Un iceberg peut-il vraiment flotter verticalement ?

Dans un tweet en date du 20 février 2021, le compte de la chaîne YouTube Sous nos pieds annonce : «On nous ment ! Ces formes d'icebergs que l'on voit si souvent circuler ne pourraient jamais flotter de cette façon.» L'image d’un iceberg illustre cette publication qui compte plus de 1100 retweets et 500 partages. Sur la photo, seul le sommet de l’iceberg émerge et la majorité de sa masse s’étire verticalement sous l’eau.

Le tweet comprend également un lien vers «un générateur d’iceberg qui confronte votre dessin aux lois de la physique». Il s’agit d’Iceberger, un outil de dessins d’icebergs créé par Joshua Tauberer, développeur de logiciels informatiques à Washington (États-Unis), et qui a également fait des émules sur Internet. 

Un photomontage datant des années 1990

Grâce aux nombreuses utilisations de l’image du tweet, Journalistes Solidaires est remontée à son origine. D’après cet article de Télérama, cette «photo d’iceberg la plus connue au monde» est en réalité un photomontage créé par le photographe du Brooks Institute (Californie) Ralph A. Clevenger en 1998, sur une ancienne version de Photoshop. 

Dans une interview pour le Brooks Institute, il révèle que l’image est constituée de quatre photos différentes : la première et la deuxième, prises en Californie, desquelles proviennent le ciel et la mer ; la troisième, prise en Antarctique, pour la partie émergée de l’iceberg ; et enfin la quatrième, prise en Alaska, qui représente un bloc de glace retourné à l’envers. La partie «immergée» de l’iceberg de cette image était donc bien hors de l’eau au moment de la prise de la photo originale. Même si selon le photographe, les couleurs de la photo ne sont pas retouchées, cet iceberg dans son ensemble est, lui, tout à fait fictif. Plus encore : s'il existait, il ne serait pas en équilibre stable et ne pourrait rester dans cette position dans la nature.

Comment se fait-il qu’un iceberg flotte ?

Les icebergs sont des fragments de glaciers plus ou moins gros, comme précisé dans cet article paru dans le Journal du CNRS : «Soumis à différentes pressions comme les courants, la marée, les vagues et son propre poids, le front du glacier se fracture et finit par libérer des morceaux de glace. C’est par ce phénomène de vêlage que naissent les icebergs.» Ces montagnes de glace peuvent atteindre des masses de 30 millions de tonnes, et pourtant, elles flottent. L’explication réside en premier lieu dans les propriétés de la glace des icebergs qui, constituée d’eau douce a fortiori, est moins dense que l’eau salée des mers et des océans. Elle est donc plus légère à volume égal.

À cela s'ajoute la poussée d'Archimède : tout corps plongé dans un fluide subit une poussée verticale dirigée du bas vers le haut, égale au poids du volume de fluide déplacé. Or, le poids de l’eau de mer déplacée est supérieur à celui de la glace submergée. C’est cette poussée d’Archimède qui maintient l’iceberg au-dessus de l’eau et lui évite de couler. Cependant, la différence de masse étant faible, 75 à 90 % de la masse d’un iceberg restent immergés et seule la partie supérieure de l’iceberg pointe hors de l’eau. Pour autant, un iceberg ne peut pas flotter dans toutes les positions. Un iceberg orienté comme celui imaginé par le photographe Ralph A. Clevenger ne serait pas en équilibre stable. 

Représenter des icebergs dans leur «orientation stable»

Le 18 février 2021, dans un fil Twitter devenu viral, la glaciologue et climatologue américaine Megan Thompson-Munson partage un dessin à l’aquarelle représentant, d’après elle, un «iceberg stable».

Today I channeled my energy into this very unofficial but passionate petition for scientists to start drawing icebergs in their stable orientations. I went to the trouble of painting a stable iceberg with my watercolors, so plz hear me out.

