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Amory, C. (2016). Erosion éolienne et rugosité de la surface neigeuse en Terre Adélie. Ph.D. thesis, Université Grenoble Alpes, Grenoble.
Abstract: The Antarctic ice sheet surface mass balance (SMB; result of the balance between accumulation and ablation terms) has a direct influence on variations in the global mean sea level. In the context of climate change, atmospheric models are nedded to is necessary to refine its current and future estimation.
Intense surface winds over the coastal slopes of East Antarctica are responsible for aerodynamic entrainment of snow at the surface, which influences significantly local accumulation. Transport of snow by the wind also produces the development of aeolian erosion features aligned parallel to the prevailing winds at the time of their formation. The spatial distribution of these features is a major determinant of surface roughness. On the other hand, surface roughness is an obstacle to flow and directly affects the surface wind field and, by extension, aeolian snow transport.
The work presented here is based on observations and numerical modeling of aeolian snow erosion in a coastal stretch of Adélie Land, East Antarctica. First, the regional atmospheric model MAR, which includes a detailed representation of aeolian transport processes, was run at a spatial resolution of 5 km over a zone including Adélie Land and model results were compared with meteorological observations made over one month in summer, including continuous measurements of the wind and horizontal aeolian snow mass flux. Aeolian fluxes modeled by the MAR were highly sensitive to parameterization of surface roughness, and a single calibration of this parameter was not enough to simulate the surface wind field at two measurement points located only 100 km apart with the same accuracy. Consequently, roughness-erosion interactions were analyzed at the scale of individual aeolian erosion events using observations. The results of this analysis underlined that (i) the barrier effect generated by roughness has an inhibiting impact on the aeolian flux and that (ii) this barrier effect can be strongly reduced by the ability of aeolian erosion features to realign with the dominant wind during a transport event. Examination of observations made over a period of one year revealed that this adjustment process is prone to temporal variations mainly linked to the temperature history. Finally, it was shown that reconfiguring the model, including introducing a temperature dependence in the parameterization of surface roughness considerably improved the representation of aeolian fluxes by the MAR model for the year concerned. These results suggest that a spatial and temporal distribution of surface roughness should be included in atmospheric models for realistic simulations of aeolian snow transport over Antarctica.
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Angot, H. (2016). Etude de la réactivité atmosphérique et des dépôts de mercure dans la couche limite marine subantarctique et sur le continent antarctique. Ph.D. thesis, Université Grenoble Alpes, Grenoble.
Abstract: Mercury (Hg) is a metal emitted by both natural and anthropogenic sources. It is of global concern owing to its long-range atmospheric transport, its persistence in the environment, its ability to bioaccumulate in ecosystems, and its negative effects on human health. Large uncertainties associated with atmospheric models – that trace the link from emissions to deposition of Hg onto environmental surfaces – arise as a result of our incomplete understanding of atmospheric processes (oxidation pathways, deposition, and re-emission) and of the scarcity of monitoring data at a global scale. The aim of this PhD work is to improve our understanding of the atmospheric Hg cycling at three remote sites of the Southern Hemisphere: Amsterdam Island (AMS) in the Indian Ocean, Concordia (DC) on the East Antarctic ice sheet, and Dumont d'Urville (DDU) on the East Antarctic coast. Data acquired at AMS suggest a limited atmospheric reactivity of Hg in this part of the globe. The advection of polluted continental air masses being scarce, AMS is a key site for the long-term monitoring of the atmospheric background in the Southern Hemisphere mid-latitudes. Data acquired in Antarctica highlight the occurrence of unprecedented processes in the atmosphere and at the air-snow interface. Due to katabatic winds flowing out from the East Antarctic ice sheet down the steep vertical drops along the coast, processes observed at DC influence the cycle of atmospheric Hg on a continental scale. These scientific breakthroughs will ultimately lead to improved global transport and deposition models.
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Chevrier, F. (2016). Caractérisation des sources de polluants dans la Vallée de l'Arve et évaluation des politiques publiques. Ph.D. thesis, Université Grenoble Alpes, Grenoble.
Abstract: La combustion de la biomasse est l'une des sources majoritaires de particules atmosphériques en périodes hivernales dans les vallées alpines, et particulièrement en vallée de l'Arve où des dépassements des seuils européens sont très régulièrement observés. Ceci a conduit à la mise en place d'un large programme de remplacement des dispositifs de chauffage au bois les moins performants dans le cadre d'une des actions du Plan de Protection de l'Atmosphère, le Fond Air Bois. Le projet DECOMBIO (DEconvolution de la contribution de la COMbustion de la BIOmasse aux PM10 dans la vallée de l'Arve) a ainsi été mis en place en octobre 2013 afin de mesurer l'impact de cette politique de rénovation des appareils de chauffage au bois sur la qualité de l'air. C'est dans ce programme que s'inscrivent ces travaux de thèse dont l'objectif principal est de valider les méthodologies mises en place en routine pour permettre une déconvolution rapide de la combustion de la biomasse et mettre en relation les éventuels changements observés avec les avancées des remplacements de dispositifs de chauffage au bois domestiques.
Pour mener à bien ce travail, trois sites, représentant les différentes situations de la vallée de l'Arve, ont été instrumentés (Marnaz, Passy et Chamonix) afin de suivre en continu, et tout au long du projet DECOMBIO, l'évolution des concentrations atmosphériques du Black Carbon (BC) et des traceurs moléculaires permettant de distinguer la contribution de la combustion de la biomasse des autres types de combustion. Un important jeu de données a été acquis entre novembre 2013 et octobre 2014 grâce à des prélèvements réguliers sur filtre permettant une caractérisation très fine de la composition chimique des particules atmosphériques. L'utilisation de l'approche statistique « Positive Matrix Factorization » (PMF) a permis de mieux appréhender les différentes sources entrant en jeu dans les émissions de particules au sein de cette vallée avec notamment un intérêt particulier pour les émissions de la combustion de la biomasse. Le développement de cette méthodologie d'attribution et de quantification des sources de particules basé sur l'utilisation de traceurs organiques spécifiques, de contraintes particulières appliquées à ce modèle et de données de déconvolution de la matière carbonée constitue une avancée importante dans la définition des facteurs sources issus de ce modèle.
Les méthodologies développées au cours de ce travail, permettant une amélioration des connaissances et des contributions des sources, constituent donc des outils directement utilisables par les Associations Agréées de Surveillance de la Qualité de l'Air (AASQA), notamment pour l'évaluation quantitative des mesures prises pour améliorer la qualité de l'air dans le cadre de Plans de Protection de l'Atmosphère, entre autres celui de la vallée de l'Arve.
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Dansereau, V. (2016). Un modèle Maxwell-élasto-fragile pour la déformation et dérive de la banquise. Ph.D. thesis, Université Grenoble-Alpes, Grenoble.
Abstract: In recent years, analyses of available ice buoy and satellite data have revealed the strong heterogeneity and intermittency of the deformation of sea ice and have demonstrated that the viscous-plastic rheology widely used in current climate models and operational modelling platforms does not simulate adequately the drift, deformation and mechanical stresses within the ice pack.
A new alternative rheological framework named ”Maxwell-Elasto-Brittle (Maxwell-EB) is therefore devel- oped in the view of reproducing more accurately the drift and deformation of the ice cover in continuum sea ice models at regional to global scales. The model builds on an elasto-brittle framework used for ice and rocks. A viscous-like relaxation term is added to a linear-elastic constitutive relationship together with an effective viscosity that evolves with the local level of damage of the material, like its elastic modulus. This framework allows for part of the internal stress to dissipate in large, permanent deformations along the faults/leads once the material is highly damaged while retaining the memory of small, elastic deformations over undamaged areas. A healing mechanism is also introduced, counterbalancing the effects of damaging over large time scales.
The numerical scheme for the Maxwell-EB model is based on finite elements and variational methods. The equations of motion are cast in the Eulerian frame and discontinuous Galerkin methods are implemented to handle advective processes.
Idealized simulations without advection are first presented. These demonstrate that the Maxwell-EB rhe- ological framework reproduces the main characteristics of sea ice mechanics and deformation : the strain localization, the anisotropy and intermittency of deformation and the associated scaling laws. The successful representation of these properties translates into very large gradients within all simulated fields. Idealized nu- merical experiments are conducted to evaluate the amount of numerical diffusion associated with the advection of these extreme gradients in the model and investigate other limitations of the numerical scheme. First large- deformation simulations are carried in the context of a Couette flow experiment, which allow a comparison with the result of a similar laboratory experiment performed on fresh-water ice. The model reproduces part of the mechanical behaviour observed in the laboratory. Comparison of the numerical and experimental results allow identifying some numerical and physical limitations of the model in the context of large-deformation and laboratory-scale simulations. Finally, the Maxwell-EB framework is implemented in the context of modelling the drift and deformation of sea ice on geophysical scales. Idealized simulations of the flow of sea ice through a narrow channel are presented. The model simulates the propagation of damage along arch-like features and successfully reproduces the formation of stable ice bridges.
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Dufour, A. (2016). Transport de vapeur d'eau vers les hautes latitudes. Ph.D. thesis, Université Grenoble Alpes, Grenoble.
Abstract: The water vapour converging to the polar regions condenses into heat-trapping clouds and eventually precipitates, freshening the polar oceans and thickening the ice-sheets. Modulo circulation changes, the moisture transport is expected to increase in a warmer climate. While the extra precipitation could dampen the ice sheets’ contribution to sea level rise, the surplus of moisture could also feed back on the surface warming. However, the present variability of the polar moisture budgets must be known precisely before they can be projected with confidence into the future.
This study examines the atmospheric water cycle of both the Arctic and the Antarctic in seven global reanalyses and in radiosonde observations covering the 1979-2013 period. The impacts of known model and assimilation flaws and of the various numerical approximations were evaluated and proven to be limited, at least for the moisture flux variable and the more recent reanalyses.
In the Arctic, aside from a slight overestimation, the northward fluxes in reanalyses exhibit a remarkable agreement with the radiosoundings in terms of spatial and temporal patterns. In all reanalyses, transient eddies provide the bulk of the mid-latitude moisture imports – 89-94% at 70◦N. In most datasets, evaporation, precipitation and precipitable water increase in line with what is expected from a warming signal. However fluxes do not scale with the Clausius-Clapeyron relation because the increasing specific humidity is not correlated with the meridional wind, particularly near the surface.
The representations of the Antarctic atmospheric water cycle in reanalyses suffer from the scarcity of observations : the moisture convergence estimations vary from 117 to 156 mm per year. On the coast, the mean moisture flux results from the interplay between transient eddies and katabatic winds, which are particularly sensitive to the orography. The coastal radiosonde sites report significant increases of the southward moisture fluxes but otherwise there are practically no trends in reanalyses on a continental scale.
Finally, the share of transient eddies in moisture advection is qualified using alternate methods. In particular, extratropical cyclones leave a characteristic imprint on the transport field, which can be detected and quantified.
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Largeron, C. (2016). Représentation des tourbières des hautes latitudes nord dans un modèle de surface. Ph.D. thesis, Université Grenoble Alpes, Grenoble.
Abstract: Les tourbières sont largement présentes dans les hautes latitudes nord et plus particulièrement dans les régions de pergélisols. Elles contiennent un important stock de carbone et constituent l’une des plus grandes sources naturelles de méthane. Leur représentation dans un modèle de climat est alors primordiale pour améliorer celle du cycle du carbone. De plus, la contribution des émissions de méthane des tourbières reste encore incertaine et de nombreuses incertitudes persistent. Les émis- sions de méthane des tourbières dépendent fortement du climat et sont influencées principalement par la température et l’humidité du sol. Parallèlement, le réchauffement climatique particulièrement prononcé à ces latitudes conduit au dégel des pergélisols avec une augmentation de la profondeur de la couche active. Ce grand réservoir de carbone peut être partiellement mobilisé et émis sous forme de CO2 ou CH4, en fonction des conditions hydrologiques à la surface.
L’objectif de ces travaux de thèse consiste à représenter les tourbières des hautes latitudes dans le modèle de surface ORCHIDEE. Ce développement est effectué dans la version du modèle qui in- tègre les processus des hautes latitudes tels que le gel des sols. Les tourbières sont représentées par un schéma hydrologique spécifique ce qui améliore les échanges en énergie et en eau. La difficulté repose sur la représentation des processus locaux des tourbières à l’échelle d’un modèle de climat global. Certaines propriétés biologiques ont également été prises en compte afin de mieux représen- ter la végétation de ces milieux. Pour cela, les tourbières sont intégrées comme un nouveau type de végétation et représentées par une fraction de grille, basée sur des observations. Le comportement hydrologique et l’impact de cette intégration sont évalués à échelle des hautes latitudes ainsi qu’à échelle régionale. Ce développement permet d’estimer ensuite l’évolution de l’hydrologie des tour- bières suite au réchauffement climatique. Les changements de l’hydrologie des tourbières d’ici la fin du siècle permettent de mieux évaluer les variations futures de leurs émissions de CH4.
Ce travail de développement a ensuite été appliqué pour déterminer l’évolution des émissions de méthane. Les tourbières constituent l’une des plus grandes sources naturelles de méthane et contrôlent à plus de 70 % la variabilité interannuelle de la concentration atmosphérique de CH4. Les émissions de méthane résultent de différents processus physiques et biologiques tels que la méthanogénèse et la méthanotrophie. Pour représenter ces processus, un modèle de densité de flux existant, intégré dans ORCHIDEE, a été adapté pour les tourbières afin d’estimer les émissions de méthane des tour- bières des hautes latitudes. L’évolution de ces émissions est étudiée entre le début du 20ème et la fin du 21ème siècles selon différents scénarios climatiques.
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Merino, N. (2016). Ice-ocean interactions in the context of future ice-sheet/ocean coupled models. Ph.D. thesis, Université Grenoble Alpes, Grenoble.
