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Une solution contre le réchauffement climatique: Un stupa de glace // A solution against global warming : An ice stupa

Le Ladakh – le « pays des hautes passes » – est pris en sandwich entre deux des plus hautes chaînes de montagnes du monde, l’Himalaya et le Kunlun. Les précipitations sont rares dans cette région. L’eau, indispensable à l’irrigation des terres agricoles qui constituent la principale ressource de la population locale, provient principalement de la fonte de la neige et de la glace. Cependant, le changement climatique rend cette terre encore plus sèche, laissant les agriculteurs en manque d’eau dans les mois d’avril et mai, si importants pour les plantations, juste avant que les glaciers commencent à fondre sous le soleil de l’été.
En 2014, Sonam Wangchuk, un ingénieur en mécanique de la région a décidé de s’attaquer à la crise de l’eau au Ladakh où les glaciers reculent en raison de la hausse des températures. Pour cette raison, ils laissent échapper beaucoup moins d’eau au début du printemps mais en fournissent une grande quantité avec la chaleur de l’été qui les amenuise encore davantage.
L’ingénieur avait en tête une idée simple: il voulait rééquilibrer ce déficit naturel en recueillant l’eau provenant de la fonte de la neige et de la glace au cours des mois froids (cette eau est perdue pour tout le monde) et en la stockant jusqu’au printemps, moment où les agriculteurs en ont le plus besoin. Pour ce faire, il a construit un « stupa de glace », cône de glace à deux niveaux, ainsi baptisé par référence aux monuments sacrés traditionnels que l’on rencontre dans toute l’Asie.
Le stupa de glace est édifié sans avoir besoin d’électricité ou de pompes, uniquement grâce à la physique. Tout d’abord, un tuyau est installé sous terre ; il relie un cours d’eau et l’endroit où le stupa de glace doit être implanté, généralement à côté d’un village. L’eau doit provenir d’un point plus élevé, d’une soixantaine de mètres ou plus. Comme un fluide dans un circuit maintient toujours son niveau – selon le principe des vases communicants – l’eau qui provient de 60 mètres en amont gicle à 60 mètres en l’air à la sortie du tuyau en aval, créant une fontaine. La température négative de l’air fait le reste et cristallise immédiatement les gouttelettes d’eau sous forme de glace qui tombe juste en dessous en formant un cône. Un cône est très facile à fabriquer avec de la glace, car tout écoulement sous forme de gouttes forme naturellement un cône. Les glaçons sont eux-mêmes des cônes inversés.
Un cône a des propriétés très intéressantes: il a une surface d’exposition minimale par rapport au volume d’eau qu’il contient; Cela signifie qu’il fond très lentement. Le prototype de 6 mètres de hauteur contenant 150 000 litres d’eau a duré de l’hiver jusqu’à la mi-mai, au moment précis où l’eau était nécessaire pour l’irrigation, alors que toutes les glaces environnantes avaient disparu fin mars. L’aspect révolutionnaire du stupa est qu’il fonctionne même à basse altitude et à des températures très chaudes.
Ce n’est pas la première fois que l’on essaye de créer un glacier artificiel dans la région, mais les tentatives précédentes ont eu lieu au-dessus de 4 000 mètres d’altitude en faisant geler l’eau dans de grands canaux qui exigeaient de l’ombre et beaucoup d’entretien, et étaient situés trop loin des champs pour être pratiques.
Au lieu de cela, la forme conique du stupa de glace peut résister à la lumière directe du soleil et le cône peut être édifié là même où l’eau est nécessaire. Cependant, les stupas ne sont pas sans entretien car ils ont besoin d’une intervention manuelle; Par exemple, les fontaines peuvent se bloquer lorsque l’eau gèle dans les tuyaux. En améliorant la technique, ils devraient devenir plus fiables. Des tests commenceront au Pérou cet été en profitant de l’hiver dans l’hémisphère sud.
En raison de l’infrastructure de tuyauterie requise, le coût initial du projet est relativement élevé. L’ingénieur en mécanique a estimé qu’il aurait besoin d’environ 125 000 dollars pour réaliser la première version du stupa de glace à grande échelle. Il pourrait atteindre 25 mètres de hauteur et permettre l’irrigation d’une dizaine d’hectares de cultures. Conscient que ce coût serait trop élevé pour les autorités locales, il a décidé d’avoir recours à un financement participatif par l’intermédiaire de la plateforme Indiegogo. Cette initiative a été couronnée de succès et a suscité l’intérêt des institutions locales. En fin de compte, le gouvernement du Ladhak l’a intégrée dans ses plans de développement. Le stupa de glace a également remporté un Rolex Award for Enterprise en 2016, ce qui a rapporté une somme de 100 000 francs suisses (environ 105 000 dollars).

https://youtu.be/FdVijr10DZ0

Les stupas de glace pourraient également être transformés en attractions touristiques, en y incorporant des bars à glace et des hôtels de glace. Cela reviendrait à mélanger le sacré et le profane et construire un pont entre différentes cultures.
Source: CNN.

