vignette|L'image ci-dessus montre la répartition du pergélisol (mauve) et l'étendue maximale moyenne saisonnière et intermittente des terrains gelés dans l'hémisphère Nord. Le « sol gelé saisonnier » (bleu) désigne les zones où le sol est gelé pendant quinze jours ou plus par an, alors que « sol gelé par intermittence » (rose) se réfère à des zones où le sol est gelé pendant moins de quinze jours par an. La ligne pleine indique l'étendue maximale moyenne de la couverture de neige saisonnière. Le pergélisol occupe environ ou 23,9 % des terres émergées de l'hémisphère Nord. En moyenne, la mesure maximale du sol gelé saisonnier est d'environ ou 55 % de la superficie totale des terres, tandis que l'étendue maximale de la couverture de neige est d'environ , soit environ 47 % de la surface totale des terres dans l'hémisphère nordNASA..
Le pergélisol, parfois désigné par le terme anglais L'expression employée en russe est similaire : /vetchnaïa merzlota (« gel éternel »)., est la partie d'un cryosol gelée en permanence, au moins pendant deux ans, et de ce fait imperméableElizabeth Kolbert, « Dans l’Arctique en plein dégel », Courrier international, , , ... Ce sol est constitué de pierres et de terre scellées entre elles par de l’eau gelée.
Le pergélisol existe dans les hautes latitudes (pergélisol polaire) mais aussi dans les hautes altitudes (pergélisol alpin). Il couvre un cinquième de la surface émergée, dont 90 % du Groenland, 80 % de l'Alaska, 50 % du Canada et de la Russie (plus particulièrement dans sa partie sibérienne). Le pergélisol polaire en Sibérie est plutôt un pergélisol continu au-delà du de latitude. Le pergélisol alpin est plus sporadique à cause du terrain coupé avec des expositions très diversesNicola Deluigi, « [Modélisation de la répartition du pergélisol alpin à l'aide de l'apprentissage automatique] », Institut de géographie, Université de Lausanne, janvier 2012..
Il est constitué thermiquement de trois couches : la première dite « active » dégèle en été et peut atteindre jusque deux à trois mètres ; la seconde, soumise à des fluctuations saisonnières mais constamment sous le point de congélation, constitue la partie du pergélisol stricto sensu et s'étend à une profondeur de 10 à ; la troisième peut atteindre plusieurs centaines de mètres, voire dépasser le millier de mètres (en Yakoutie), ne connaît pas de variation saisonnière de température et est constamment congelée. La température s'y élève vers le bas sous l'influence des flux géothermique et atteint à la limite basse du pergélisol. Dans le pergélisol, la glace peut obturer les pores du sol ou constituer des corps de glace de différentes genèses. Les régions subarctiques sont en outre, du fait du caractère imperméable de la glace, des zones humides anoxiques de marais et de tourbière où ont pu se développer des micro-organismes méthanogènes. Du méthane se trouve par ailleurs dans les lacs de thermokarst ou alassRoland Souchez, Glaces polaires et évolution de l’atmosphère, Académie royale de Belgique, ..
vignette|Carte distinguant différents types de pergélisols dans l'hémisphère Nord. vignette|Fichier:cryosphere atlas northleg122159163110472.pngLocalisation ; NSIDC. vignette|Températures saisonnales extrêmes (lignes rouges) et valeur moyenne (ligne pointillée).
Les formations, persistance ou disparition du pergélisol, et son épaisseur sont très étroitement liées aux changements climatiques. C'est pourquoi le pergélisol est étudié en tant qu'indicateur du réchauffement climatique par un réseau mondial de chercheurs s'appuyant sur des sondages, des mesures de température et un suivi satellitaire, à l'initiative du réseau mondial de surveillance terrestre du pergélisolsite du réseau mondial de surveillance terrestre du pergélisol, publié 05 février 2018.. Le dégel rapide pourrait augmenter considérablement les quantités de gaz à effet de serre émises par les plantes et animaux anciens gelés..