Abstract: The next generation of climate models will include an ice-sheet model in order to improve the ice sheet mass balance projections by accounting for the ice dynamics and ice-oceans interactions. On the one hand, the Southern Ocean (SO) is indeed driving the acceleration of the Antarctic outlet glaciers via an increase in the basal melting of the ice shelves. On the other hand, the increasing ice discharge from Antarctic Ice Sheet (AIS) contributes to the current sea level rise and is likely to become the largest cryospheric contributor to sea level rise by the end of the current century. In addition, the related freshening may have significant implications on future sea-ice cover and on bottom water formation. However, it is not clear yet how the ocean and ice-sheet components of future coupled systems will account for the ice-ocean interactions, which are both causes and consequences of the AIS mass imbalance. Here in this work, different aspects of the standalone ocean and ice-sheet components have been investigated. A first step of this thesis has been focused in the representation of the glacial freshwater uxes in current ocean models. Based on recent glaciological estimates, the ice shelf basal melting fluxes have been spatially distributed in an ORCA025 grid, and the calving rates have been applied into an improved version of the NEMO-ICB iceberg model. This preliminary study has been used to produce a monthly iceberg meltwater climatology, to be used to force current ocean models. This work shows the importance of representing the iceberg meltwater fluxes when modeling sea ice, which can be inexpensively achieve by using our climatology. The improvements in the representation of the glacial freshwater fluxes have been considered in the study of the ocean model response to the Antarctic mass imbalance. This study considers a realistic perturbation in the glacial freshwater forcing as close as possible as it will be represented in future ice-sheet/ocean models. According to our results, up to 50% of the recent Antarctic sea ice volume changes might be caused by the observed decadal AIS mass imbalance rate. Glacial freshwater forcing appears to be crucial to correctly represent the ice-ocean interactions and projecting sea ice cover of future coupled systems. However, the estimation of the glacial freshwater input in future climate models will be strongly dependent upon the capacity of ice-sheet models to reproduce the grounding line migrations of marine ice sheet glaciers. Current ice-sheet models present large uncertainties related to different parametrizations. In the context of the future climate models, we have studied the sensitivity of ocean-driven grounding line retreats to the application of two different friction laws and two different englacial stress approximations. The model responses almost indistinctively to either the SSA or the SSA* englacial stress approximations. However, differences in the contribution of the glacier to the sea level rise can be up to 50% depending on the friction law considered. The more physically constrained Schoof friction law is significantly more reactive to the ocean perturbations than Weertman law and should be considered in future coupled systems. This work underlines that uncertainties related to the ice sheet model estimates of grounding line migrations may not only contribute to uncertainties in sea level projections, but also the sea ice cover through the ice-ocean interaction in future ocean models.This conclusion suggests the need for improving the representation of both the ice shelf basal melting and the glacier interaction with the bedrock, in order to improve the climate projections of future climate models, in which the spatial and seasonal distribution of the glacial freshwater fluxes may play an important role in setting the sea ice cover.
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Réveillet, M. (2016). Sensibilité du bilan de masse de surface des glaciers alpins aux variables atmosphériques et topographiques. Observations et simulations. Ph.D. thesis, Université Grenoble Alpes, Grenoble.
Abstract: Les glaciers intègrent naturellement des informations hydrologiques et énergétiques dans des régions climatiques variées du globe et sont sensibles à des changements minimes de bilan d’énergie de surface. Parmi les paramètres mesurés in-situ traduisant les variations climatiques, le bilan de masse de surface est la variable directement reliée aux conditions atmosphériques qui contrôlent les processus d’accumulation et d’ablation.
Un grand nombre de modèles, de complexités diverses, existent pour simuler l’évolution du bilan de masse. Cependant, des questions perdurent quant à l’utilisation de l’approche la plus appropriée, notamment sur de longues périodes de temps. Basés sur de longues séries de mesures réalisées sur quatre glaciers des Alpes françaises (issues du service d’observation GLACIOCLIM), ces travaux de thèse ont pour but d’étudier la sensibilité du bilan de masse aux variables atmosphériques et topographiques, afin d’identifier celles essentielles pour contraindre les modèles.
En s’appuyant tout d’abord sur une approche empirique, nos résultats indiquent que pour chaque glacier, la variabilité temporelle de l’ablation s’explique principalement par la variabilité de la température tandis que la variabilité spatiale de la fonte de la neige et de la glace est largement gouvernée par l’insolation. Néanmoins, à l’échelle du glacier, considérer l’insolation en plus de la température ne conduit pas à une amélioration de la performance des modèles empiriques et un modèle type degré-jour apparaît suffisant pour simuler son bilan de masse.
L’utilisation du modèle à base physique SURFEX/ISBA-Crocus a permis d’étudier la sensibilité du bilan de masse estival à chacune des variables du bilan d’énergie de surface. Le modèle s’avère très performant pour la simulation des bilans spatialisés, mais nécessite un forçage météorologique précis et distribué spatialement. En particulier, le vent, souvent complexe à représenter dans les modèles atmosphériques, apparaît comme un facteur prépondérant pour modéliser correctement les processus de fonte.
Avec des forçages météorologiques bien contraints, ces deux approches (empirique et physique) se révèlent très performantes quant à la modélisation du bilan de masse estival. Toutefois, nos résultats montrent que les bilans annuels restent très conditionnés par les bilans hivernaux du fait de la rétroaction de l’albédo de surface. Une attention particulière a donc été portée sur la simulation de l’accumulation. A partir des données de l’observatoire GLACIOCLIM, notre étude n’a pas permis d’établir de relation significative entre la variabilité spatio-temporelle des bilans hivernaux et les variables morpho-topographiques.
Pour cette raison, une campagne spécifique basée sur des mesures LiDAR a été mise en oeuvre au Col du Midi (Massif du Mont-Blanc) afin d’affiner le réseau de mesures et d’améliorer la compréhension de la variabilité spatio-temporelle de la couverture neigeuse. Nos résultats montrent la complexité d’obtenir des mesures d’accumulation par différence de MNT, du fait des vitesses d’émergence/submergence.
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Sérazin, G. (2016). Empreinte de la variabilité océanique intrinsèque sur l'océan de surface : caractérisation et processus. Ph.D. thesis, Université Grenoble Alpes, Grenoble.
Abstract: This work focuses on the intrinsic oceanic variability spontaneously generated under seaso- nal atmospheric forcing in high-resolution oceanic simulations (1/4° and 1/12°) including mesoscale eddies (~ 100 km). The imprint of intrinsic variability on sea-level (SLA) and sea surface temperature (SST) is characterized in various spatio-temporal ranges using filtering methods. In particular, the small-scale interannual-to-decadal SLA variability observed by satellite altimetry, is stochastic and mostly intrinsic. At multi-decadal timescales, SLA intrinsic variability is comparable to the internal climate variability simulated in climate coupled models (devoid of oceanic turbulence), and may yield additional uncertainties in the detection of human-induced regional sea-level change. A spectral analysis eventually shows that non-linear advection of relative vorticity spontaneously transfers kinetic energy from high-frequency frontal waves to slower mesoscale eddies, ultimately generating low-frequency intrinsic variability. The analyses have been performed using tools developed for optimal processing of high-resolution oceanic dataset. This work generally provides evidence of the chaotic behavior of the turbulent ocean, whose interaction with the atmosphere is still poorly-known.
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Zanatta, M. (2016). Black Carbon in the European Atmosphere : identification, transfert, deposition and impacts. Ph.D. thesis, Université Grenoble Alpes, Grenoble.
Abstract: Black carbon (BC) induces a warming effect (RFBC = +1.1 W m-2 ± 90%) through two main pathways: aerosol-radiation interaction (RFari) and aerosol-cloud interaction (RFaci). Both BC-radiation and BC-cloud interaction are affected by the mixing of black carbon with other non-refractory and non-absorbing matter present in the atmosphere. An estimation of the global radiative forcing of BC rarely accounts for internal mixing of BC while the net global cloud radiative forcing is sensitive to assumptions in the initiation of cloud glaciation, which is mostly unknown for black carbon particles. Within this thesis we investigated the variability of the light absorbing properties of black carbon, the mixing of black carbon, and the impact on light absorption and ice activation.In the first part of this thesis we investigated the spatial and seasonal variability of the mass absorption cross section (MAC) over Europe. MAC values were determined from ambient observations of elemental carbon mass concentrations (mEC) and absorption coefficients (σap). The data had been acquired during several years at different background ACTRIS supersites spread over Europe. Site specific MAC values were found to be spatially homogeneous, suggesting that the overall MAC average 9.5 ± 1.9 m2 g-1 at a wavelength of 637 nm might be representative of BC at European background locations. The MAC values showed a distinct seasonal cycle at every station. This seasonality might be related to chemical composition and aging. We observed that the MAC value has a linear and positive proportionality with the non-absorbing matter mass fraction.The second part of the work focuses on the coating acquisition of BC and the induced absorption enhancement after long-range transport. Within the CLIMSLIP (climate impact of short-lived pollutants and methane in the Arctic) project field experiments were conducted at the Zeppelin research site in Svalbard, Norway, during the Arctic spring. SP2 data were used to characterize the BC size distribution and mixing. BC containing particles having a core diameter between 170 and 280 nm were found to have a median coating thickness of 47 nm. The relationship between coating thickness and BC absorption was simulated. The observed coating thickness enhanced the mass absorption cross section by 46%, which led to a decrease of less than 1% in the single scattering albedo.In the final part of this work, the role of black carbon as ice nuclei in mixed phase clouds was investigated at the high elevation measuring site Jungfraujoch (Switzerland) during the cloud and aerosol characterization experiment (CLACE) held in 2013. The ice-CVI inlet and a single particle soot photometer were used to select and quantify the ice activated BC particles. According to the observations, BC containing particles were depleted in the ice residuals. The activation efficiency showed a size dependency, with larger BC containing particles being activated more efficiently compared to smaller ones. Activated BC cores having a diameter between 170 and 240 nm showed a larger coating thickness (median = 53 nm) compared to the total aerosol (median = 16 nm).The results obtained in this thesis shed new light on the effect of the mixing state on the optical properties and cloud activation of black carbon particles. Absorbing properties of BC showed a distinct seasonal pattern, while aging was found to consistently increase its absorption behavior. However, black carbon was found not to act as ice nuclei in low tropospheric mixed-phase clouds, where the coating thickness might play a role in the activation efficiency. This work provides freshly determined physical properties derived from ambient observations that will improve the accuracy of future aerosol and cloud radiative forcing estimations.
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Escudier, R. (2015). Mesoscale eddies in the western Mediterranean Sea : characterization and understanding from satellite observations and model simulations. Ph.D. thesis, Université Grenoble Alpes, Grenoble.
Abstract: Mesoscale eddies are relatively small structures that dominate the ocean variability and have large impact on large scale circulation, heat fluxes and biological processes. In the western Mediterranean Sea, a high number of eddies has been observed and studied in the past with in-situ observations. Yet, a systematic characterization of these eddies is still lacking due to the small scales involved in these processes in this region where the Rossby deformation radius that characterizes the horizontal scales of the eddies is small (10-15 km).
The objective of this thesis is to perform a characterization of mesoscale eddies in the western Mediterranean. For this purpose, we propose to de- velop tools to study the fine scales of the basin. First, we develop an eddy re- solving simulation of the region for the last 20 years. The performance of the simulation is evaluated with independent observations (drifters, satellites, hydrographic profiles) showing realistic behavior. This simulation shows that existing altimetry maps underestimate the mesoscale signal. There- fore, we attempt to improve existing satellite altimetry products to better resolve mesoscale eddies. We show that this improvement is possible but at the cost of the homogeneity of the fields; the resolution can only be improved at times and locations where altimetric observations are densely distributed.
In a second part, we apply three different eddy detection and track- ing methods to extract eddy characteristics from the outputs of the high- resolution simulation, a coarser simulation and altimetry maps. The results allow the determination of some characteristics of the detected eddies. The size of the eddies can greatly vary but is around 25-30 km. About 30 eddies are detected per day in the region with a very heterogeneous spatial distri- bution. Unlike other areas of the open ocean, they are mainly advected by currents of the region. Eddies can be separated according to their lifespan. Long-lived eddies are larger in amplitude and scale and have a seasonal cycle with a peak in late summer, while short-lived eddies are smaller and more present in winter. The penetration depth of detected eddies has also a large variance but the mean depth is around 300 meters. Anticyclones extend deeper in the water column and have a more conic shape than cyclones.
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Garnier, F. (2015). Paramétrisations stochastiques de processus biogéochimiques non résolus dans un modèle couplé NEMO/PISCES de l'Atlantique Nord : Applications pour l'assimilation de données de la couleur de l'océan. Ph.D. thesis, Université Grenoble Alpes, Grenoble.
Abstract: In spite of recent advances, biogeochemical models are still unable to
represent the full complexity of marine ecosystems.
Since mathematical formulations are still based on empirical laws
involving many parameters, it is now well established that the
uncertainties inherent to the biogeochemical complexity strongly impact
the model response.
Improving model representation therefore requires to properly describe
model uncertainties and their consequences.
Moreover, in the context of ocean color data assimilation, one of the
major issue rely on our ability to characterize the model uncertainty (or
equivalently the model error) in order to maximize the efficiency of the
assimilation system.
This is exactly the purpose of this PhD which investigates the potential
of using random processes to simulate some biogeochemical uncertainties
of the 1/4$^\circ$ coupled physical�biogeochemical NEMO/PISCES model of
the North Atlantic ocean.
Starting from a deterministic simulation performed with the original
PISCES formulation, we propose a generic
method based on AR(1) random processes to generate perturbations with
temporal and spatial correlations.
These perturbations are introduced into the model formulations to simulate
2 classes of uncertainties: the
uncertainties on biogeochemical parameters and the uncertainties induced
by unresolved scales in the presence
of non-linear processes. Using these stochastic parameterizations, a
probabilistic version of PISCES is designed
and a 60-member ensemble simulation is performed.
The implications of this probabilistic approach is assessed using the
information of the probability distributions given of this ensemble
simulation
The relevance and the impacts of the stochastic parameterizations are
assessed from a comparison with SeaWIFS satellite data.
In particular, it is shown that the ensemble simulation is able to produce
a better estimate of the surface chlorophyll concentration than the first
guess deterministic simulation.