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Ladakh- the « land of high passes » – is sandwiched between two of the world’s tallest mountain ranges, the Himalayas and the Kunlun. Rainfall is rare in the region. Water, essential for irrigating the farmlands that are the lifeblood of the local population, mostly comes from melting snow and ice. However, climate change is making this land even drier, leaving farmers without water in the crucial planting months of April and May, right before the glaciers start to melt in the summer sun.

In 2014, Sonam Wangchuk, a local mechanical engineer set out to solve the water crisis of the Ladakh. The natural glaciers are shrinking due to rising global temperatures. For that reason, they provide far less water in early spring but then release a lot in the summer heat, shrinking even more.

The engineer had a simple idea: he wanted to balance this natural deficit by collecting water from melting snow and ice in the cold months, which would normally go to waste, and store it until spring, just when farmers need it the most. He then built a two-story prototype of an « ice stupa », a cone of ice that he named after the traditional sacred monuments that are found throughout Asia.

The ice stupa is created using no power or pumps, only physics. First, a pipe is laid underground, connecting a stream of water and the location where the ice stupa is required, usually next to a village. The water must come from a higher altitude, usually around 60 meters or more. Because a fluid in a system always wants to maintain its level – according to the principle of the communicating vessels – water from 60 meters upstream will spray 60 metres into the air out of the downstream pipe, creating a fountain. The freezing air temperature does the rest, immediately crystallizing the water droplets into ice that falls right below, forming a cone. A cone is very easy to make with ice, because any dripping naturally forms a cone underneath; icicles are inverted cones.

A cone has more desirable properties: It has minimal exposed surface area for the volume of water it contains; that means it melts very slowly. The 6-metre-tall prototype containing 150,000 litres of water lasted from winter until mid-May, just when water is needed for irrigation, while all the surrounding ice on the ground had gone by the end of March. The revolutionary aspect of the ice stupa is that it works even at low altitude and in very warm temperatures.

It’s not the first type of artificial glacier in the area, but previous endeavours in this area were only attempted above 4,000 metres a.s.l. by freezing waters in large canals which required shade and a lot of maintenance, and were located too far away from the fields to be practical.

Instead, the conical shape of the ice stupa can withstand even direct sunlight and it can sit right were the water is required. However, the stupas are not maintenance-free as they need a lot of manual intervention; for instance, the fountains can freeze when the pipes ice up. It is hoped that soon, by refining the technology, they will become more reliable. Tests will start in Peru this summer, taking advantage of an extra winter in the southern hemisphere.

Because of the piping infrastructure required, the initial investment can be steep. The mechanical engineer estimated he would need around $125,000 to build his first full-scale version, which could reach 25 metres in height and provide irrigation to about 10 hectares of land. As the price would be too high for local authorities, he decided to crowdfund the project, asking people for contributions through Indiegogo, a popular crowdfunding platform. The campaign was successful and piqued the interest of the local institutions. In the end, the Ladhaki government is incorporating it its development plans. The ice stupa also won a Rolex Award for Enterprise in 2016, which carried a 100,000 Swiss Franc prize (around $105,000).

https://youtu.be/FdVijr10DZ0

The stupas might also be turned into tourist attractions, by building ice bars and ice hotels inside them. This would mean a bit like mixing the sacred and the profane and build a bridge between different cultures.

Source: CNN.

Vue du prototype du stupa de glace

(Crédit photo: Sonam Wangchuk)