Définition et caractéristiques Définition Le pergélisol, parfois désigné par le terme anglais , est la partie d'un cryosol gelée en permanence, au moins pendant deux ans, et de ce fait imperméable.
Caractéristiques Caractéristiques physiques Là où il est présent depuis plusieurs cycles glaciaires, le pergélisol peut être épais de plusieurs centaines de mètres : de à Barrow (Alaska) à environ dans l'Arctique canadienne ; environ en Sibérie orientale avec des maxima pouvant aller jusqu'à plus de dans certaines régions (monts de Verkhoïansk).
Les sols gelés de l’Arctique contiennent environ de tonnes de Des centaines de milliards de tonnes de libérées brutalement dans l’atmosphère ?, ..
La dégradation en profondeur de ce pergélisol se fait par advection de chaleur : de l'eau à l'état liquide circule dans les fractures en profondeur et dégèle la glace.
Gel et circulation de l'eau Paradoxalement, la congélation du sol en modifie les propriétés physiques (gonflement, changement de porosité…) R. D. Miller, Freezing phenomena in soils, in Applications of Soil Physics, édité par D. Hillel, Elsevier, New York, 1980, p. 254–289. E. J. A. Spaans, J. M. Baker, The soil freezing characteristic : Its measurement and similarity to the soil moisture characteristic, Soil Sci. Soc. Am. J., 1996, , p. 13–19., mais de l'eau libre peut se former dans la glace elle-même J. G. Dash, H. Fu, J. S. Wettlaufer, The premelting of ice and its environmental consequences, Rep. Prog. Phys., 1995, , p. 115–167, doi:10.1088/0034-4885/58/1/003., de même que dans un sol gelé P. Williams, Unfrozen water content of frozen soil and soil moisture suction, in Geotechnique, , 1964, p. 231–246. et une certaine conductivité hydraulique existe dans les sols gelés, plus ou moins importante selon la température, la saisonFlerchinger, G. N., M. S. Seyfried, and S. P. Hardegree (2006), Using soil freezing characteristics to model multi-season soil water dynamics, Vadose Zone J., 5, 1143–1153. et le type de substrat K. Horiguchi, R. D. Miller, Hydraulic conductivity of frozen earth materials, in Proceedings of the 4th International Conference on Permafrost, 1983, p. 504–509, Natl. Acad. Press, Washington, D.C. et de solBurt TP, Williams PJ. 1976. Hydraulic conductivity in frozen soils. Earth Surf Process. 1: 349-360.Water resources research, vol. 44, W12402, doi:10.1029/2008WR007012, 2008, résumé, avec lien vers article complet., leur degré de « saturation » K. Watanabe, T. Wake, Hydraulic conductivity in frozen unsaturated soil, in Proceedings of the 9th International Conference on Permafrost, édité par D. L. Kane et K. M. Hinke, pp. 1927–1932, University of Alaska Fairbanks, Fairbanks, Alaska, 2008. et leur porosité T. J. Marshall, A relation between permeability and size distribution of pores, J. Soil Sci., , 1958, p. 1–8, doi:10.1111/j.1365-2389.1958.tb01892.x.. Cette conductivité peut être mesurée T. P. Burt, P. J.Williams, Hydraulic conductivity in frozen soils, Earth Surf. Processes, , 1976, p. 349–360, doi:10.1002/esp.3290010404., de même que la perméabilité d'un sol gelé E.C. Childs, N. Collis-George, The permeability of porous materials, Proc. R. Soc. London, Ser. A, , 1950, p. 392–405, doi:10.1098/ rspa.1950.0068. Ce phénomène a une importance pour la circulation des nutriments qui alimentent la végétation de surface et les organismes du sol, mais aussi le cas échéant de polluants (ex : retombées de Tchernobyl ou aérosols ou gaz apportés par les pluies/neiges polluées par d'autres éléments). Dans les écosystèmes terrestres froids de type Taïga, toundra, ce cycle particulier de l'eau régule la vie du sol et affecte la vie de surface (via les fonctions des racines, mycorhizes, zones humides temporaires, etc.).