Using SeaWIFS ocean color data observations, the statistical consistency
(reliability) of this prior ensemble is demonstrated using rank
histograms.
Finally, the relevance of our approach in the prospect of ocean color data
assimilation is demonstrated by considering a 3D optimal analysis of the
ensemble (one update
at one time step) performed from the statistic errors of the stochastic
ensemble simulation previously stated.
During this experiment, the high resolution SeaWIFS ocean color data are
assimilated using a Ensemble Transform Kalman Filter (ETKF) analysis
scheme and the non gaussian behaviour and non linear relationship
between variables are taken into account using anamorphic transformations.
More specifically, we show that the analysis of SeaWIFS data improves the
representation and the ensemble statistics of chlorophyll concentrations.
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Gautier, E. (2015). Empreinte isotopique et histoire du volcanisme stratosphérique des 2600 dernières années enregistrées à Dôme C, Antarctique. Ph.D. thesis, UJF-Grenoble 1, Grenoble.
Abstract: La glace polaire est sans nul doute la meilleure archive dont nous disposons en terme de paléo volcanisme. Les reconstructions du volcanisme passé se basant sur l'analyse des carottes de glace sont nombreuses. Elles alimentent notamment les modèles de forçage climatique, dans le but d'estimer l'effet refroidissant du volcanisme, dû aux interactions entre aérosols d'acide sulfuriques d'origine volcanique, et le rayonnement solaire incident. Dans ce type de reconstruction, l'un des paramètres-clés pour déterminer l'impact potentiel d'une éruption, est l'identification de son signal sur les deux calottes polaires (signal bipolaire). Cette large répartition spatiale traduit en effet un temps de résidence significatif dans la stratosphère, et donc, un impact climatique important. Les carottes de glace offrent pourtant une alternative intéressante à cette méthode : l'analyse du soufre des sulfates volcaniques révèle la présence d'anomalies isotopiques dans les aérosols d'origine stratosphérique, permettant la discrimination entre éruptions de faible impact (troposphériques) et éruptions de fort impact (stratosphériques). L'étude de la signature isotopique atypique des aérosols stratosphériques permet en parallèle de contraindre les mécanismes photochimiques à l'origine de cette anomalie, qui ne sont que partiellement identifiés à ce jour. En 2010-2011, 5 carottes de névé de 100m de long ont été collectées à Dôme C, Antarctique, dans le but de reconstruire une histoire du volcanisme stratosphérique des 2500 dernières années, par la méthode isotopique. Le forage de 5 carottes identiques, à 1 m les unes des autres, nous a permis d'étudier différents aspects de la reconstruction.Premièrement, nous avons pu évaluer la variabilité du dépôt de sulfate à l'échelle locale, et donc, la représentativité statistique d'une seule carotte vis à vis d'une reconstruction volcanique. L'analyse des concentrations de sulfate révèle qu'une importante variabilité locale, associée principalement au déplacement de la neige par le vent, pouvait entraîner un enregistrement non exhaustif des évènements volcaniques (en moyenne 30% d'évènements manquants, par carotte) et une variabilité conséquente du flux archivé (jusqu'à 60%).En second lieu, le niveau de détail de nos analyses (résolution temporelle de chaque éruption) nous a permis de décrire plus précisément la signature des processus indépendants de la masse à l'oeuvre dans la stratosphère. Les résultats obtenus ne permettent pas de clore le débat concernant le mécanisme photochimique à l'origine de l'anomalie, mais ils contraignent la signature stratosphérique de façon robuste, notamment en définissant les tendances isotopiques. Les implications de ces contraintes sur la chimie atmosphérique actuelle sont discutées à travers l'utilisation d'un modèle simple ; nous évaluons les paramètres requis, en particulier les proportions des différentes voies d'oxydation stratosphériques (dépendantes et indépendantes de la masse), pour reproduire nos résultats.Enfin, l'analyse systématique de la composition isotopique des évènements volcaniques nous a permis d'établir un historique du volcanisme stratosphérique enregistré à Dôme C au cours des 2600 dernières années. Nos résultats confirment majoritairement l'origine tropicale (stratosphérique) des évènements identifiés comme tels dans la littérature, et suggèrent le caractère stratosphérique (unipolaire) de quelques éruptions de haute latitude. Les résultats ne remettent pas en question la synchronisation des enregistrements bipolaires récemment établis, et valident l'utilisation de la méthode isotopique pour l'identification des éruptions stratosphériques dans un enregistrement glaciaire.
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Metref, S. (2015). Assimilation de données pour les problèmes non-gaussiens – Méthodologie et applications à la biogéochimie marine. Ph.D. thesis, UJF-Grenoble 1, Grenoble.
Abstract: L'assimilation de données pour les géosciences est une discipline cherchant à améliorer notre connaissance d'un système physique en se basant sur l'information issue de modèles numériques simulant ce système et sur l'information issue des mesures observant ce système. Les méthodes d'assimilation de données traditionnellement utilisées (e.g. le 4DVar ou les filtres de Kalman d'ensemble) reposent sur des hypothèses de gaussianité des probabilités en jeu et de linéarité des modèles. Avec la complexification des modèles et des réseaux d'observations, ces hypothèses sont de plus en plus injustifiées et donc pénalisantes. Cette complexification est particulièrement forte en océanographie couplée à la biogéochimie marine.
Les objectifs de cette thèse sont de mieux comprendre l'apparition des non-gaussianités dans un problème d'estimation, d'envisager une méthode d'assimilation de données adaptée aux problèmes fortement non-gaussiens et, dans le cadre du couplage de la dynamique océanique et de la biogéochimie marine, d'explorer la pertinence de l'utilisation de méthodes non-gaussiennes.
Dans un premier temps, une étude méthodologique est conduite. Cette étude, appuyé par des illustrations avec le modèle de Lorenz à trois variables, permet de mettre en évidence les limitations des méthodes traditionnellement utilisées, face à des problèmes non-gaussiens. Cette étude aboutit sur le développement d'un filtre d'assimilation de données d'ensemble entièrement non-gaussien : le Multivariate Rank Histogram Filter (MRHF).
Il est montré que le MRHF est performant dans des régimes fortement non-gaussiens (notamment dans un régime bimodal) pour un nombre de membres relativement faible.
Dans un second temps, une étude numérique est conduite. Cette étude est réalisée aux travers d'expériences jumelles basées sur un modèle vertical 1D, ModECOGeL, couplant la dynamique et la biogéochimie en mer Ligure. Nous simulons différents réseaux d'observations combinant des profils in situ et des données satellites. Plusieurs méthodes d'assimilation sont alors comparées à l'aide de diagnostics d'évaluation d'ensemble avancés.
Nos expériences montrent l'impact du réseau d'observations et des variables de contrôle, sur le degré de non-gaussianité d'un problème d'estimation.
Le contrôle de la partie dynamique du modèle par des observations de la dynamique à différentes fréquences est un problème quasi-gaussien, qu'un filtre aux moindres carrés, tel l'Ensemble Transform Kalman Filter, résout bien. En revanche pour ces mêmes observations, le contrôle de la biogéochimie s'avère être un problème non-gaussien et nécessite l'utilisation d'un filtre non-gaussien.
Enfin, il est montré que l'assimilation de la couleur de l'eau, pour le contrôle mixte de la dynamique et de la biogéochimie, est améliorée par des méthodes adaptées aux non-gaussianités, tel l'Ensemble Kalman Filter anamorphosé. De plus, l'augmentation de la fréquence d'observation de la couleur de l'eau rend incontournable l'utilisation de filtres fondamentalement non-gaussiens comme le MRHF
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Akuetevi, C. (2014). Dynamique des courants de bords ouest turbulents de faibles latitudes, étude numérique. Ph.D. thesis, Université de Grenoble, Grenoble.
Abstract: Strong western boundary currents are a dominant feature of the worlds oceans, also
at low latitudes. They are called the North Brazil Current in the Atlantic and the Somali Current in the Indian Ocean. They exhibit a turbulent dynamics and their region is a source of strong kinetic energy production and internal variability of the worlds oceans.
Several places exists where the western boundary currents retroact (i.e separation from the coast) and generate coherent structures as anticyclonic eddies and dipoles. The dynamics of oceanic western boundary currents has so far not been extensively study in the viewpoint of turbulent boundary-layer theory. The approach is to use a fine resolution reduced-gravity shallow water model to understand the turbulent boundary layer processes and then apply these results to the Ocean General Circulation Model NEMO in the Drakkar configuration. The case of the Somali Current is considered for this application.
The first part of this doctoral thesis is directed towards the study of the turbulentboundary-layer through the determination of the turbulent structures, fluxes, balances of low latitudes turbulent western boundary currents.
The dynamics of low latitude turbulent western boundary currents, subject to two
different types of idealized wind forcing, Monsoon Winds and Trade Winds, is considered using numerical results from integrations of a dedicated ne resolution (2.5km) reduced gravity shallow-water model. For viscosity values of 1000m2s􀀀1and above, the boundary-layer dynamics compares well to the analytical solutions of the Munk-layer and the inertial-layer, derived from quasi-geostrophic theory. Modications due to variations in the layer thickness (vortex stretching) are only important a few kilometers from the boundary. When the viscosity is reduced the boundary-layer becomes turbulent and coherent structures in form of anticyclonic eddies, bursts (violent detachments of the viscous sub-layer) and dipoles appear. Three distinct boundary-layers emerge, the viscous sub-layer, the advective boundary-layer and the extended boundary-layer. The first is characterized by a dominant vorticity balance between the viscous transport and the advective transport of vorticity. The second by a balance between the advection of planetary vorticity and the advective transport of relative vorticity. The extended boundary-layer is the area to which turbulent motion from the boundary extends. The scaling of the three boundary-layer thicknesses with viscosity is evaluated. This scaling is used to revisit the validity of the laminar Munk-layer theory for the high Reynolds number turbulent western boundary currents. It is shown that small westward velocities have a stabilizing eect (inertial ffect) on the boundary current and alter the vorticity balance near the boundary. This inertial effect must be taken into account in the parameterization of the small scale turbulence of turbulent western boundary currents.
The consequences for the grid resolution, renement and the complexity of the numerical modelling western boundary currents are discussed.
A pragmatic approach to determine the eddy viscosity for coarse resolution numerical models base on the Munk formula, the scale of the anticyclones and Prandtl's formula is proposed.
The second part of this thesis transposes the ndings of the reduced-gravity shallow water model to the Ocean General Circulation Model NEMO in the Drakkar configurations. The case of the Somali Current is considered which reverses due to the Monsoon Winds. The Indian Ocean closed in the north at at around 25oN. Ten years of model data for three configurations ORCA025.L75-MJM95 (1/4o), ORCA12.L46-MAL84/MAL95 (1/12o) with different wind stress forcings and different boundary conditions are used. Qualitative validation of the Arabian upper-layer circulation of the three configurations is done which confirms the feedback dynamics of the previous southwest monsoon on the next southwest monsoon circulation put forward in recent studies [see e:g: Beal & Donohue (2013); Beal et al. (2013); McCreary et al. (1993)]. The initiation of northward flow precursor of the first Great Whirl in March/April at 6oN is a consequence of the arrival of the annual Rossby wave at the Somali Coast, one or two months before the southwest Monsoon starts.
An upgraded schematic diagram of the Somali Current upper-layer flow patterns over
the course of the year is proposed. The formation process of the Somali eddies is entangled. The feature only known as coalescence of the Southern Gyre and the Great Whirl based on the coalescence of the two cold wedges, most frequently appears to be an elastic collision between the two eddies in which the GW becomes the Socotra Eddy. This elucidates the formation process of the Socotra Eddy, which seems to be nothing else than the relocation of the Great Whirl after the elastic collision between the Great Whirl and the Southern Gyre at the end of July or at the beginning of August. The influence of the numerical resolution and the bi-harmonic viscosity coeffcient on the coherent structures and the scale of motion are discussed.
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Barral, H. (2014). Couches limites atmosphériques en Antarctique : observation et simulations numériques. Ph.D. thesis, Université de Grenoble, Grenoble.
Abstract: La surface enneigée du continent Antarctique, sauf pour quelques heures les après-midi d'été, se refroidit constamment radiativement. Il en résulte une stratification stable persistante de la couche limite atmosphérique qui alimente un écoulement catabatique le long des pentes qui descendent du plateau vers l'océan. Les inversions de températures et les vitesses de vents associées sont extrêmes l'hiver où une inversion moyenne de 25°C sur le plateau et des vitesses dépassant les 200 km/h sur la côte sont régulièrement observées. L'été, les inversions restent très marquées la nuit, mais le réchauffement de la surface par le soleil conduit au développement de couches convectives l'après-midi. Des replats et des pentes immenses et vides, inlassablement recouverts de neige : l'Antarctique est un laboratoire unique pour étudier les transitions entre les régimes turbulents, et surtout la turbulence dans les couches limites stables et catabatiques. Des processus délicats à étudier, puisque très sensibles aux hétérogénéités de la surface.
Ce travail de thèse documente trois cas d'école estivaux typiques : le cycle diurne sur le plateau Antarctique, la génération d'un écoulement catabatique local, et la couche limite soumise à un forçage catabatique. Ces trois situations ont été explorées avec des observations in-situ. Pour deux d'entre elles, les observations ont nourri et ont été complétées par des simulations avec le modèle atmosphérique Méso-NH.
Le premier cas s'intéresse au cycle diurne au Dôme C. Le Dôme C, sur le plateau Antarctique est une zone plate et homogène éloignée des perturbations océaniques. Depuis quelques années, une tour de 45 m échantillonne la couche limite. L'été, un beau cycle diurne apparaît en température et en vent avec un jet de basse couche surgéostrophique la nuit. Une période de deux jours, représentative du reste de l'été, a été sélectionnée, pour la construction du cas d'intercomparaison GABLS4, préparé en collaboration avec Météo-France. Les simulations uni-colonnes menées avec le modèle Méso-NH ont montré la nécessité d'adapter le schéma de turbulence afin qu'il puisse reproduire les inversions de température observée.
