Thèmes de recherche

ICE3 organise ses activités selon deux axes thématiques complétés par un axe instrumental transverse.

Axe 1 : Variabilité climatique et forçages

Cet axe se concentre sur la compréhension des interactions entre climat, cycle du carbone et forçages orbitaux à différentes échelles temporelles du Quaternaire. Les recherches récentes ont porté sur trois périodes clés : la Transition du Pléistocène Moyen (TPM, 1,2–0,8 Ma), les interglaciaires et les réchauffements rapides de la dernière période glaciaire. Cette thématique est soutenue par plusieurs projets structurants, notamment H2020 Beyond EPICA Oldest ice (2019-2026), ITN DEEPICE (2020-2024), MOPGA-HOTCLIM (2020-2026), et les ANR BIOCOD (2023-2026) et ToBE (2023-2026).

Les avancées majeures reposent sur deux volets complémentaires : le développement de modèles numériques et la production/exploitation de nouvelles données paléoclimatiques. Sur le plan numérique, des progrès ont été réalisés sur la datation des glaces et des gaz piégés, la modélisation du piégeage des gaz, la conservation des signaux climatiques dans la glace et la compréhension des précipitations en Antarctique. Une avancée notable est la création de la chronologie AICC2023, issue d’un modèle probabiliste multi-sites intégrant plusieurs carottes (Antarctique et Groenland).

Côté données, des enregistrements haute résolution sur les glaces et les gaz ont permis de caractériser finement les séquences climatiques passées. Par exemple, des résultats ont montré l’impact de l’obliquité terrestre sur les hausses brutales de CO₂ (jusqu’à 10 ppm/siècle) au cours des 500 000 dernières années. Le rôle du CO₂ dans la TPM a été exploré à l’aide d’un nouveau modèle conceptuel.
Par ailleurs, les réchauffements abrupts au Groenland ont été reliés à des interactions océans-atmosphère-cryosphère. Enfin, des études géochimiques ont permis de reconstruire l’histoire du volcanisme stratosphérique (2600 ans) et de mettre en évidence son rôle dans la production de NOx et ses effets sur l’ozone.

Axe 2 : Variabilité de la composition atmosphérique et anthropisation

Cet axe explore les grands cycles biogéochimiques en lien avec l’anthropisation des milieux, via l’analyse d’archives glaciaires multi-sites (Alpes, Caucase, Andes) collectées notamment par le programme ICE MEMORY, afin de documenter la pollution atmosphérique passée. Ces carottes montrent une contamination persistante en métaux lourds, nitrates et ammonium dès le 19e siècle dans les Alpes, ainsi qu’une transition des sources de pollution au fil du temps (charbon, pétrole, agriculture). Dans le Caucase, les glaces révèlent l’impact de la désertification, du changement climatique régional et de la pollution industrielle. Dans les Andes, le dépôt de suie lié aux feux de forêt accélère la fonte des glaciers, mettant en péril les ressources en eau locales.

Des travaux isotopiques de pointe sur le nitrate, le sulfate et les oxydes d’azote (notamment via le nouvel instrument Orbitrap-iso) permettent une approche approndie des processus d’oxydation dans l’atmosphère . Des campagnes en Arctique (ANR ALPACA 2022-2026) et en Antarctique (ERC Doc-Past 2022-2027, IPEV CAPOXI 2021-2025) permettent de mettre en relief les particularités de chaque régions polaires, avec l’Arctique fortement impacté par les émissions anthropiques au contraire de l’Antarctique où les processus naturels dominent toujours. Le programme EAIIST (BNP, ANR 2018-2022) a permis l’étude inédite du plateau antarctique de l’est et la mise en place d’un réseau d’observation.
La microbiologie des environnements glaciaires, récemment développée, explore la réponse des micro-organismes aux changements environnementaux. Les projets ICEBIO et Paleo-MARE examinent l’évolution des communautés microbiennes et des résistances aux antibiotiques et métaux lourds, en lien avec les impacts anthropiques historiques.