(1/4) pic.twitter.com/rtkCYub38b

— Megan Thompson-Munson (@GlacialMeg) February 19, 2021

Dans les tweets suivants, elle regrette l’image «classique» des icebergs «en forme de cône de crème glacée, dont 90 % se situe sous la surface de l'eau et 10 % au-dessus». Si la répartition de la masse de la glace est vraie, cette orientation verticale de l’iceberg serait instable : «Un iceberg étiré [à la verticale] ne flotterait pas par son sommet, mais plutôt sur son flanc», résume-t-elle.

En source de ses propos, la glaciologue cite l’article «Tip of the iceberg» («Sommet de l’iceberg», en anglais) paru le 1er décembre 2019 dans la revue scientifique Physics Today. Rédigé par Henry Pollack, professeur émérite en géophysique à l’université du Michigan, cet article explique, par des principes physiques, pourquoi des icebergs ne pourraient pas flotter à la verticale.

Henry Pollack propose l’expérience suivante : prendre un bouchon de liège et l’enfoncer dans un verre d’eau à la verticale. Une fois lâché dans l’eau, le bouchon de liège se retournera et flottera horizontalement, parallèlement à la surface de l’eau. Pourquoi ? «L’orientation en équilibre d’un corps qui flotte survient lorsque le centre de gravité (le centre de la masse de l’objet entier) et le centre de flottaison (le centre de la masse de la partie submergée de l’objet seulement) sont alignés», énonce-t-il. 

L’équilibre stable ou instable d’un iceberg 

Pour mieux comprendre, Journalistes Solidaires a interviewé Anne Mangeney, professeure d’université à l’Institut de physique du globe de Paris et Olivier Castelnau, directeur de recherche au CNRS, qui travaille au laboratoire PIMM de l’École nationale des arts et métiers. Avec leur collègue Vladislav Yastrebov, du centre des matériaux de l’École des mines et chargé de recherche au CNRS, ils étudient les phénomènes sismiques produits lorsque des icebergs se détachent des glaciers, notamment dans le cadre des thèses respectives d’Amandine Sergeant et de Pauline Bonnet. 

L’image 1 ci-dessous est une schématisation réalisée par Olivier Castelnau pour cet article. Elle représente un iceberg qui flotte en position instable. G désigne le centre de gravité de l’iceberg (l’ensemble de l’objet en noir), F, le centre de flottaison de l’iceberg (soit le centre de gravité de la partie submergée de l'iceberg, ici hachurée en rouge), P, la force de pesanteur et A, la poussée d'Archimède.

Pour qu’un iceberg de cette forme puisse flotter en équilibre stable, il faut que les forces A et P s’annulent et que les centres de gravité et de flottaison soient alignés verticalement (ici, ils se superposent). 

Il n’est donc pas impossible qu’un iceberg se retrouve à la verticale. Cependant, il ne pourrait pas se maintenir longtemps dans cette position. En équilibre instable, un simple mouvement, comme celui des vagues, le ferait se renverser d’un côté, comme dans l’image 3. 

Par ailleurs, un autre paramètre détermine la rotation ou non d’un iceberg : son rapport d’aspect, soit le ratio entre la hauteur et la largeur de l’iceberg. Pour l'analyser, Henry Pollack s’est penché sur l'étude de cylindres de glace. D’après ses calculs, pour qu’un cylindre de glace puisse flotter à la verticale, il faudrait que le ratio entre sa hauteur et son diamètre soit inférieur à 0,7266. C’est le cas où le cylindre est plus court que large et où il se rapproche de la forme d’un disque. En revanche, si le ratio hauteur/diamètre est supérieur à 1,1785 (donc si le cylindre est plus long que large), il flotte avec un axe de rotation parallèle à la surface de l’eau, donc à l'horizontal. Lorsque le ratio est compris entre 0,7266 et 1,1785, les deux positions d’équilibre peuvent coexister. 