Le deuxième cas d'école examine un écoulement catabatique généré localement, au coucher du soleil, sur une pente de 600 par 300 m en Terre Adélie. Certaines caractéristiques de la turbulence, en particulier l'anisotropie, ont été explorées à l'aide de simulations à fine échelle (LES). Pour préparer et évaluer ces simulations, une station de mesure a été spécialement déployée.
Le troisième cas s'intéresse à la couche limite mélangée typique des zones côtières soumises à un vent intense. Ce vent d'origine catabatique, a dévalé les 1000 km de pente en amont. En remobilisant la neige, il interagit avec le mélange turbulent. Le travail s'est intéressé dans ce troisième cas à l'impact du transport de neige sur l'humidité de l'air et au calcul des flux turbulents à partir des profils de température, vent et humidité.
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Bouttier, P. - A. (2014). Assimilation variationnelle de données altimétriques dans le modèle océanique NEMO : Exploration de l'effet des non-linéarités dans une configuration simplifiée à haute résolution. Ph.D. thesis, Université de GRenoble, Grenoble.
Abstract: Un enjeu majeur des modèles océaniques est de représenter fidèlement les circulations méso- et subméso-échelles afin de simuler leur importante contribution dans la circulation générale et dans le budget énergétique de l'océan. La poursuite de cet objectif se traduit par une augmentation de la résolution spatiale et temporelle à la fois des modèles et des réseaux d'observation de l'océan. Cependant, à ces petites échelles, la dynamique de l'écoulement revêt un caractère fortement turbulent ou non-linéaire. Dans ce contexte, les méthodes actuelles d'assimilation de données (AD), variationnelles en particulier, sont généralement moins performantes que dans un contexte (quasi-) linéaire. L'objectif de cette thèse est d'explorer sous divers aspects le comportement des méthodes variationnelles d'AD dans un modèle d'océan non-linéaire. Pour ce faire, nous avons réalisé une série d'expériences dites jumelles en assimilant des données altimétriques simulées suivant les caractéristiques des satellites altimétriques Jason-1 et SARAL/AltiKA . À l'aide de ces expériences, nous analysons sous différents angles les problématiques posées par les non-linéarités à l'AD. Enfin, nous ouvrons plusieurs pistes d'amélioration de l'efficacité du système d'AD dans ce contexte. Ce travail est basé sur le logiciel de modélisation océanique NEMO, incluant la configuration de bassin océanique turbulent idéalisé SEABASS, à différentes résolutions spatiales. Dans la continuité de la plateforme de recherche en AD avec NEMO, NEMO-ASSIM, nous avons utilisé et contribué au développement de cet ensemble d'outil, comprenant, entre autre, opérateur d'observation, modèles linéaire tangent et adjoint de NEMO, permettant de mener à bien notre étude. Le système d'AD variationnelle utilisé est le logiciel NEMOVAR. Les résultats présentés tentent de lier les échelles caractéristiques des structures d'erreurs d'analyse et l'activité aux petites échelles. Pour ce faire, nous avons utilisé une large gamme de diagnostics, e.g. erreur quadratique moyenne spatiale et temporelle, caractéristiques des fonctions coûts, caractérisation de l'hypothèse linéaire tangente, PSD des champs d'erreurs d'analyse. Nos expériences montrent que le 4DVAR incrémental contrôle efficacement la trajectoire analysée au 1/4° pour de longues fenêtres d'AD (2 mois). Lorsque la résolution augmente, la convergence de l'algorithme apparaît plus lente voire inexistante sous certaines conditions. Cependant, l'algorithme permet encore de réduire convenablement l'erreur d'analyse. Enfin, l'algorithme 3DFGAT se révèle beaucoup moins performant, quelle que soit la résolution. De plus, nous montrons également l'importance de l'adéquation entre la circulation simulée et l'échantillonnage altimétrique, en terme d'échelles spatiales représentées, pour obtenir de meilleures performances. Enfin, nous avons exploré la stratégie de minimisation dite progressive, permettant d'accélérer la convergence du 4DVAR à haute résolution.
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Djath, B. (2014). Etude de la dynamique de la mer des Salomon : modélisation numérique à haute résolution. Ph.D. thesis, Université de Grenoble, Grenoble.
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Krug, J. (2014). Interactions Calotte Polaire / Océan : Modélisation des processus de vêlage au front des glaciers émissaires. Ph.D. thesis, Université de Grenoble, Grenoble.
Abstract: La contribution des calottes polaires à l’augmentation du niveau marin est un sujet de préoccupation majeure. Dans le cadre du réchauffement climatique, la dynamique de leurs glaciers émissaires évolue et ceux-ci accélèrent leur décharge de glace vers l’océan. En tant qu’exutoires des calottes polaires et régulateurs de leur perte de masse, la prise en compte de leur fonctionnement dans les prévisions d’augmentation du niveau marin est capitale. Cependant, les processus qui régissent leur dynamique sont mal contraints et il convient alors de réduire les incertitudes qui y sont liées. Les rétroactions entre la dynamique du front et la dynamique du glacier en sont un exemple représentatif. Dans ce cadre, cette thèse se concentre sur la modélisation de la dynamique du front de vêlage, et vise à proposer une nouvelle approche physique des mécanismes aboutissant au vêlage d’iceberg. Le travail réalisé ici couple la mécanique de l’endommagement et la mécanique de la rupture. Il intègre ainsi la dégradation progressive des propriétés rhéologiques de la glace aboutissant à la formation d’un champ de crevasses et modélise ensuite la propagation des fractures caractéristiques de l’évènement de vêlage. Ce modèle nouvellement créé est contraint sur une géométrie 2D en ligne d’écoulement du glacier Helheim, au Groenland, dont on parvient à reproduire un comportement cohérent de la partie terminale. Les tests de sensibilité menés sur chacun des paramètres introduits dans le modèle contraignent l’importance de chacun d’eux.
On évalue ensuite l’impact sur la dynamique du front de deux forçages naturels couramment observés dans les fjords groenlandais : la fonte de la partie immergée du front et l’impact mécanique d’un mélange de glace (mélange de glace de mer et d’icebergs). Les résultats suggèrent que si la fonte affecte légèrement la dynamique du front, le mélange de glace provoque une réponse saisonnière d’une amplitude similaire aux variations observées dans la réalité. En frottant contre les parois du fjord, il empêche le vêlage et favorise l’avancée du glacier. On montre également que la fonte ne modifie pas le bilan de masse du glacier, mais que l’effet du mélange de glace est plus marqué. Enfin, nos résultats suggèrent que lorsque le glacier présente une extension flottante, un forçage élevé peut modifier l’équilibre du glacier et affecter plus considérablement son bilan de masse pluriannuel.
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Libois, Q. (2014). Evolution des propriétés physiques de la neige de surface sur le Plateau Antarctique. Ph.D. thesis, Université de Grenoble, Grenoble.
Abstract: Le bilan d'énergie de surface du Plateau Antarctique est essentiellement contrôlé par les propriétés physiques des premiers centimètres du manteau neigeux. Or l'évolution de cette neige de surface est complexe car elle dépend de processus fondamentalement imbriqués: vitesse de métamorphisme, profils de température, pénétration du rayonnement solaire, précipitations, transport de neige par le vent, etc. L'objectif de ces travaux de thèse est d'étudier ces diverses composantes et leur couplage afin de simuler l'évolution de la densité de la neige et de la taille de grain (surface spécifique) sur le Plateau Antarctique. Pour représenter de manière physique l'absorption de l'énergie solaire à l'intérieur du
manteau, un modèle de transfert radiatif à fine résolution spectrale (TARTES) a été implémenté dans le modèle de manteau neigeux détaillé Crocus. TARTES permet de calculer le profil vertical d'absorption d'énergie dans un manteau stratifié dont les caractéristiques sont connues. Parmi elles, la forme des grains, explicitement prise en compte dans TARTES, a été peu étudiée jusqu'à présent. C'est pourquoi une méthode de détermination expérimentale de la forme optique des grains est proposée et appliquée à un grand nombre d'échantillons de neige. Cette méthode, basée sur des mesures optiques, des simulations TARTES, et l'inférence bayésienne, a permis de déterminer la forme la plus adéquate pour simuler les propriétés optiques de la neige, et a mis en évidence le fait que représenter la neige par un ensemble de particules sphériques conduisait à surestimer la profondeur de pénétration du rayonnement d'environ 30 %. L'impact de l'absorption en profondeur du rayonnement sur les profils de température dans le manteau et son métamorphisme est ensuite étudié par des approches analytique et numérique, mettant en valeur la sensibilité des profils aux propriétés de la neige proche de la surface. En particulier, la densité de la neige sur les premiers centimètres est cruciale pour le bilan d'énergie du manteau car elle impacte à la fois la profondeur de pénétration du rayonnement et la conductivité thermique du manteau.
Puisque le modèle Crocus tient compte de ce couplage entre propriétés optiques et physiques du manteau, il est utilisé pour estimer l'influence des conditions météorologiques sur la variabilité temporelle des propriétés physiques de la neige de surface à Dôme C. Ces simulations sont évaluées au regard d'un jeu de données collectées lors de missions de terrain et de mesures automatiques de
l'albédo spectral et de la pénétration du rayonnement dans la neige. Ces observations mettent en évidence le rôle primordial des précipitations dans les variations rapides de taille de grain en surface et l'existence d'un cycle saisonnier de cette taille de grain. Ces variations sont bien simulées par
Crocus lorsque le forçage atmosphérique qui lui est imposé est adéquat. En particulier, l'impact du vent sur l'évolution du manteau est fondamental car il contrôle la densité de surface par le biais du transport de neige. Ce transport est aussi à l'origine de la variabilité spatiale des propriétés de la neige observée à Dôme C. C'est pourquoi une modélisation stochastique de l'érosion et du transport de neige dans Crocus est proposée. En plus d'expliquer la variabilité spatiale de la densité et de la taille de grain, elle permet de reproduire celle de l'accumulation annuelle ainsi que les variations rapides de hauteur de neige liées à des épisodes de vent. Ces travaux ont permis une meilleure représentation des processus physiques qui contrôlent les variations des propriétés de la neige de surface à Dôme C, tout en soulignant le rôle primordial du vent, dont l'impact sur le manteau est particulièrement complexe à simuler.
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Lim, S. (2014). Variability and trends of black carbon in Europe over the last 140 years retrieved from a Caucasian ice core. Ph.D. thesis, Université de Grenoble, Grenoble.
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Mainsant, G. (2014). Réponse des masses d'eau intermédiaires et modales de l'océan Austral au mode annulaire austral : les processus en jeu et le rôle de la glace de mer. Ph.D. thesis, Université de Grenoble, Grenoble.
Abstract: Les tendances climatiques récentes montrent un réchauffement et un adoucissement des couches de surface dans la région du courant circumpolaire antarctique (ACC). Sur la même période, les vents d'ouest pilotant la circulation de l'Océan Austral ont significativement augmenté. Cette augmentation est en partie liée à l'intensification du mode annulaire austral (SAM), principal mode de variabilité atmosphérique au sud de 20°S.
Dans cette thèse, on s'intéresse à comprendre les effets de la tendance positive du SAM sur les propriétés des masses d'eau formées dans la région de l'ACC. A cette fin, on met en place une stratégie de simulations régionales couplées océan-glace de mer et forcées par une série de scénarios atmosphériques perturbés. Les scénarios atmosphériques sont construits à partir de réanalyses atmosphériques afin de décrire les différentes composantes (dynamiques et thermodynamiques) des changements liés au SAM.
En réponse à l'intensification du SAM, les simulations montrent une forte salinisation de la couche de mélange océanique ainsi que des eaux modales (SAMW) et intermédiaires (AAIW). L'essentiel de ces changements peut être attribué aux composantes dynamiques du SAM. Dans les régions saisonnières englacées, les composantes thermodynamiques du SAM peuvent jouer un rôle important (en particulier en mer d'Amundsen et en mer de Weddell). Les simulations montrent également le rôle clef joué par la glace de mer dans la médiation des changements atmosphériques vers l'océan intérieur. Ces résultats de simulations suggèrent que le SAM ne serait pas le seul pilote des tendances climatiques récentes dans l'Océan Austral.
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Palerme, C. (2014). tude des précipitations en Antarctique par télédétection radar, mesures in-situ, et intercomparaison de modèles de climat. Ph.D. thesis, Université de Grenoble, Grenoble.
Abstract: Au cours du XXIème siècle, une augmentation des précipitations est attendue dans les régions polaires. En Antarctique, cette augmentation devrait se traduire par une accumulation de neige sur le continent, contribuant ainsi positivement au bilan de masse de la calotte polaire, et par conséquent négativement au niveau des mers. Les modèles utilisés pour simuler le climat du XXIème siècle prédisent presque tous une augmentation des précipitations en Antarctique, mais l’importance de ce changement diffère fortement d’un modèle à l’autre. De plus, les taux de précipitation actuels reproduits par ces mêmes modèles divergent également beaucoup. Cependant, faute d’observation fiable de précipitation en Antarctique, il était jusqu’à présent difficile de vérifier la capacité des modèles à simuler ces dernières.
Dans cette étude, les données issues du radar météorologique embarqué à bord du satellite CloudSat ont été utilisées afin de produire la première climatologie de précipitation en Antarctique à partir d’observations. Cette climatologie couvre la période août 2006 – avril 2011, et a montré de très bons accords avec les réanalyses ERA Interim qui n’utilisent pas d’observations issues de CloudSat. Le taux de chute de neige obtenu avec CloudSat sur le continent Antarctique jusqu’à 82°S est en moyenne de 171 mm/an. L’automne austral est la saison avec les chutes de neige les plus importantes, et le printemps austral, la saison avec les chutes de neige les plus faibles.
Par ailleurs, une expérience de mesure in-situ des précipitations a été développée sur la base de Dumont d’Urville en Antarctique, des observations in-situ étant nécessaires à la validation des algorithmes de télédétection. Un système de profilage utilisant des capteurs optiques a été installé sur un mât de 73 m afin d’identifier les chutes de neige et les évènements de transport de neige par le vent. Les flux de neige mesurés à différentes hauteurs devraient être similaires lors de chute de neige sans transport de neige, alors qu’un gradient devrait apparaître si de la neige est transportée depuis la surface. Le système a été évalué et comparé aux analyses opérationnelles d’ECMWF.