Le sang de l’Antarctique // Antarctica’s blood

La Nature peut offrir des mystères étonnants. En Antarctique, Blood Falls est une résurgence d’eau salée teintée de rouge par un oxyde de fer, qui s’échappe du front du Taylor Glacier, dans la vallée du même nom.  Cette eau hyper saturée en sel et riche en fer émerge sporadiquement du glacier à partir de petites fissures. Sa source est un bassin sous-glaciaire de taille inconnue qui se cache sous quelque 400 mètres de glace à plusieurs kilomètres en amont de Blood Falls. Le site a été découvert en 1911 par le géologue australien Griffith Taylor, qui a été le premier à explorer la vallée qui porte son nom.
La cause de la couleur rouge de Blood Falls est restée un mystère pendant des années. Différentes hypothèses chimiques ou microbiennes ont été avancées. Certains scientifiques pensaient que c’étaient les algues présentes dans l’eau qui lui donnaient l’étrange couleur rouge.
L’explication officielle vient d’être révélée par des chercheurs de l’Université de Alaska à Fairbanks. Le liquide qui sort du Taylor Glacier est une saumure riche en fer qui s’oxyde lorsqu’elle entre en contact avec l’air, de la même façon que le fer rouille. Les scientifiques expliquent que l’eau rouge provient d’un petit lac d’eau salée piégé sous le glacier, et qui s’y trouve probablement depuis un million d’années. Ils ajoutent que le lac présente une telle salinité qu’il ne peut pas geler à des températures normales, de sorte que l’eau arrache le fer au substrat rocheux au moment où elle s’infiltre dans la glace avant de déboucher à Blood Falls.
Les chercheurs de Fairbanks ont utilisé un certain type de radar pour suivre la saumure qui alimente Blood Falls. Ils ont parcouru le glacier avec les antennes en suivant des modèles en forme de grille afin de «voir» sous la glace, un peu comme une chauve-souris utilise l’écholocation pour «voir» les choses autour d’elle. Ils ont constaté que l’eau restait liquide malgré l’environnement extrêmement froid du glacier, ce que les scientifiques pensaient impossible jusqu’alors. Bien que cela semble contradictoire, l’eau libère de la chaleur en gelant, et c’est cette chaleur qui réchauffe la glace environnante. Le Taylor Glacier est actuellement le glacier le plus froid au monde connu pour laisser échapper de l’eau en permanence.

Source: Université d’Alaska à Fairbanks.

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Nature may offer surprising mysteries. In Antarctica, Blood Falls is an outflow of an iron oxide-tainted plume of saltwater, flowing from the tongue of Taylor Glacier in the Taylor Valley. Iron-rich hypersaline water sporadically emerges from small fissures in the glacier. The saltwater source is a subglacial pool of unknown size overlain by about 400 metres of ice several kilometres from its tiny outlet at Blood Falls. The reddish deposit was found in 1911 by the Australian geologist Griffith Taylor who first explored the valley that bears his name.

The cause of the red colour of the outflow has remained a mystery for years. Different chemical or microbial hypotheses have been suggested. Some experts assumed that algae in the water were behind the strange red colour.

The definite explanation has just been given by researchers from the University of Alaska Fairbanks. What is coming out of the Taylor Glacier is iron-rich brine which oxidises when it comes in contact with air, in the same way that iron rusts. The scientists say that the red water comes from a small saltwater lake trapped beneath a glacier, which may have been there for a million years. They say the lake is so salty it can’t freeze at normal temperatures and scrapes irons from the bedrock as it seeps through the ice to Blood Falls.

The researchers used a type of radar to detect the brine feeding Blood Falls. They moved the antennae around the glacier in grid-like patterns so that they could ‘see’ what was underneath them inside the ice, just like a bat uses echolocation to ‘see’ things around it. They found that the liquid water actually persisted inside an extremely cold glacier, something that scientists previously thought was impossible. While it sounds counterintuitive, water releases heat as it freezes, and that heat warms the surrounding colder ice. Taylor Glacier is now the coldest known glacier to have persistently flowing water.

Source: University of Alaska at Fairbanks.

Crédit photo: US National Science Foundation.

Résultats de l’analyse de Blood Falls par la National Science Foundation en 2009

(Source : US National Science Foundation)

Retour de l’eau dans le Lac Waiau sur le Mauna Kea (Hawaii) // Water again in Lake Waiau on Mauna Kea (Hawaii)

Le lac Waiau se trouve à 3 970 mètres d’altitude sur le Puuwaiau, un cône adventif du Mauna Kea. Dans une note publiée le 22 septembre 2012, j’expliquais l’existence de ce lac et son importance dans la culture hawaïenne. J’ajoutais que le niveau du lac avait chuté rapidement en raison d’une période de sécheresse de plusieurs années
L’année suivante, le niveau du lac Waiau continuait de baisser. Présentant normalement un diamètre d’une centaine de mètres, le lac n’avait plus qu’une dizaine de mètres de large et 23 centimètres de profondeur le 26 septembre 2013. En décembre de cette même année, la situation s’était aggravée avec une profondeur maximale mesurée à 13 centimètres. Lorsqu’il est plein, le lac a une profondeur d’environ 3 mètres. Un rapport de l’USGS datant de 2015, basé sur des données de 1885 à 2010, a révélé que la superficie du lac fluctuait normalement entre 5 000 et 7 000 mètres carrés.

