Les cavi­tés sou­ter­raines consti­tuent un éco­sys­tème fra­gile dans lequel les pro­ces­sus bio­géo­chi­miques dépendent for­te­ment de la tem­pé­ra­ture, de l’humidité et de la ven­ti­la­tion. Elles abritent éga­le­ment des traces uniques de leur envi­ron­ne­ment pas­sé.

Depuis le début du 21ème siècle, les études paléoen­vi­ron­ne­men­tales des spé­léo­thèmes, for­ma­tions car­bo­na­tées secon­daires telles que sta­lag­mites et cou­lées sta­lag­mi­tiques, ont per­mis de recons­truire le cli­mat ter­restre avec pré­ci­sion, sur les der­niers 500’000 ans envi­ron.

La ques­tion de la réponse du cli­mat sou­ter­rain aux varia­tions du cli­mat exté­rieur n’est cepen­dant pas entiè­re­ment réso­lue. Les résul­tats du pro­jet Ther­mo­karst indiquent clai­re­ment que le trans­fert des varia­tions exté­rieures par dif­fu­sion ther­mique à tra­vers la roche n’est pas le seul méca­nisme res­pon­sable des varia­tions obser­vées sous terre.

Bien com­prendre la réponse ther­mique du karst au chan­ge­ment cli­ma­tique est donc fon­da­men­tal pour quan­ti­fier les taux de dissolution/précipitation et inter­pré­ter les varia­tions géo­chi­miques obser­vées dans les concré­tions, et pour éva­luer les impacts sur les orga­nismes vivants dans les grottes.

A par­tir de la lit­té­ra­ture, nous avions for­mu­lé trois hypo­thèses que nous cher­che­rions à vali­der au cours du pro­jet :

1. La ven­ti­la­tion des mas­sifs kars­tiques repré­sente un méca­nisme domi­nant pour le trans­fert de cha­leur ;

2. Le temps de réac­tion des mas­sifs et des grottes dépend prin­ci­pa­le­ment des flux advec­tifs (eau et air), plus que de la conduc­tion de cha­leur dans la roche ;

3. Les échanges ther­miques sont suf­fi­sants pour pro­duire une quan­ti­té signi­fi­ca­tive d’eau de conden­sa­tion pour rechar­ger les sys­tèmes kars­tiques, au-moins dans cer­taines condi­tions.

Pour atteindre cet objec­tif, le pro­jet s’appuie sur deux équipes aux com­pé­tences com­plé­men­taires, l’une spé­cia­liste du moni­to­ring et de la concep­tua­li­sa­tion des sys­tèmes kars­tiques (ISSKA), l’autre des trans­ferts de cha­leur et de masse (FAST, Labo­ra­toire de méca­nique des fluides de l’Université de Paris-Sud).

Notre recherche s’est concen­trée sur les grottes ven­ti­lées, his­to­ri­que­ment le com­po­sant le moins bien com­pris du trans­port ther­mique en milieu kars­tique (la conduc­tion de la cha­leur dans la roche et l’advection de la cha­leur par l’eau ayant déjà été trai­tées dans des tra­vaux anté­rieurs). La recherche a com­bi­né des approches empi­riques et théo­riques, pro­dui­sant deux thèses de doc­to­rat^{1 2} et plu­sieurs articles éva­lués par des pairs.

Principales avancées de Thermokarst (sélection) :

• Un obs­tacle métho­do­lo­gique majeur — la mesure des flux d’air dans les grottes — a été sur­mon­té grâce au déve­lop­pe­ment et à la vali­da­tion d’un ins­tru­ment robuste, adap­té aux condi­tions sou­ter­raines, per­met­tant un déploie­ment plus large avec un effort rai­son­nable ^{3 4}.Cela ouvre la voie à des études sys­té­ma­tiques de la ven­ti­la­tion sur plu­sieurs sites.

• Nous avons démon­tré que le cou­plage ther­mique air–roche entraîne des écarts signi­fi­ca­tifs par rap­port à une modèle « clas­sique » ne consi­dé­rant que la conduc­tion ther­mique à tra­vers la roche.

• Nous avons défi­ni et quan­ti­fié la lon­gueur de convec­tion — la dis­tance le long d’un conduit ven­ti­lé néces­saire pour amor­tir les signaux ther­miques externes — et mis en évi­dence sa dépen­dance à la durée des cycles cli­ma­tiques (quo­ti­diens, annuels, plus longs) ⁶.

• Nous avons éta­bli une for­mule reliant la lon­gueur de convec­tion annuelle maxi­male au débit d’air et au dia­mètre du conduit.

• Nous avons iden­ti­fié le rôle déter­mi­nant de l’intensité de la ven­ti­la­tion sur la lon­gueur de convec­tion, celle-ci étant elle-même limi­tée par les pas­sages les plus étroits des conduits sou­ter­rains.

• Nous avons décrit et modé­li­sé des zones au sein des grottes pré­sen­tant des tem­pé­ra­tures supé­rieures ou infé­rieures à la tem­pé­ra­ture « nor­male », c’est-à-dire la tem­pé­ra­ture annuelle moyenne exté­rieure de l’air à la même alti­tude.