Enfin, les simulations des modèles de climat utilisés pour la production du rapport du GIEC ont été comparées aux observations satellites obtenues. Tous les modèles simulent un taux de chute de neige supérieur à celui observé avec CloudSat. Le changement de précipitation en Antarctique durant le XXIème siècle simulé varie de -6.0 % à +39.4 % en fonction des modèles et des scénarios d’émission de gaz à effet de serre. Les modèles de climat simulant des taux de chute de neige proches de ceux observés par satellite pour la période actuelle prédisent en moyenne un changement plus important de précipitation au cours du XXIème siècle, et donc un impact sur le niveau des mers plus conséquent.
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Salque-Moreton, G. (2014). Etude d'aérosol atmosphérique par spectrométrie de masse à très haute résolution. Ph.D. thesis, Université de Grenoble, Grenoble.
Abstract: L'aérosol atmosphérique a des effets sur le changement climatique global et un impact sanitaire non-négligeables. Dans l'aérosol atmosphérique terrestre, les composés organiques représentent une fraction importante. Du fait de l'extrême complexité de cette fraction organique et des processus dynamiques qui l'animent, une fraction non négligeable de celle-ci n'est pas clairement identifiée à ce jour malgré des techniques d'analyses toujours plus nombreuses. Dans cette thèse, nous avons voulu explorer la richesse d'information fournie par une technique innovante : la spectrométrie de masse à haute résolution (HRMS). La haute résolution du LTQ-Orbitrap fournit une extrême précision sur la masse des molécules analysées et permet d'en identifier les formules brutes. Tout d'abord, nous avons utilisé cette nouvelle méthode de caractérisation afin d'élucider en laboratoire des mécanismes de production de l'aérosol se déroulant en phase aqueuse. Associée à une caractérisation par RMN, la HRMS nous permet d'identifier des voies de fabrication de composés de faible poids moléculaires (acides carboxyliques, aldéhydes, cétone) ainsi que des composés à haut poids moléculaire : les oligomères formés se transforment en HULIS au cours de leur vieillissement. Le fait que la méthacroléine (MACR) et la méthyl-vinyl-cétone (MVK), les deux principaux produits d'oxydation de l'isoprène, forment des AOS en phase aqueuse avait été précédemment montré. Ce travail montre que les précurseurs des AOS sont différents selon l'isomère et que les séries d'oligomères formées atteignent 1400 Da. L'étude HRMS des produits permet de proposer un mécanisme radicalaire d'oligomérisation de la MVK. L'analyse HRMS des produits de la MACR montre qu'en plus du mécanisme valable pour la MVK, la réactivité de la MACR engendre co-polymérisation et production d'Hulis. Une signature HRMS des Hulis a été mise en évidence. Ensuite, nous avons utilisé les méthodes de traitement de données HRMS pour tenter de les appliquer à l'identification d'aérosol ambiant. Les composés organiques représentent la fraction majeure des particules de l'aérosol atmosphérique ; une grande partie reste mal identifiée. Une compréhension détaillée des sources et des procédés de transformations est nécessaire.
L'investigation de la composition chimique des particules de matière fine et ultrafine peut être apporter par HRMS. L'ESI-Orbitrap apporte une description moléculaire qui détermine les propriétés chimiques et physiques de l'aérosol organique. Les particules ont été échantillonnées selon leur taille respective. Les prélèvements ont été fait à Grenoble en été et en hiver. Une comparaison saisonnière permet d'identifier des signatures chimiques différentes. Enfin, une intercomparaison est établie avec des échantillons d'une troisième campagne prélevées en proximité routière: MOCOPO.
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Verfaillie, D. (2014). Suivi et modélisation du bilan de masse de la calotte Cook aux îles Kerguelen lien avec le changement climatique. Ph.D. thesis, Université de Grenoble, Grenoble.
Abstract: Les glaciers des régions sub-polaires entre 45 et 60°S ont reculé dramatiquement au cours du dernier siècle. L’archipel des Kerguelen (49° S, 69° E) constitue un site unique dans ces régions où peu d’observations sont disponibles pour comprendre le recul glaciaire. Situés à faible altitude et proches de l’océan, ses glaciers ont montré une sensibilité particulière aux variations atmosphériques et océaniques. Ainsi, depuis les années 60, la calotte Cook (env. 400 km2) a reculé de manière spectaculaire, perdant 20% de sa surface en 40 ans. L’objectif de mon travail de thèse était d’évaluer l’état actuel et futur de la calotte, et de comprendre les causes de ce recul tout en les replaçant dans un contexte global.
Pour ce faire, un réseau météorologique et glaciologique a été mis en place en 2010 sur l’archipel et des campagnes de mesures ont depuis été réalisées annuellement. L’analyse de ces mesures nous permet de confirmer le bilan de masse négatif de la calotte. Parallèlement, l’étude de l’albédo de l’ensemble de la calotte Cook à partir d’images satellites MODIS (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer) permet d’évaluer l’évolution de la ligne de neige de la calotte depuis 2000, mettant en évidence une réduction importante de sa zone d’accumulation au cours des dix dernières années. La modélisation du bilan de masse de la calotte Cook à l’aide d’un modèle degré-jour couplé à une routine dynamique révèle par ailleurs que son retrait est principalement dû à une forte diminution des précipitations sur l’archipel depuis les années 60.
Afin de replacer le recul des glaciers aux îles Kerguelen dans un contexte global, les tendances climatiques sur l’ensemble des zones subpolaires sont étudiées, faisant apparaître que la zone sub-Antarctique est actuellement celle où les retraits sont les plus forts à l’échelle du globe. Pour comprendre ces variations, nous analysons un ensemble complet de jeux d’observations de terrain, de satellites et de résultats de modélisation : réanalyses, modèles de l’exercice CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project phase 5), observations de température atmosphérique et océanique, précipitations, etc. Ceux-ci révèlent un réchauffement et un assèchement quasi-généralisé de l’ensemble de la zone 40-60° S, lié à un déplacement vers le sud des zones dépressionnaires en réponse aux phases de plus en plus fréquemment positives du mode annulaire
austral (Southern Annular Mode, SAM). Le recul récent des glaciers des îles Kerguelen, mais également d’autres zones glaciaires des régions subpolaires de l’hémisphère sud, est donc principalement lié à un déficit d’accumulation causé par le SAM, et amplifié par le réchauffement atmosphérique.
L’évolution future du bilan de masse de la calotte Cook aux îles Kerguelen est évaluée grâce au Modèle Atmosphérique Régional (MAR), forcé à ses frontières par les modèles de l’exercice CMIP5. Des simulations du bilan de masse récent sont d’abord effectuées sur base des réanalyses ERA-Interim et NCEP1, et comparées aux observations in situ. Parallèlement, des simulations d’un an sont réalisées avec le désagrégateur de précipitations SMHiL (Surface Mass balance High resolution downscaLing) en sortie du MAR, à différentes échelles, afin d’évaluer l’impact du changement d’échelle sur la représentation des précipitations. Une évaluation des modèles CMIP5 par rapport à ERA-Interim sur la période récente est ensuite réalisée sur base de certaines variables climatiques-clé. Le modèle le plus proche d’ERA-Interim sur la période récente, et les deux modèles les plus extrêmes sont ensuite utilisés pour forcer le MAR sur le prochain siècle, et les sorties de bilan de masse de surface sont analysées de manière critique.
L’analyse du retrait de la calotte des îles Kerguelen à l’aide de différents outils a permis de mieux comprendre le lien entre glaciers et climat, mettant en évidence le rôle majeur du SAM, mais a également soulevé de nouvelles questions.
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Berhanu, T. (2013). An isotopic approach towards understanding nitrate formation pathways and revealing the photochemistry of nitrate in snow (Université de Grenoble, Ed.). Ph.D. thesis, Université de Grenoble, Grenoble.
Abstract: Le nitrate, produit de la fin de chaîne de réaction des oxydes d'azotes de l'atmosphère (NOx = NO +NO2), est l'un des ions le plus abondant de la neige et de la glace polaire. Ses rapports isotopiques stables (δ18O, δ15N et Δ17O) ont été abondamment utilisés pour contraindre ses sources et les chemins réactionnels. De plus, le nitrate archivé dans les carottes de glace profondes peut apporter de nouvelles contraintes sur les conditions climatiques passées. Cependant, le dépôt de nitrate dans les régions polaires à faible accumulation est réversible en raison des processus postdépôts, compliquant l'interprétation des enregistrements. Actuellement, il existe des enregistrements de nitrate issus de carottes de glace profonds couvrant de l'information climatique sur plusieurs milliers d'années dont leur interprétation dépend d'une quantification précise ces phénomènes post-dépôts. Nous avons étudié expérimentalement le transfert d'excès-17O de l'ozone durant la réaction en phase gaz de NO2 + O3  NO3 + O2, qui est une réaction importante de la chimie nocturne de formation du nitrate. De cette étude nous avons déterminé la fonction de transfert du Δ17O donnée par : Δ17O(O3*) = (1.23 ± 0.19) × Δ17O(O3)bulk + (9.02 ± 0.99). Nous avons aussi évalué la distribution intramoléculaire des isotopes de l'oxygène de l'ozone et observé que l'excès d'enrichissement résidait de manière prépondérante sur les atomes terminaux de l'ozone. Ces résultats auront une implication importante sur la compréhension de la formation du nitrate via les mécanismes d'oxydation des précurseurs NOx.
L'impact de la photolyse sur les concentrations et les compositions isotopiques stables du nitrate est étudié dans ce travail de thèse sur la base d'étude de
laboratoire et de terrain. Une étude de laboratoire a été conduite en irradiant de la neige naturelle de Dôme C avec une lampe UV à xénon et en utilisant différents filtres UV (280 nm, 305 nm et 320 nm). Sur la base des mesures des rapports isotopiques de l'oxygène et de l'azote, la dépendance aux longueurs d'onde des fractionnements isotopiques a été déterminée. En conséquence, en présence de lumière UV de haute énergie, le fractionnement isotopique est décalé vers des valeurs moins négatives et vice versa. Sur la base des fractionnements isotopiques obtenus en laboratoire, nous avons dérivé un décalage apparent de la valeur du zéro point d'énergie (ZPE) qui apporte une meilleure contrainte sur la section efficace d'absorption du 15NO3-. Ce décalage apparent est obtenu en minimisant les écarts entre les observations et les fractionnements isotopiques calculés basés sur un modèle de décalage ZPE, modèle qui inclut outre le décalage ZPE, le changement des largeurs, de l'asymétrie et de l'amplitude des sections efficaces d'absorption lors de la substitution isotopique. Nous avons validé le nouveau ZPE apparent en conduisant une étude de terrain à Dôme C, Antarctique. Dans cette étude, un dispositif expérimental a été construit sur le site et l'effet du rayonnement solaire UV sur la photolyse du nitrate de la neige investigué. Cette étude était basée sur la comparaison de deux puits remplis par de la neige soufflée homogénéisée dont l'un des deux puits n'était pas soumis aux rayonnements UV. Le fractionnement isotopique de 15N pour la neige exposée aux UV (-67.9 ± 12 ‰) est en bon accord avec le modèle de décalage ZPE estimé au cours de ce travail de thèse (-55.4 ‰). Ces valeurs sont aussi dans la gamme des fractionnements isotopiques apparents observée précédemment au Dôme C. Des calculs plus poussés pour mieux contraindre la section efficace d'absorption de 15NO3 – avec le décalage ZPE est en cours et nous proposons que la nouvelle valeur apparente dérivée du décalage ZPE devra être utilisée dans les études à venir. Nous pensons que l'inclusion des ces nouvelles connaissances dans un modèle prédisant l'enrichissement du 15N dans les carottes de glace permettra une interprétation quantitative de l'information préservée dans la glace.
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Carmagnola, C. (2013). Mesure, analyse et modélisation des processus physiques du manteau neigeux sec. Ph.D. thesis, Université de Grenoble, Grenoble.
Abstract: La neige est un matériau poreux dont la microstructure change en permanence.
L'ensemble de ces transformations, qui prend le nom de “métamorphisme”, est
susceptible d'affecter les propriétés thermiques, mécaniques et
électromagnétiques de la neige au niveau macroscopique. En particulier, les
échanges d'énergie et de matière à l'intérieur du manteau neigeux et entre la
neige et l'atmosphère sont fortement influencés par l'évolution au cours du temps
de la microstructure de la neige. Une représentation adéquate du
métamorphisme dans les modèles de manteau neigeux s'avère donc cruciale.
La microstructure d'un matériau poreux peut être raisonnablement décrite en se
servant d'un nombre réduit de variables. En effet, la masse volumique, la surface
spécifique (SSA) et la distribution de courbure permettent de caractériser la
microstructure d'un matériau. Cependant, dans le cas de la neige cette approche
n'en est qu'à ses débuts et n'a pas encore été appliquée de façon systématique.
Des variables semi-empiriques, difficiles à mesurer et dépourvues de lien direct
avec d'autres propriétés physiques, sont encore largement utilisées dans les
modèles détaillés de manteau neigeux.
Ce travail de thèse s'inscrit dans cette tentative de représenter la microstructure
de la neige au cours du temps à l'aide de variables bien définies et mesurables
sur le terrain. Parmi ces variables, nous nous sommes attachés notamment à la
SSA, qui constitue une grandeur essentielle pour l'étude du manteau neigeux et
de son évolution temporelle. Différentes lois d'évolution de la SSA ont été
étudiées, à partir de relations empiriques basées sur des ajustements de données
expérimentales jusqu'aux modèles physiques qui représentent le flux de la
vapeur d'eau entre les grains de neige. Ces lois ont été dans un premier temps
testées à l'aide d'un modèle simplifié de manteau neigeux et puis introduites
directement dans le modèle SURFEX/ISBA-Crocus. Pour ce faire, la SSA dans
Crocus a été transformée en variable prognostique, en remplaçant d'autres
variables semi-empiriques préexistantes. Les différentes formulations de
l'évolution temporelle de la SSA ont été comparées à des mesures de terrain,
acquises lors de deux campagnes à Summit (Groenland) et au Col de Porte
(France). Ces mesures ont été effectuées en utilisant de nouvelles techniques
optiques et ont permis d'obtenir un riche jeu de données avec une grande
résolution verticale. Les résultats montrent que les différentes formulations sont
comparables et reproduisent bien les mesures, avec un écart quadratique moyen
entre les valeurs de SSA simulées et observées inférieur à 10 m2 kg-1.
