniaturisé que nous avons conçu autour d’une radio logicielle. Le système radar pèse moins d’un kilogramme, ce qui est très léger comparé aux systèmes RPG conventionnels, qui occupent des racks d’équipement entiers dans les avions équipés d’équipages. L’ensemble – drone plus système radar – ne coûte que quelques milliers de dollars et tient dans un seul boîtier renforcé, de la taille d’un gros bagage enregistré. Mais pour vraiment comprendre pourquoi nous avons senti le besoin de faire sortir Peregrine dans le monde maintenant, il faut connaître un peu l’histoire de la collecte de données avec le radar de pénétration de la glace. Une défaillance de satellite crée une opportunité pour le radar Les premiers relevés à grande échelle de RPG en Antarctique ont commencé à la fin des années 1960, lorsque des géoscientifiques américains, britanniques et danois ont monté un ensemble d’antennes radar sous les ailes d’un C-130. Avant l’avènement du GPS, le projet enregistrait les trajectoires de vol à l’aide de systèmes de navigation internes et de points de référence connus au sol. Le système enregistrait les réponses radar à l’aide d’un tube cathodique modifié pour balayer une bobine de film optique qui passait, et les chercheurs complétaient cela avec des notes manuscrites. Cet effort a produit des centaines de bobines de film et des piles de carnets. Après la fin du projet en 1979, différents programmes nationaux ont commencé à réaliser des relevés régionaux en Antarctique et au Groenland. Bien qu’ils aient été initialement limités, ces programmes ont pris de l’ampleur et ont commencé à collecter des données numérisées marquées de coordonnées GPS. Le glacier Slakbreen, situé dans l’archipel de Svalbard en Norvège, a été choisi pour tester Peregrine car il ne devrait pas contenir d’eau liquide, ce qui pourrait interférer avec l’imagerie du socle rocheux en-dessous. À la fin des années 2000, les relevés RPG ont bénéficié d’un coup de pouce inattendu. L’ICESat a perdu un altimètre laser après seulement 36 jours de collecte de données en 2003, et à la fin de l’année 2009, tous les lasers du satellite ont cessé de fonctionner. Les problèmes de l’altimétrie laser semblent ne pas avoir de lien avec les relevés RPG effectués à bord d’avions. Mais avec l’ICESat-2 qui ne serait pas lancé avant plusieurs années et un environnement politique favorable au financement public des sciences de la Terre aux États-Unis, la NASA a organisé l’opération IceBridge, une campagne à grande échelle basée sur des avions pour combler le manque de données de l’altimétrie laser au Groenland et en Antarctique. Bien que la principale mission soit la collecte d’altimétrie laser, le fait d’utiliser des avions au lieu de satellites signifiait que d’autres instruments pouvaient être facilement ajoutés. À ce moment-là, deux institutions américaines – l’Institute for Geophysics de l’Université du Texas et le Center for Remote Sensing and Integrated Systems (CReSIS) de l’Université du Kansas – avaient développé des instruments RPG améliorés, de sorte que le RPG était prêt à être embarqué. Entre 2009 et 2019, les avions de l’opération IceBridge ont parcouru plus de 350 000 kilomètres au-dessus de l’Antarctique tout en collectant des données RPG. Pendant la même période, le programme Investigating the Cryospheric Evolution of the Central Antarctic Plate (ICECAP) de la National Science Foundation a financé plus de 250 000 kilomètres supplémentaires de données RPG en Antarctique