• Nous avons révi­sé et redé­fi­ni les termes de « zones hété­ro­ther­miques » et « homo­ther­miques » assez lar­ge­ment uti­li­sés en cli­ma­to­lo­gie sou­ter­raine.

• Nous avons mis en évi­dence le fait que les effets de che­mi­née peuvent déclen­cher une ven­ti­la­tion éten­due et signi­fi­ca­tive dans les sys­tèmes sou­ter­rains lorsqu’il existe des contrastes de tem­pé­ra­ture.

• Nous avons cepen­dant obser­vé que les inten­si­tés de ven­ti­la­tion sont sou­vent faibles à cause de pas­sages étroits, et fré­quem­ment asy­mé­triques (résis­tance aérau­lique dif­fé­rente entre hiver et été — expli­quées par la géo­mé­trie locale (com­por­te­ment de type valve Tes­la), les effets gra­vi­ta­tion­nels dans des sys­tèmes en forme de L, et d’autres fac­teurs.

• Nous avons iden­ti­fié et carac­té­ri­sé les échanges ther­miques air–roche le long des conduits ven­ti­lés.

• Nous avons confir­mé le rôle essen­tiel de la tem­pé­ra­ture exté­rieure comme condi­tion aux limites, mais rele­vé que la tem­pé­ra­ture moyenne dans le sol à ~0.5 m était sou­vent plus éle­vée que celle de l’air à 2 m au-des­sus du sol.

• Nous avons cla­ri­fié le rôle de la conduc­tion ther­mique dans la roche, prin­ci­pa­le­ment aux échelles tem­po­relles courtes (quo­ti­diennes) et longues (décen­nales).

• Nous avons éva­lué les échanges ther­miques dans l’épikarst impli­quant à la fois les trans­ferts ther­miques air–roche et eau–roche.

• Nous avons démon­tré que cer­tains modèles lar­ge­ment cités du drai­nage géo­ther­mique à la base des sys­tèmes kars­tiques sont inco­hé­rents avec cer­tains aspects théo­riques et avec nos don­nées, indi­quant la néces­si­té d’améliorations les modèles.

Résultats et publications

Pierre-Yves Jean­nin (ISSKA), Fré­dé­ric Dou­menc (Sor­bonne), Marc Luet­scher (ISSKA).

¹   Seda­ghat­kish, A. The Role of Convec­tive Heat and Mass Trans­fer in the Ther­mal Res­ponse of Karst Conduits. PhD-The­sis, Uni­ver­si­ty of Neu­châ­tel, Centre of Hydro­geo­lo­gy and Geo­ther­mics (CHYN), Swit­zer­land, 2025.

²   Pas­tore, C. Ven­ti­la­tion Dyna­mics and Heat Exchange in Caves : An Inte­gra­ted Moni­to­ring and Mode­ling Approach. PhD-The­sis, Uni­ver­si­ty of Neu­châ­tel, Centre of Hydro­geo­lo­gy and Geo­ther­mics (CHYN), Swit­zer­land, 2025.

³   Pas­tore C., Seda­ghat­kish A., Schmid N., Weber E., Luet­scher M., 2024. Moni­to­ring air fluxes in caves using digi­tal flow meters. Inter­na­tio­nal Jour­nal of Spe­leo­lo­gy, 53, 63–73.doi.org/10.5038/1827–806X.53.1.2500

⁴   Pas­tore C., Weber E., Dou­menc F., Jean­nin PY., Luet­scher M., 2024. Dis­per­sion of arti­fi­cial tra­cers in ven­ti­la­ted caves. Inter­na­tio­nal Jour­nal of Spe­leo­lo­gy, 53(1), 51–62. doi.org/10.5038/1827–806X.53.1.2497

⁵   Seda­ghat­kish A., Dou­menc F., Jean­nin PY., Luet­scher M., 2024. Mode­ling the effect of free convec­tion on per­ma­frost mel­ting rates in fro­zen rock-clefts. The Cryos­phere, 18, 4547–4565, doi.org/10.5194/tc-18–4547-2024

⁶   Seda­ghat­kish A., Pas­tore C., Dou­menc F., Jean­nin PY., Luet­scher M., 2024. Model­ling heat trans­fer for asses­sing the convec­tion length in ven­ti­la­ted caves. Jour­nal of Geo­phy­si­cal Research : Earth Sur­face, 129, e2024JF007646. doi.org/10.1029/2024JF007646

⁷    Seda­ghat­kish, A., Pas­tore C., Dou­menc F., Jean­nin P.-Y., et Luet­scher M.. Ther­mal Mode­ling of Caves Ven­ti­la­ted by Chim­ney Effect. Inter­na­tio­nal Jour­nal of Ther­mal Sciences 212 (June 2025): 24. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2025.109757.

⁸    Gara­gnon J., Luet­scher M., Weber E., 2022. Ven­ti­la­tion regime in a kars­tic sys­tem (Milandre Cave, Swit­zer­land). Kars­to­lo­gia Mémoires, 23, 18–19