Nous avons également contribué à faire le pont entre la microstructure de la
neige et ses propriétés macroscopiques. En particulier, nous nous sommes
intéressés au lien entre la SSA et les propriétés optiques. L'albédo de surface à
Summit a été simulé à partir des profils mesurés de masse volumique et de SSA
et du contenu en impuretés. Les résultats de cette étude ont démontré que
l'albédo spectral peut être correctement simulé à l'aide d'un modèle de transfert
radiatif et l'énergie absorbée par le manteau neigeux peut être estimée avec une
précision d'environ 1%.
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Champollion, N. (2013). Évolution de la surface de neige sur le Plateau Antarctique: observation in situ et satellite (Université de Grenoble, Ed.). Ph.D. thesis, Université de Grenoble, Grenoble.
Abstract: La surface de neige sur le Plateau Antarctique joue un rôle important dans l'étude du bilan de
masse et d'énergie de surface. Ses caractéristiques dépendent des interactions entre les conditions
atmosphériques et le haut du manteau neigeux, à travers notamment les précipitations, la redistribution
de neige par le vent et le métamorphisme. L'ensemble des aspects de la surface, i.e. le type de cristaux,
la rugosité, la densité, l'albédo ..., sont regroupés sous la formule
état de surface
. L'objectif de cette
thèse est l'étude de l'état de surface et de son évolution, en fonction des conditions atmosphériques, à
l'aide d'observations in situ et satellite.
L'analyse conjointe d'observations in situ, essentiellement à partir de photographies infrarouges
de la surface (développement d'un algorithme examinant la texture des images), et satellite,
principalement l'émission micro-onde du manteau neigeux (utilisation du
rapport de polarisation
sensible à la densité proche de la surface
)
, a permis de montrer une dynamique rapide de la surface à
Dôme C. En particulier, des périodes où le givre recouvre entièrement la surface sont observées et
représentent environ 45% du temps. Cette dynamique est aussi caractérisée par des élévations rapides
et importantes de la surface, pouvant être largement supérieures à l'accumulation annuelle moyenne de
8 cm (jusqu'à 20 cm en 2 heures). Le vent est déterminant dans l'évolution de la surface. Plus
particulièrement, ces travaux ont montrés l'importance de la direction du vent pour la disparition du
givre (perpendiculaire à la direction dominante, i.e. le
sud-ouest).
Enfin, la corrélation entre présence
de givre et rapport de polarisation a permis d'étendre ces résultats sur les 10 années d'observation du
satellite et ouvre la voie à la détection des précipitations par télédétection.
La modélisation de l'émission micro-onde à 19 et 37 GHz a ensuite été menée à Dôme C à l'aide
d'un modèle de transfert radiatif (DMRT-ML). Les propriétés du manteau neigeux (taille des grains,
densité et température), utilisées en entrée du modèle, ont été mesurées durant la campagne d'été 2010 -
2011. Les résultats des simulations montrent que la densité de la neige proche de la surface est
principalement responsable des variations du rapport de polarisation. Cette densité a ainsi été
«
inversée
» à Dôme C sur 10 ans. Elle montre une tendance pluriannuelle à la baisse de 10 kg m
-3
a
-1
,
superposée à un cycle annuel et à des variations journalières / hebdomadaires. La mesure in situ de la
densité et l'observation du givre coïncident avec les variations rapides de la densité estimée. L'évolution
pluriannuelle conséquente mérite d'être prise en compte pour l'étude du bilan de masse de surface, les
causes probables étant une hausse des précipitations ou une baisse de l'intensité du vent.
Suivant une méthodologie similaire, l'évolution de la densité de surface a été déduite pour
l'ensemble de l'Antarctique. Les variations spatiales mettent en évidence une tendance claire à la
diminution de la densité sur une grande région entre Dôme C et Vostok et une région à l'est de Dôme C
où elle augmente. À plus grande échelle, le rapport de polarisation moyen montre de grandes
variations, signatures de la stratification en densité du manteau neigeux.
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Dupont, F. (2013). Télédétection micro-onde de surfaces enneigées en milieu arctique : étude des processus de surface de la calotte glaciaire Barnes, Nunavut, Canada. Ph.D. thesis, Université de Grenoble, Grenoble.
Abstract: La région de l'archipel canadien, située en Arctique, connaît actuellement d'importants
changements climatiques, se traduisant notamment par une augmentation des températures, une
réduction de l'étendue de la banquise marine et du couvert nival terrestre ou encore une perte de
masse significative des calottes glaciaires disséminées sur les îles de l'archipel. Parmi ces calottes
glaciaires, la calotte Barnes, située en Terre de Baffin, ne fait pas exception comme le montrent les
observations satellitaires qui témoignent d'une importante perte de masse ainsi que d'une régression
de ses marges, sur les dernières décennies.
Bien que les calottes glaciaires de l'archipel canadien ne représentent que quelques dizaines
de centimètres d'élévation potentielle du niveau des mers, leur perte de masse est une composante
non négligeable de l'augmentation actuelle du niveau des mers. Les projections climatiques laissent
à penser que cette contribution pourrait rester significative dans les décennies à venir. Cependant,
afin d'estimer les évolutions futures de ces calottes glaciaires et leur impact sur le climat ou le
niveau des mers, ils est nécessaire de caractériser les processus physiques tels que les modifications
du bilan de masse de surface. Cette connaissance est actuellement très limitée du fait notamment du
sous-échantillonnage des régions arctiques en terme de stations météorologiques permanentes.
Une autre particularité de certaines calottes de l'archipel canadien, et de la calotte Barnes en
particulier, est de présenter un processus d'accumulation de type glace surimposée, ce phénomène
étant à prendre en compte dans l'étude des processus de surface.
Pour palier au manque de données, l'approche retenue a été d'utiliser des données de
télédétection, qui offrent l'avantage d'une couverture spatiale globale ainsi qu'une bonne répétitivité
temporelle. En particulier les données acquises dans le domaine des micro-ondes passives est d'un
grand intérêt pour l'étude de surfaces enneigées. En complément de ces données, la modélisation du
manteau neigeux, tant d'un point de vue des processus physiques que de l'émission
électromagnétique permet d'avoir accès à une compréhension fine des processus de surface tels que
l'accumulation de la neige, la fonte, les transferts d'énergie et de matière à la surface, etc. Ces
différents termes sont regroupés sous la notion de bilan de masse de surface. L'ensemble du travail
présenté dans ce manuscrit a donc consisté à développer des outils permettant d'améliorer la
connaissance des processus de surface des calottes glaciaires du type de celles que l'on rencontre
dans l'archipel canadien, l'ensemble du développement méthodologique ayant été réalisé sur la
calotte Barnes à l'aide du schéma de surface SURFEX-CROCUS pour la modélisation physique et
du modèle DMRT-ML pour la partie électromagnétique.
Les résultats ont tout d'abord permis de mettre en évidence une augmentation significative
de la durée de fonte de surface sur la calotte Barnes (augmentation de plus de 30% sur la période
1979-2010), mais aussi sur la calotte Penny, elle aussi située en Terre de Baffin et qui présente la
même tendance (augmentation de l'ordre de 50% sur la même période).
Ensuite, l'application d'une chaîne de modélisation physique contrainte par diverses données
de télédétection a permis de modéliser de manière réaliste le bilan de masse de surface de la
dernière décennie, qui est de +6,8 cm/an en moyenne sur la zone sommitale de la calotte, qui est
une zone d'accumulation. Enfin, des tests de sensibilité climatique sur ce bilan de masse ont permis
de mettre en évidence un seuil à partir duquel cette calotte voit disparaître sa zone d'accumulation.
Les modélisations effectuées suggèrent que ce seuil a de fortes chances d'être atteint très
prochainement, pour une augmentation de température moyenne inférieure à 1°C, ce qui aurait pour
conséquence une accélération de la perte de masse de la calotte.
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Gaultier, L. (2013). Couplage des observations spatiales dynamiques et biologiques pour la restitution des circulations océaniques : une approche conjointe par assimilation de données altimétriques et de traceurs. Ph.D. thesis, Université de Grenoble, Grenoble.
Abstract: Depuis quelques années, les observations spatiales des traceurs, comme la température de surface
de l’océan (SST) ou la couleur de l’océan, ont révélé la présence de filaments à sous-mésoéchelle,
qui ne peuvent être détectées par les satellites altimétriques. Ce travail de thèse explore la possi-
bilité d’utiliser les informations dynamiques contenues dans les images traceur haute résolution
pour compléter l’estimation de la dynamique océanique de surface effectuée par les satellites
altimétriques. Pour ce faire, la méthode d’inversion développée est inspirée de l’assimilation de
données images. A l’aide d’une fonction coût, on mesure la distance entre une image du flot
dynamique et l’image des structures présentes sur le traceur. On a choisi pour cette étude d’uti-
liser le FSLE (Finite-Size Lyapunov Exponents) comme proxy image de la dynamique. Cette
méthode est testée avec succès sur plusieurs cas test d’observations spatiales. Un modèle de
processus couplé physique-biogéochimie ainsi qu’un modèle réaliste de la mer des Salomon sont
utilisés pour estimer l’erreur associée à la méthode d’inversion et la pertinence de la correction
effectuée. L’utilisation conjointe d’images traceurs et de données altimétriques présente un fort
intérêt pour le contrˆole de la circulation océanique.
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Gilbert, A. (2013). Etudes des changements climatiques à partir du régime thermique des glaciers de haute altitude et impact sur les risques naturels d'origine glaciaire. Ph.D. thesis, Université de Grenoble, Grenoble.
Abstract: La température au sein des glaciers varie en fonction des variations climatiques. Dans un contexte de réchauffement climatique, ces variations peuvent être importantes et avoir des conséquences sur l'apparition de nouveaux aléas glaciaires.
Les travaux présentés dans cette thèse se focalisent sur la modélisation numérique de la réponse thermique des glaciers froids aux variations climatiques. La prise en compte du forçage climatique par la modification des conditions de surface des glaciers est l'un des points clefs de cette étude. On montre l'importance des processus de fusion/regel en zone d'accumulation froide ainsi que de l'épaisseur de la couverture de neige et névé autour de la ligne d'équilibre. Les modèles développés dans cette thèse s'appliquent à des cas concrets sur trois glaciers du massif du Mont Blanc (Alpes françaises). Ces études permettent d'analyser des situations à risque et de reconstituer le climat passé à haute altitude. Le jeu de données très complet acquis sur le site du Col du Dôme (4250 m) comprend des mesures profondes de températures et de densités ainsi que des mesures d'accumulation et de vitesses de surface. Il a permis de valider et développer un modèle à trois dimensions de régime thermique couplé à un modèle d'écoulement et forcé par des données climatiques. Ce modèle permet d'étudier en détail la réponse thermique des zones d'accumulation froides aux changements climatiques. Il peut aussi être utilisé pour la prédiction du réchauffement futur des glaciers suspendus présentant un risque comme le glacier de Taconnaz dont une analyse préliminaire est effectuée ici. Le réchauffement basal jusqu'au point de fusion pourrait conduire à la déstabilisation de ce type de glacier.
Le site du glacier de Tête Rousse ( environ 3200 m) a permis d'établir clairement l'influence de la couverture de neige et de névé sur le régime thermique des glaciers autour de la ligne d'équilibre. Les résultats obtenus à partir du couplage d'un modèle de neige (CROCUS) avec un modèle de régime thermique sont en excellent accord avec les observations de températures réalisées dans le glacier. On explique ainsi les causes de la structure thermique particulière du glacier de Tête Rousse responsable de la formation d'une poche présentant un risque pour la commune à l'aval. Dans le futur, les simulations indiquent que le glacier va continuer de se refroidir, limitant ainsi le risque de formation de poche d'eau.
Enfin, nous avons développé une nouvelle méthode inverse pour reconstituer les températures du passé à partir de profils de températures observées dans la glace. Elle est basée sur l'inversion simultanée de plusieurs profils de températures provenant de différents sites de forage ayant subi le même forçage climatique. La méthode permet de s'affranchir de l'impact des processus de fonte/regel en surface pour reconstruire les variations passées des températures de l'air. Les résultats obtenus sur le Col du Dôme montrent que le réchauffement climatique sur le site à 4250 m est similaire à celui observé à basse altitude. Ces résultats tendent à montrer que le réchauffement climatique n'est pas amplifié avec l'altitude.
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Polo, L. (2013). Caractérisation des polluants dus au transport routier: apports méthodologiques et cas d'études en Rhône-Alpes (Université de Grenoble, Ed.). Ph.D. thesis, Université de Grenoble, Grenoble.
Abstract: L'impact des particules fines (PM10-PM2.5) sur la santé a été largement étudié depuis de nombreuses années, notamment pour les sites de proximité automobile. De nombreux dépassements de la valeur limite en PM10 imposée par les directives européennes ont lieu en France et en Europe, en milieu urbain et plus fréquemment en proximité automobile. Les émissions véhiculaires sont une des sources majeures de particules. Ces émissions proviennent à la fois des échappements (TE) mais aussi des émissions hors échappement (TNE) (abrasion des freins, des pneus et de la route, resuspension des poussières de la chaussée dû au déplacement des véhicules...). En France, très peu d'études en proximité automobile ont été effectuées. Les études de déconvolution des sources en France et en Europe s'appuient la plupart du temps sur des parcs automobiles non adaptés (parc américain) ou trop anciens. De plus, seule la source TE est considérée, ce qui sous-estime largement la contribution véhiculaire aux PM10. La meilleure connaissance de la formation, de la caractérisation et de la quantification des particules émises par le trafic est devenue primordiale.