Aujourd’hui, en 2017, le lac Waiau est presque plein, comme c’est le cas depuis l’automne 2014, signe du retour des précipitations normales près du sommet du Mauna Kea. Il y a eu aussi de bonnes pluies pendant l’hiver et de la neige fin 2016 et début 2017.
L’eau du lac Waiau est maintenue à l’intérieur d’une dépression par une couche de matériaux fins recouverte de dépôts périglaciaires. La couche fine joue le rôle d’aquifère qui libère lentement l’eau dans le lac au cours de l’année. C’est la couche de matériaux fins, et non le pergélisol comme on le pensait auparavant, qui fournit probablement le matériau imperméable qui surmonte la nappe phréatique.
Le lac joue un rôle dans la mythologie hawaïenne. Outre Poli’ahu, l’une des quatre déesses de la neige, toutes ennemies de Pelé, deux autres divinités de la neige, Lilinoe et Waiau, sont associées au Mauna Kea, et le lac – dont le nom signifie « eau tourbillonnante » en hawaiien –a probablement été nommé par référence à l’une de ces déesses qui venait se baigner dans ses eaux. À l’origine, les Hawaïens considéraient le Mauna Kea, y compris le lac Waiau, comme un site sacré, et seuls les prêtres et les chefs étaient autorisés à y accéder. Plus tard, après la formation du royaume hawaïen, le site a été de temps en temps visité par les membres de la famille royale. La dernière à y venir a été la reine Emma en 1881. Elle aussi s’est baignée dans le lac pendant sa visite.

Source : Presse hawaiienne.

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Lake Waiau lies 3,970 metres a.s.l. within the Puuwaiau cinder cone on the flank of Mauna Kea. In a note written on September 22nd, 2012, I explained the existence of this lake on the slopes of Mauna Kea and its importance in Hawaiian culture. I added that the lake level had been falling rapidly due to a dry spell lasting several years

In 2013, the lake was still shrinking fast. Normally 100 metres wide, the lake had become just 10 metres wide and 23 centimetres deep on Sept. 26th, 2013. By December, the situation had worsened with the maximum depth measured at 13 centimetres. When full, the lake has a maximum depth of about 3 metres. A 2015 report by the USGS based on data from 1885 to 2010 found the lake’s surface area normally fluctuates between 5,000 and 7,000 square metres.

Today, in 2017, Lake Waiau is nearly full, as it has been since autumn 2014, indicative of normal precipitation near Mauna Kea’s summit. There were also good winter rains and snow at the end of 2016, and beginning of 2017.

Lake Waiau is a water body in which water is held in a depression by a continuous layer of fine material in its surroundings, which is covered by periglacial slope deposits. The fine layer acts as an aquifer that may gently release water into the lake over the year. The fine-grained material, and not permafrost, as previously thought, is likely the impermeable material that perches the water table.

The lake plays a part in Hawaiian mythology. Aside from Poli’ahu, one of the four goddesses of snow, all enemies of Pele, two additional snow deities, Lilinoe and Waiau, are associated with Mauna Kea, and the lake was probably named after the goddess of the same, who used to bathe in it. Originally, Hawaiians considered the whole peak region of Mauna Kea, including Lake Waiau, a sacred site, and only priests and chieftains were allowed to access it. Later, after the formation of the Hawaiian kingdom, the peak region was occasionally visited by members of the royal family. The last one to do so was queen Emma in 1881, who also took a bath in the lake during her visit.

Source: Hawaiian newspapers.

Crédit photo: Wikipedia.

Poli’ahu règne sur le Mauna Kea… (Photo: C. Grandpey)