Rappelons cependant que les icebergs, de formes diverses, évoluent et se transforment au cours du temps, ce qui peut occasionner des retournements. Interrogée par Journalistes Solidaires, Maurine Montagnat Rentier, chercheuse au CNRS, à l'Institut des géosciences de l'environnement, rappelle dans un email que les icebergs ne sont ni lisses ou homogènes, ni invariables. Ils sont continuellement altérés par l’action du vent et des vagues : «C’est sans compter la forme complexe que peut prendre un iceberg. Ils sont même parfois troués au centre. De plus, l’eau et les vagues ont tendance à les creuser, et à impliquer leur retournement brutal vers une nouvelle position d’équilibre.»

Le «vrai iceberg»

Pourquoi représenter alors pour le grand public des icebergs dans une position instable ? «Je serais bien en peine de l’expliquer, admet Gaël Durand, directeur de recherche au CNRS, à l'Institut des géosciences de l'environnement à Grenoble, pour Journalistes Solidaires. J’aurais deux hypothèses : il est connu que 90 % d’un iceberg est immergé, donc cette représentation permet de montrer cela. Ensuite, il est plus esthétique de le positionner à la verticale pour des images au format portrait !»

C’est d’ailleurs ainsi que le photographe Ralph A. Clevenger décrit sa motivation pour créer des photomontages : «J’essaie de recréer des choses que j’ai vues ou que je voudrais voir mais que je ne peux pas photographier ou qui n’existent pas». De son côté, la glaciologue Megan Thompson-Munson défend l’adoption généralisée de représentations stables et réalistes de ces montagnes de glace. 

Iceberger : le dessin soumis aux lois de la physique

Interviewé par Journalistes Solidaires, Joshua Tauberer, le créateur du générateur d’icebergs, confirme s’être inspiré du fil Twitter de Megan Thompson-Munson et avoir créé Iceberger «pour le plaisir et pour apprendre de nouvelles choses». Sans aucune expertise préalable sur le sujet, ce développeur de logiciels informatiques a suivi la modélisation présentée dans l’étude de Physics Today. À partir de deux points de repère, le centre de gravité et le centre de flottaison de l’objet dessiné, Iceberger retourne l’objet jusqu’à ce qu’il flotte, avec environ 10 % de sa masse émergée. Joshua Tauberer souligne cependant que, malgré des mises à jour récentes d’Iceberger, le processus à l’œuvre reste approximatif.

Les chercheurs Anne Mangeney et Olivier Castelnau le confirment à Journalistes Solidaires. Après avoir expérimenté Iceberger, ils notent qu’il y manque un élément essentiel du phénomène de retournement d’icebergs : leur déplacement horizontal. En effet, comme illustré ci-dessous, un iceberg se déplace lorsqu’il se retourne, contrairement à une sphère qui remonterait directement à la surface. Si l’iceberg se retourne vers la droite, il s’ensuit un déplacement de celui-ci vers la droite, et inversement. Ce mouvement n'est pas anodin car, lorsqu’un iceberg se détache d’un glacier par ce phénomène de rotation, il prend appui sur ce dernier et cela génère des ondes sismiques pouvant ressembler à celles enregistrées lors d’un séisme de niveau 5 ! 

Pour aller plus loin 

Pour prolonger la compréhension des forces exercées sur les icebergs, qui leur permettent de se maintenir en équilibre, cet article, écrit par John Frederick Nye et J.R. Potter en 1980 et paru en janvier 2017 dans l’ouvrage Annals of glaciology, traite de la stabilité et du risque de renversement des icebergs en s’inspirant de la théorie des catastrophes.

Anne Mangeney, Vladislav Yastrebov et Olivier Castelnau, quant à eux, étudient, aux côtés d’autres chercheurs, le vêlage de la nappe glaciaire du Groenland, à partir de l’enregistrement de séismes produits lors du détachement des icebergs. Un article sur la question est également paru dans la revue Annals of glaciology, en avril 2019.

Édit du 01/04/2021 : modification du nom du laboratoire auquel est rattachée Maurine Montagnat et rajout de l'expression «a fortiori» concernant la densité de la glace. Telle que préalablement formulée, notre phrase pouvait laisser place à un doute sur celle-ci : or, la glace est toujours plus dense que l'eau.