L'objectif final étant la détermination des contributions des émissions véhiculaires TE et TNE aux sources primaires de particules, la caractérisation précise de ces sources est primordial. Pour cela, la recherche de traceurs véhiculaires en phases gaz et particulaire a constitué une grosse partie de ce travail. La combinaison de l'étude sur banc à rouleau de cinq véhicules bien représentés dans le parc automobile roulant français et de l'étude effectuée en proximité automobile (Rocade Sud de Grenoble) a constitué le socle de ce travail. Dans la première étude, certains composés chimiques sont apparus comme indicateurs des émissions TE (EC, HAP légers, profils d'alcanes typiques, quelques métaux comme Fe, Cu etc.). Des différences importantes sont observées entre les véhicules diesel sans filtre à particules (FAP) et les véhicules essence et diesel sans FAP. La seconde étude, comparant le site trafic (Grenoble-Echirolles) avec un site de fond urbain (Grenoble-Les Frênes), a mis en évidence certains composés chimiques comme spécifiques des sources TNE et TE sur la base des connaissances acquises avec les mesures sur banc et sur l'enrichissement de certains composés par rapport au site de fond (EC, Cu, Fe, Sn, Mn...). On peut souligner certains enrichissements majeurs comme EC (78%), Cu (82%), Fe (88%), etc. La résolution temporelle a été faite sur une base de 4h, permettant ainsi une caractérisation chimique détaillée en fonction des heures de pointe et “creuses”. Une troisième étude, en site trafic également (Grenoble-Le Rondeau) mais sous influence du salage en hiver, est venue compléter nos recherches. Enfin, en nous appuyant sur les résultats de la première partie, nous avons cherché à déconvoluer les sources véhiculaires TE et TNE (Echirolles et Le Rondeau) au moyen d'un modèle statistique d'analyses multivariées, la PMF (Positive Matrix Factorization), apportant ainsi la contribution possible de ces sources aux PM10. Les émissions véhiculaires (TNE+ TE) y contribuent à 34% à Echirolles et à 53% au Rondeau. Quelques incertitudes sont discutées par rapport aux résultats trouvés avec ceux provenant de l'étude géochimique détaillée en première partie.
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Renard, A. (2013). Identification des sources printanières de méthylmercure dans le manteau neigeux arctique. Ph.D. thesis, Université de Grenoble, Grenoble.
Abstract: Le manteau neigeux polaire est le siège d’une chimie complexe de transformation du mercure
correspondant à la fois à une production interne et une incorporation de mercure élémentaire
gazeux : le manteau neigeux est à la fois une source et un puits de mercure. Le mercure présent dans
la neige sous forme de Hg(II) peut être associé à la matière organique et être ainsi stabilisé
chimiquement et photochimiquement et entrainé vers les écosystèmes à la fonte. Il est également
transformable en une espèce organo-métallique, le méthylmercure dont les mécanismes biotiques
ou abiotiques de formation sont inconnus.
L’objectif de cette thèse est d’une part de comprendre l’impact de cette matière organique sur le
temps de vie du mercure divalent dans les réservoirs environnementaux (notamment la neige) et
d’autre part de travailler sur les voies de formation d’espèces mercurielles à fort potentiel de toxicité
comme le méthylmercure. Nous voulons ainsi progresser dans l’étude des processus reliant dépôts
atmosphériques et contamination de chaînes alimentaires.
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Trouvilliez, A. (2013). Observations et modélisation de la neige soufflée en Antarctique. Ph.D. thesis, Université de Grenoble, Grenoble.
Abstract: L’augmentation de l’accumulation de neige simulée en Antarctique de l’Est pour le siècle à venir est une
contribution négative à la hausse du niveau moyen des mers. Les modèles climatiques simulant cette
augmentation ne possèdent pas de paramétrisation du transport éolien de neige or ce dernier joue un rôle
primordial sur l’accumulation d’après les observations. Les modèles climatiques régionaux possédant une
paramétrisation du transport éolien permettent d’estimer l’incertitude des modèles climatiques sur la hausse
du niveau moyen des mers en ne représentant pas ce processus. Cependant aucune donnée de transport ne
permet une validation précise de ces modèles en Antarctique. Dans ce contexte, cette thèse décrit la
constitution d’une base de données de transport éolien de neige en Antarctique ainsi qu’une validation d’un
modèle climatique régional incluant le transport éolien de neige. Un instrument acoustique, le FlowCapt, a
été choisi pour acquérir les données. Une comparaison avec un appareil de mesure optique du transport, le
Snow Particle Counter, a été menée dans les Alpes françaises. Cette comparaison a permis de déterminer les
limites des deux générations de FlowCapt existantes pour la détection des événements de transport et la
quantification du flux de neige. Une base de données de trois années a été acquise en Terre Adélie,
Antarctique, pour permettre une comparaison avec un modèle climatique régional. Elle a permis de calculer
la hauteur de rugosité et la vitesse de frottement seuil avec leurs incertitudes. Les épisodes de transport
éolien de neige et une borne inférieure de la quantité de neige déplacée en un point ont été estimés. Deux
comparaisons ont été menées avec le Modèle Atmosphérique Régional, un modèle climatique régional
incluant de nombreuses rétroactions du transport sur l’écoulement. Les deux simulations utilisées pour les
comparaisons ont été faites sur un petit domaine à fine échelle sur une période d’un mois. Le modèle simule
bien les épisodes de transport sauf lorsque de la fonte s’est produite juste avant un épisode ou lorsque les
épisodes ont une hauteur maximale de transport inférieure à cinquante centimètres. Le modèle sous-estime
les quantités de neige transportée.
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Vicars, W. C. (2013). Transfert de l'anomalie isotopique portée par l'ozone dans la troposphère : Vers une interprétation quantitative de la composition isotopique en oxygène du nitrate atmosphérique (Université de Grenoble, Ed.). Ph.D. thesis, Université de Grenoble, Grenoble.
Abstract: L'ozone (O3) possède une anomalie isotopique en oxygène qui est unique et caractéristique, offrant ainsi un précieux traceur des processus oxydatifs à l'oeuvre dans l'atmosphère moderne mais aussi ceux ayant eu lieu dans le passé. Cette signature isotopique, dénotée Δ17O, se propage au sein du cycle atmosphérique de l'azote réactif (NOx = NO + NO2) et est préservée lors du dépôt du nitrate (NO3-) présent dans l'aérosol, par exemple. L'anomalie isotopique en oxygène portée par le nitrate, Δ17O(NO3-), représente ainsi un traceur de l'importance relative de l'ozone ainsi que celle d'autres oxydants dans le cycle des NOx. Ces dernières années, de nombreux travaux de recherche ont été dédiés à l'interprétation des mesures de Δ17O(NO3-). Pourtant, les processus atmosphériques responsables du transfert de l'anomalie isotopique de l'ozone vers le nitrate ainsi que leur influence globale sur la composition isotopique du nitrate à différentes échelles spatiales et temporelles sont encore mal compris. De plus, la magnitude absolue ainsi que la variabilité spatiotemporelle de Δ17O(O3) sont peu contraintes, car il est difficile d'extraire de l'ozone de l'air ambiant. Cet obstacle technique contrecarre l'interprétation des mesures de Δ17O depuis plus d'une décennie. Les questions scientifiques posées au cours de ce travail de thèse ont été choisies dans le but de combler ces lacunes. Le principal outil d'analyse utilisé dans ce travail est la “ méthode bactérienne ” associée à la spectrométrie de masse en flux continu (CF-IRMS), une combinaison de techniques qui permet l'analyse de la composition isotopique totale du nitrate (c'est-à-dire, la mesure de δ15N, δ18O et Δ17O). Cette méthode a été employée pour l'analyse isotopique d'échantillons de nitrate obtenus pour deux cas d'études : (i) une étude des variations spatiales de la composition isotopique du nitrate atmosphérique sur la côte californienne à l'échelle journalière; et (ii) une étude du transfert du nitrate et de sa composition isotopique à l'interface entre l'air et la neige à l'échelle saisonnière sur le plateau Antarctique. En outre, cette méthode a été adaptée à la caractérisation isotopique de l'ozone via la conversion chimique de ses atomes d'oxygène terminaux en nitrate. Au cours de cette thèse, un important jeu de données rassemblant de nombreuses mesures troposphériques de Δ17O(O3) a été obtenu, incluant une année entière de mesures à Grenoble, France (45°N) ainsi qu'un transect latitudinal de collecte dans la couche limite au-dessus de l'océan Atlantique, entre 50°S to 50°N. Ces observations ont permis de doubler le nombre de mesures troposphériques de Δ17O(O3) existantes avant cette thèse et d'accroître de manière conséquente notre représentation globale de cette variable isotopique essentielle. Enfin, les deux cas étudiés et présentés dans ce document révèlent des aspects nouveaux et inattendus de la dynamique isotopique du nitrate atmosphérique, avec d'importantes conséquences potentielles pour la modélisation de la qualité de l'air et l'interprétation de l'information isotopique contenue dans les carottes de glace prélevées aux pôles.
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Agosta, C. (2012). Evolution du bilan de masse de surface Antarctique par régionalisation physique et conséquences sur les variations du niveau des mers. Ph.D. thesis, Université de Grenoble, Grenoble.
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Bock, J. (2012). Contribution à l'élaboration d'un modèle d'évolution physico-chimique de la neige. Ph.D. thesis, UJF-Grenoble 1, Grenoble.
Abstract: Il est aujourd'hui avéré que la composition chimique de l'atmosphère des régions enneigées, et notamment des régions polaires, est sensiblement affectée par les échanges d'espèces chimiques réactives entre l'air et la neige. En effet, le manteau neigeux constitue un véritable réacteur
photochimique multiphasique, mais les mécanismes physico-chimiques à l'œuvre en son sein sont encore mal connus. Une meilleure compréhension des processus s'y déroulant est indispensable pour modéliser correctement la composition et la réactivité de l'atmosphère au-dessus des régions enneigées. De plus, la reconstitution de l'évolution post-dépôt des composés chimiques stables de la neige est également un préalable indispensable pour permettre l'interprétation paléoclimatique de leurs profils de concentration enregistrés dans les carottes de glace. Le nitrate (NO3-) présent dans la neige joue un rôle fondamental, car sa photolyse induit notamment l'émission d'oxydes d'azote (NOx= NO + NO2) par le manteau neigeux, qui modifient en retour la capacité oxydante de l'atmosphère. Ce travail de thèse s'est attaché à l'étude des processus physico-chimiques intervenants dans l'évolution de la concentration du nitrate dans la neige. Une première approche, prolongeant des études préexistantes, a visé à identifier un mécanisme réactionnel pour la photochimie du nitrate dans la neige, en postulant notamment l'existence d'une couche quasi-liquide à la surface des grains de neige. Néanmoins, les propriétés exactes de l'interface air – glace sont, à l'heure actuelle, encore mal caractérisées, et il est apparu que cette démarche présentait de trop larges incertitudes pour être poursuivie. Dans une seconde approche, l'ensemble des processus d'échange physico-chimiques du nitrate entre l'air et la neige ont été étudiés et modélisés : adsorption à la surface, diffusion en phase solide et co-condensation. Ces travaux révèlent l'importance de ces processus d'échange pour expliquer la composition en nitrate de la neige de surface, dans le cas de Dome C, et posent les bases des mécanismes à prendre en compte pour la modélisation de la chimie de la neige.
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Drouet, A. - S. (2012). Dynamique du glacier émissaire : des processus à l'application sur un glacier école, Astrolabe, Antarctique de l'Est. Ph.D. thesis, Université de Grenoble, Grenoble.
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Gouttevin, I. (2012). Contribution à la représentation des hautes latitudes dans un modèle de surface : gel des sols et diagnostics de performances. Ph.D. thesis, Université de Grenoble, Grenoble.
Abstract: L’importance climatique des hautes latitudes est exacerbée par le contexte actuel du réchauffement
climatique, de par leur forte sensibilité à ces changements et en raison des rétroactions globales
majeures qu’elles sont susceptibles d’engendrer. La modélisation offre un moyen d’estimer ces
impacts dans les temps passés, présents et futurs, tout en quantifiant les incertitudes procédant des
imperfections de notre connaissance de ces environnements et de leur représentation.
L’amélioration et l’évaluation de la représentation des hautes latitudes dans les modèles de climat
globaux répondent donc à de forts enjeux scientifiques et sociétaux : c’est dans ce cadre précis que
s’inscrit mon travail de thèse.
Le gel des sols est une spécificité majeure des régions circum-arctiques, porteuse d’implications
climatiques aux plans thermiques, hydrologiques et biogéochimiques. Une paramétrisation des
impacts hydrologiques du gel des sols a été introduite dans le schéma hydrologique multi-couches du
modèle de surfaces continentales ORCHIDEE : ses effets sur le contenu en eau des sols et le régime
hydrologique des principaux bassins de l’Arctique ont été évalués par comparaison à des données de
terrain, révélant la plus-value d’une telle représentation mais aussi les lacunes résiduelles de la
modélisation, qui touchent à l’absence de représentation des réservoirs temporaires d’eau de
surface et, sans doute, d’une paramétrisation sous-maille du gel des sols.
Parallèlement, une représentation des effets thermiques du gel des sols développée pour un modèle
antérieur à ORCHIDEE a été révisée et évaluée à différentes échelles spatiales par comparaison à des
données observationnelles : si la représentation de l’énergie de chaleur latente augmente la
température hivernale des sols soumis au gel saisonnier, un biais froid subsiste dans la modélisation,
imputable à une représentation imparfaite de la neige.