Neige et ressources en eau sur Terre // Snow and Earth’s water resources

L’eau est une ressource essentielle sur Terre. Sans eau, la vie serait impossible. Cependant, seule une fraction de l’eau que l’on trouve sur Terre, soit 3% seulement, est de l’eau douce, et une proportion de 70% de cette eau douce est inaccessible, car elle est prisonnière des glaciers, de la banquise et des neiges éternelles. Il sera intéressant d’observer l’impact du changement climatique sur les chutes de neige, l’accumulation de cette neige, ainsi que ses effets sur les réserves d’eau de la planète.
La NASA a récemment lancé une nouvelle mission destinée à étudier la neige qui se trouve sur la planète et sa relation avec l’eau disponible immédiatement. Baptisée SnoxEx, la mission s’étalera sur plusieurs années et s’effectuera depuis les airs. Son objectif est d’améliorer les méthodes utilisées pour mesurer l’épaisseur et le volume de neige à la surface de la Terre. En testant  les équipements et les techniques de calcul de la quantité d’eau contenue dans la couverture neigeuse, les scientifiques espèrent mieux comprendre comment les fluctuations dans l’accumulation de neige affectent l’accessibilité à l’eau dans le monde entier, que ce soit pour l’agriculture, l’électricité ou l’eau potable.
Les scientifiques de la NASA collaboreront avec des dizaines de leurs collègues aux États-Unis, au Canada et en Europe. Un objectif de la mission est de trouver et d’affiner les meilleures techniques de mesure de la neige et de déterminer comment elles peuvent cohabiter. Comme le manteau neigeux contient généralement de 40 à 95 pour cent d’air, sa teneur en eau est calculée en mesurant sa masse ou  bien sa profondeur et sa densité.
Les satellites surveillent depuis des dizaines d’années l’enneigement saisonnier, mais ils ne sont pas capables de mesurer avec précision la quantité d’eau piégée dans la neige au travers de différents types de paysages enneigés. En particulier, il leur est difficile de mesurer précisément les zones forestières et on pense que les évaluations antérieures ont sous-estimé de 50% le stockage de l’eau dans la neige.

D’autres études utilisant des technologies d’analyse à distance ont également illustré de façon incomplète le stockage de l’eau dans la neige. Les fréquences micro-ondes ne peuvent pas détecter la neige quand elle est partiellement fondue, et le LIDAR est incapable de pénétrer les nuages, ce qui limite son utilité pour analyser les accumulations de neige.
Pour surmonter ces limites techniques, SnowEx rassemblera ses données à l’aide de capteurs multiples intégrant des technologies émergentes telles que celles utilisant l’altitude et la gravité, ainsi que des méthodes plus conventionnelles comme la spectroscopie, le radar et la radio-détection. Au total, cinq avions dotés de 10 capteurs différents permettront aux scientifiques d’analyser la couche neigeuse en fonction des différents types de terrains et des différents types de neige.
Les scientifiques travailleront également sur le terrain dans deux sites du Colorado: le Grand Mesa et le Senator Beck Basin. Les données recueillies au cours des observations sur le terrain seront confrontées aux résultats fournis par les capteurs à bord des avions et les résultats aideront à déterminer les objectifs de la mission SnowEx dans les années à venir. Elles permettront peut-être d’aider au développement futur de satellites capables de détecter les volumes de neige depuis l’espace.
Source: Live Science.

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Water is an essential resource on Earth. Without water, life would be impossible. However, only a fraction of Earth’s water, a mere 3 percent, is freshwater, and about 70 percent of that freshwater is inaccessible, locked up in glaciers, ice and permanent snow cover. With climate change going on, it will be interesting to observe its impact on snowfall, snow accumulation and then its impact on the water reserves of the planet.

NASA recently launched a new initiative to investigate the planet’s snow and the relationship of this snow to readily available liquid water. The aim of the SnowEx multiyear airborne research campaign is to improve methods used to measure snow depth and volume. By testing equipment and techniques for calculating the amount of water contained in snow cover, scientists hope to improve their understanding of how fluctuations in snow accumulation affect water accessibility worldwide, for agriculture, power and drinking.

NASA experts will collaborate with dozens of scientists from across the U.S., Canada and Europe. A goal of the campaign is to find and refine the best snow-measuring techniques and determine how they could work together. Because snowpack is typically 40 to 95 percent air, water content is calculated by either measuring the snowpack’s mass or establishing its depth and density.

Satellites have monitored seasonal snow cover from space for decades, but they can’t accurately measure the amount of water trapped in snow across different types of snow-covered landscapes. Accurately measuring forest areas is particularly challenging, and prior evaluations are thought to have underestimated water storage in snow by as much as 50 percent.

Other surveys using remote-scanning technologies also painted an incomplete picture of water storage in snow. Microwave frequencies cannot detect snow when it is partly melted, and LIDAR is unable to penetrate clouds, limiting its usefulness to track snowstorm accumulations.

To overcome these technical limitations, SnowEx will gather its data with multiple sensors, incorporating emerging technologies such as those that use altitude and gravity sensing, together with more conventional methods like spectroscopy, radar and radio sensing. A total of five aircraft deploying 10 different sensors will allow scientists to adjust scanning options in response to different terrains and different types of snow.

Scientists will also work on the ground at two Colorado sites: Grand Mesa and Senator Beck Basin. Data collected during fieldwork will serve to verify the findings provided by remote-sensing aircraft, and the results will help to determine SnowEx goals in the coming years — perhaps even informing the future development of satellites capable of detecting snow volume from space.

Source: Live Science.

Les satellites ont des difficultés pour détecter le volume de neige dans un tel paysage au Canada (Photo: C. Grandpey).