La circulation de l'eau dans un sol gelé correspond aussi à de lents (inertie d'autant plus forte que le pergélisol est épais) et subtils transferts de calories K. Hansson, J. S ˇ imu°nek, M. Mizoguchi, L.-C. Lundin, M. T. van Genuchten, Water flow and heat transport in frozen soil : Numerical solution and freeze-thaw applications, Vadose Zone J., , 2004, p. 693–704 Y. W. Jame, D. I. Norum, Heat and mass transfer in freezing unsaturated porous media, Water Resour. Res., , 1980, p. 811–819 G. P. Newman, G. W. Wilson, Heat and mass transfer in unsaturated soils during freezing, Can. Geotech. J., , 1997, p. 63–70, doi:10.1139/cgj-34-1-63. qui peuvent réveiller des colonies bactériennes, fongiques ou symbiotiques des arbres et herbacées. Un sol gelé conserve donc une certaine capacité d'infiltration M. Stähli, P.-E. Jansson, L.-C. Lundin, Soil moisture redistribution and infiltration in frozen sandy soils, Water Resour. Res., , 1999, p. 95–103, voire de filtration. En surface, des phénomènes de cryoturbation peuvent compliquer les modélisations de transferts d'eau et de calorie.
Dynamiques Extensions passées et actuelle thumb|upright=1.2|Limite sud du pergélisol d'après Karl Ernst von Baer (1843) et d'autres auteurs, dont Jerry Brown (1998). En l'an 2000, le pergélisol représentait 23,9 % de la surface mondiale, soit NASA ou un quart des terres émergées de l'hémisphère NordKatey Walter Anthony, Méthane, un péril fait surface, Pour la Science, , avril 2010, ..
Le dernier maximum d'extension date d'il y a - lors du Dernier maximum glaciaire (DMG), alors que par exemple, toute la moitié Nord de la France était gelée et le niveau de la mer plus bas d'environ . Le minimum d'extension date d'il y a lors de la phase Atlantique dit « optimum climatique de l'Holocène ». Depuis, hormis un réchauffement de quelques siècles dans les années lors de l’optimum climatique médiéval, avant le Petit âge glaciaire (PAG), les étés de l'hémisphère Nord se sont refroidis provoquant une tendance à l'extension territoriale du pergélisol.
Pour définir l'extension passée du pergélisol, il faut pouvoir recueillir des traces inscrites dans les sédiments comme le lœss. Il s'agit par exemple de fentes en coin témoignant d'un réseau de polygones de toundra, des traces de solifluxion, ou de structures microscopiques dans des sédiments argileux qui indiquent la présence de glace et l'intensité du gel dans le sol (ségrégation de glace). Mais dans les terrains sans formations superficielles meubles, il est beaucoup plus difficile de connaître l'extension passée et de différencier par exemple entre pergélisol continu et discontinu.
En limite sud, le pergélisol à une température proche de zéro en été pourrait rapidement fondre. Le Canada envisage que sa limite sud puisse ainsi remonter de vers le nord en un siècle. Un peu plus vers le nord, seule la « couche active » gagnera de l'épaisseur en été, induisant une pousse de la végétation mais aussi des mouvements de terrain déterminant des phénomènes de « forêt ivre », des modifications hydrologiques et hydrographiques et des émissions accrues de méthane, le développement des populations de moustiques .
Le pergélisol occupait une surface bien plus vaste lors des périodes glaciaires du Quaternaire mais il contribue néanmoins à une forte inertie thermique des milieux des pays nordiques. On distingue des très hautes latitudes ou altitudes vers des latitudes (ou altitudes) moins élevées, un pergélisol continu, d'un pergélisol discontinu voire sporadique. La zone du pergélisol discontinu est tributaire de facteurs stationnaires (orientation du versant, protection thermique par un lac, une forêt, etc.).
La couche de sol la plus superficielle dégèle en été. Sur ce mollisol ou couche active, lors de la courte saison végétative, quelques plantes et organismes se développent, alors que ni les racines ni les animaux ne peuvent pénétrer le pergélisol vrai.
La zone dite « active » vignette|redresse|Construction sur Pergélisol dans le centre de Iakoutsk.