Enfin, le projet ABS étudie la contribution des sucres biogéniques aux particules atmosphériques, en lien avec l’activité microbienne, tandis que d’autres recherches visent à valider la glace comme archive microbienne fiable.

Axe transverse : les développements d’outils spectroscopiques et numériques

Cet axe transverse porte en premier lieu sur le développement de techniques optiques avancées pour la mesure de la composition des gaz et de leurs isotopes dans des contextes variés : chimie atmosphérique, analyse des carottes de glace et mesures en milieux aquatiques. Depuis 2015, l’équipe ICE3 mène ces travaux innovants en synergie avec d’autres équipes de l’IGE et des partenaires externes.

En chimie atmosphérique, deux instruments IBBCEAS ont été développés pour détecter avec haute sensibilité des espèces comme NO₂, CHOCHO, IO et NOx. Ces outils sont essentiels pour étudier la chimie des NOx en Antarctique (Barbero et al. 2020–2022) et tracer leurs sources et voies d’oxydation (Albertin et al. 2024). En 2024, une version en cellule ouverte a permis une mesure très sensible du radical IO, potentiellement impliqué dans la nucléation de nouvelles particules. Ces instruments, associés à un analyseur OFCEAS de NO, ont été installés sur l’île d’Amsterdam dans le cadre du projet IPEV CAPOXI.

Concernant l’analyse des carottes de glace, un spectromètre pour la mesure du CO₂ et de son isotope ¹³C est en cours de finalisation. Il sera associé à une nouvelle technique de broyage à sec plus efficace, permettant ainsi de réduire de moitié la taille des échantillons de glace nécessaire. Ce développement est soutenu par le projet Labex OSUG IsoCarb (2021-2023), l’EquipEx+ TERRA FORMA (2022-2029) et les ANR BIOCOD et ToBE (2023-2026). Parallèlement, un nouveau spectromètre basé sur la technique VCOF-CRDS pour la mesure du Δ¹⁷O du CO est en développement avec le LIPhy (ERC DOC-PAST, 2022-2027).

Enfin, pour la mesure des gaz dissous et des isotopes de l’eau, l’instrument SubOcean permet des mesures rapides du CH₄ et de son isotopie. Testé avec succès sur divers sites aquatiques depuis 2019, il est en phase de transfert industriel. Un capteur pour les isotopes de l’eau (ANR SWIS, 2019-2022) a également atteint les précisions nécessaires et fait l’objet d’essais terrain.

Cet axe transverse porte en deuxième lieu sur le développement d’outils numériques qui permettent de dater et d’interpréter l’archive glaciaire prélevée sur les calottes polaires ou les glaciers de montagne.
Des modèles d’écoulement de la glace ont été développés. Il s’agit de modèles 1D (mouvement purement vertical) ou 2.5D (age flow line, un modèle tube d’écoulement). Un accent a été mis sur la rapidité et la précision des calculs. Ils ont permis en particulier de fournir des scénarios de datation a priori pour les carottages européens (TALDICE, EDC, etc.) et ils ont aussi permis la détermination du site de forage à BELDC.

Ces modèles d’écoulement étant toujours limités par leurs hypothèses physiques simplificatrice, une approche plus pragmatique a été développée pour dater les forages glaciaires au travers du modèle probabiliste Paleochrono. Ce modèle vise à combiner toutes les informations chronologiques à disposition. Récemment, ce modèle a été étendu aux autres archives paléoclimatique (spéléothèmes, carottes marines et lacustres, etc.).
Une autre spécialité de l’équipe concerne les modèles de densification de la neige et transport / piégeage des gaz dans le névé. Ces modèles permettent d’estimer la différence d’âge entre la glace et les bulles d’air piégées. Ils permettent aussi, à partir de concentrations des gaz piégés dans le névé, de remonter à l’histoire des concentrations atmosphériques de ces gaz.