Une étude de sensibilité conduite sur cette variable en confirme les implications thermiques mais
aussi biogéochimiques à l’échelle des régions circum-arctiques, sous-tendues par les importantes
quantités de matière organique que ces régions renferment. Alors que les caractéristiques de la
neige sont souvent représentées comme spatialement uniformes dans les modèles de climat
globaux, la simple prise en compte du caractère particulièrement isolant de la neige de taïga
engendre des changements importants dans le cycle du carbone aux hautes latitudes, et souligne les
incertitudes entachant notre représentation actuelle de ces écosystèmes. Les propriétés thermiques
de la neige n’en sont pas l’unique vecteur, mais une évaluation détaillée de notre modélisation sur
un site de permafrost arctique (station de Bayelva, Svalbard) désigne la neige comme une source
majeure des incertitudes associées à notre modélisation des hautes latitudes, au travers de
représentations inadaptées de son albédo, sa rugosité de surface, et son contenu variable en eau
liquide pouvant accommoder de l’eau de pluie.
En termes hydrologiques, l’absence de représentation spécifique des zones de montagne, des
caractéristiques hydrauliques des sols à granulométrie grossière du Haut-Arctique, et des
nombreuses étendues d’eau libre des régions circum-arctiques, limite notre capacité à représenter
raisonnablement des principales caractéristiques de l’hydrologie de surface de ces régions.
Le diagnostic de ces limites définit autant de potentiels d’amélioration de la modélisation des hautes
latitudes, sources possibles de développements futurs.
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Guilhermet, J. (2012). HUmic LIke Substances dans la moyenne et basse troposphère Européenne : caractérisation et évolution passé. Ph.D. thesis, Université de Grenoble, Grenoble.
Abstract: Les aérosols atmosphériques jouent un rôle important à la surface de la Terre. Ils
influencent les propriétés radiatives de l’atmosphère et représentent des composés importants pour les questions de qualité de l'air et de santé publique dans les régions polluées. Suite à la forte diminution de la pollution soufrée survenue au cours des trois dernières décennies, l’aérosol organique représente maintenant une part importante de l’aérosol atmosphérique. Cette fraction a une nature complexe et jusqu’à présent, moins de la moitié de ses constituants chimiques ont été identifiés. La fraction soluble des HUmic LIke Substances (HULISWS) représente une des familles importantes de l’aérosol organique soluble avec une contribution en masse comprise entre 20 et 50%.
L’objectif de cette thèse est de développer une méthode de mesure des HULISWS dans
la glace. L’étude de ces archives environnementales, ici une carotte de glace extraite au col du Dôme (4250 m, massif du Mont-Blanc, France), permet de remonter aux concentrations en HULISWS en Europe au cours de la période 1920-1988. L’étude des concentrations et de l’absorbance spécifique des HULISWS dans la carotte de glace a permis d’identifier deux sources distinctes suivant la saison et de suivre leur évolution au cours du XXème siècle. Les HULISWS sont issus de la combustion du bois en hiver, leur absorbance est forte et leurs concentrations sont faibles et stables tout au long du XXème siècle. En été, les HULISWS sont formés par des processus secondaires ayant pour précurseurs des espèces biogéniques organiques, leur absorbance spécifique est plus faible qu'en hiver et leurs concentrations plus
fortes. Les teneurs estivales en HULISWS montrent une stabilité entre 1920 et 1950 puis une tendance à l’augmentation entre 1951 et 1970 associée vraisemblablement à une augmentation des émissions de composés organiques volatils depuis la biosphère.
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Quiquet, A. (2012). Reconstruction de la calotte polaire du Groenland au cours du dernier cycle glaciaire-interglaciaire à partir de l'association de la modélisation numérique 3D et des enregistrements des carottages glaciaires profonds. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier, Grenoble.
Abstract: La calotte polaire du Groenland retient dans ses glaces une contribution potentielle au niveau des mers de 7,3 mètres. Alors que des changements importants sont observés à l'heure actuelle, tant au niveau du bilan de masse de surface que dans la dynamique des zones à écoulement rapide, réaliser des projections sur son état futur à l'échelle pluri-centennal est devenu une priorité. La modélisation numérique 3D est l'un des outils pour effectuer ces projections. Le modèle utilisé au cours de ce travail est un modèle hybride qui permet de modéliser les zones à
écoulement rapide. Un travail particulier a été mené afin d'améliorer la représentation de ces zones dans le modèle. Ce travail incorpore largement l'utilisation des données issues des carottages profonds du Groenland, qui rassemblent une grande part d'information sur les états passés de la
calotte. Pour cela, un module de suivi de traceurs a été ré-implémenté. Ainsi, l'accent est ici mis sur les validités des reconstructions, en effectuant constamment des aller-retour entre observations et simulations. La robustesse de ces reconstructions et des projections futures est largement questionnée au travers de nombreuses expériences de sensibilité. La calibration du modèle de glace
en utilisant des contraintes sur les informations de la dernière déglaciation permet de proposer des scénarios sur l'état de la calotte au cours du précédent interglaciaire, l'Eémien, potentiel analogue pour le climat futur.
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2011 |
Barret, M. (2011). Echanges Air-Neige d'aldéhydes en Arctique. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier - Grenoble 1, Grenoble.
Abstract: La neige est un réacteur photochimique multiphasique complexe capable d'échanger de nombreuses espèces réactives avec l'atmosphère. Les émissions du manteau neigeux peuvent donc influencer de manière considérable la composition et la réactivité des atmosphères polaires. Parmi les composés réactifs ainsi échangés se trouvent de nombreux composés carbonylés dont les aldéhydes qui font l'objet de cette étude. La photolyse des aldéhydes est une source importante de radicaux HOx dans l'atmosphère arctique et l'étude des échanges de ces gaz est donc indispensable à la compréhension de la capacité oxydante de l'atmosphère des régions polaires. Le formaldéhyde (HCHO) est l'aldéhyde le plus abondant dans l'atmosphère et a fait l'objet d'une part importante de notre étude. Une étude expérimentale de la solubilité et de la diffusion de HCHO dans la glace nous a permis de confirmer que ce composé formait une solution solide dans la glace. Les résultats que nous avons obtenus, associés à une analyse critique des données bibliographiques sur la solubilité de HCHO en phase aqueuse, ont été utilisés pour construire le diagramme de phase pression partielle – température du système H2O-HCHO. Afin de comprendre les mécanismes mis en jeu dans les échanges d'aldéhydes entre la neige et le manteau neigeux, nous avons suivi les concentrations en aldéhydes dans le manteau neigeux à Barrow, un site côtier à l'extrême Nord de l'Alaska, lors de la campagne polaire OASIS 2009. Nos mesures ont été associées à celles de la microphysique de la neige et à la mesure en phase gazeuse du formaldéhyde. En développant un modèle numérique de diffusion de HCHO dans les cristaux de neige, nous avons montré que l'évolution des concentrations dans la neige pouvait être reproduite de manière quantitative par l'équilibre thermodynamique et la cinétique de diffusion du formaldéhyde dans la glace. Ce travail ne se limite pas à la seule étude de HCHO. D'autres aldéhydes présents dans l'atmosphère peuvent potentiellement jouer un rôle important dans la chimie atmosphérique. Nous avons donc réalisé des améliorations à notre méthode analytique afin de permettre la mesure non seulement du formaldéhyde et de l'acétaldéhyde, mais aussi du glyoxal, du méthylglyoxal et de l'hydroxyacétaldéhyde. Cette méthode analytique déployée pendant la campagne OASIS nous a ainsi permis de mesurer simultanément et pour la première fois, l'ensemble de ces aldéhydes dans la neige polaire. Ces mesures ont révélé des concentrations importantes de glyoxal et de méthylglyoxal dans la neige, ces composés étant probablement présents dans les aérosols organiques piégés par la neige. Le rôle de cette matière organique particulaire dans la chimie de la neige nous semble mériter de plus amples études, afin de mieux caractériser sa structure et sa réactivité.
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Brun, E. (2011). Un modèle numérique original pour la simulation du manteau neigeux. Ph.D. thesis, Université Paris-Est, Marne la Vallée.
Abstract: The thesis describes the different steps which lead during the 1980's to the development of an original numerical snow model. This model aimed at simulating the evolution of a seasonal snow cover as a function of the prevailing meteorological conditions. A first part describes the methods and algorithms used to compute the energy and mass exchange at the snow/atmosphere interface and inside the snowpack. The second part describes the experimental study which made possible the quantification of the metamorphism rate of snow samples submitted to weak temperature gradient and to liquid water content, in order to complete pre-existing knowledge on metamorphism. A third part describes the implementation of a set of metamorphism laws into the preliminary version of the snow model, which lead to the availability of the first numerical model able to simulate seasonal snowpack layering. The evaluation of the model at Col de Porte is presented. The last part introduces three applications of this model: real time monitoring of snowpack characteristics in the French Alps, assessment of the impact of climate change on snow climatology and simulation of the snowpack in a distributed hydrological model.
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Chuvochina, M. S. (2011). Etude des communautés microbiennes dans les neiges du Mt Blanc en relation avec la poussière saharienne. Ph.D. thesis, Université de Grenoble, Grenoble.
Abstract: L'objectif a été d'évaluer à l'aide de techniques de phylogénie moléculaire la diversité bactérienne non cultivable dans la neige du Mont Blanc (MtBl) contenant de la poussière saharienne déposée au cours de quatre événements pendant la période 2006-2009. La diversité bactérienne a été évaluée par digestion enzymatique d'ADN et le séquençage partiel de la région V3-V5 du gène et des séquences complètes d'ARNr 16S. Nous avons étudié : (i) de la neige (MtBl) ne contenant aucune poussière saharienne (par ADNr et ARNr) ; (ii) du sable du Sahara (Tunisie) ; (iii) des poussières sahariennes collectées à Grenoble (200 m ASL) et de la neige récupérée au MtBl (4250 m ASL). Le contenu en espèces et en phylotypes dominants a varié dans la neige du MtBl associée aux quatre dépôts de poussière saharienne sur 3 années. Les phylotypes dominants appartiennent aux classes des Actinobacteria, Proteobacteria, Firmicutes, Deinococcus-Thermus, Bacteroidetes et les Cyanobactéria. Cette variabilité semble être davantage causée par les conditions de transport de la poussière. Quinze phylotypes ont été reconnus comme candidats pour colonisation de la neige. Les représentants des genres Massilia, Tumebacillus, Phormidium et Stigonema sont les candidats les plus probables pour la propagation dans la neige. Parmi tous les phylotypes identifiés, 10% ont été classés comme HA-phylotypes basés sur leur similitude (≥98%) avec les représentants du microbiome humain et 11% ont montré moins de 90% de similarité avec les taxons connus. Le séquençage partiel (V3-V5) et complet des gènes codant l'ARNr 16S a permis de décrire la diversité microbienne plus complète et d'en obtenir une image plus détaillée.
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Erbland, J. (2011). Contraintes isotopiques sur l'interprétation de l'enregistrement en nitrate dans la carotte de glace de Vostok. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier - Grenoble 1, .
Abstract: L'ion nitrate (NO3-) présent dans les neiges Antarctiques est issus de l'oxydation des oxydes d'azote (NOx = NO + NO2) dans l'atmosphère. Aux sites de faible accumulation de neige tels que Vostok et Dôme C sur le plateau de l'Est de l'Antarctique, le nitrate n'est pas piégé de manière ultime dans la neige, ce qui limite fortement l'interprétation des enregistrements en nitrate dans les carottes de glace. Des mesures récentes de la composition isotopique en azote du nitrate (d15N) montrent des valeurs extrêmement élevées (+339‰) dans les premiers décimètres de la neige de Dôme C. Ces valeurs ont été attribuées à la photolyse du nitrate et au recyclage important qui en résulte. Le nitrate possède, par ailleurs, une anomalie isotopique en oxygène (d17O) qui permet de tracer l'activité de l'ozone (O3) au cours de sa formation. Ce travail de thèse présente le premier enregistrement de la composition isotopique complète du nitrate (d15N, d17O et d18O) dans une carotte de glace : la carotte de glace de Vostok dont les 64 échantillons analysés couvrent une période de 150 000 ans. Ce jeu de données a été complété par 313 échantillons collectés entre 2007 et 2010 dans le continuum atmosphère/givre/neige au Dôme C ainsi que dans 21 puits de neige prélevés dans une zone couvrant l'essentiel de l'Est de l'Antarctique. L'analyse isotopique de ces échantillons modernes a permis de contraindre le modèle conceptuel TRANSITS développé au cours de cette thèse et dont le but est de représenter le recyclage du nitrate à l'interface entre l'atmosphère et la neige ainsi que son impact sur la composition isotopique du nitrate archivé. Les valeurs positives et élevées du δ15N du nitrate piégé dans la carotte de glace de Vostok montrent que le recyclage du nitrate a toujours eu lieu sur le plateau Antarctique au cours de la période étudiée. Les variations du flux primaire de nitrate reçu au site de Vostok estimées à l'aide du modèle TRANSITS montrent, en périodes glaciaires, un flux primaire plus important qui pourrait être lié à une dénitrification stratosphérique plus conséquente. Les valeurs de d17O du nitrate montrent que l'incursion d'ozone d'origine stratosphérique dans la troposphère était plus fréquente en périodes glaciaires. Nous proposons enfin que les résultats acquis dans le cadre de cette thèse pourraient permettre de mieux contraindre le cycle de l'azote sur la côte Antarctique et d'apporter des éléments d'interprétation des enregistrements en nitrate dans les carottes de glace de sites de plus forte accumulation de neige (au Groenland par exemple).
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Kluender, R. (2011). Mesures en trois dimensions des distorsions cristallines par imagerie en diffraction de Bragg : application aux cristaux de glace. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier - Grenoble 1, Grenoble.
Abstract: La déformation visco-plastique de la glace est fortement anisotrope, le plan de glissement préferé étant la plan de base. Le fait que dans un polycristal chaque grain possède sa propre direction de déformation produit des incompatibilités et un champ de contrainte complexe. La déformation à été étudiée expérimentellement en mésurant la dis- tortion des plans cristallins de mono- et polycristaux de glace artificielle. Les expériences ont été réalisées à l'aide d'un faisceau synchrotron. Une nouvelle procédure éxperimental, basée sur les méthodes de l'imagerie en diffraction de Bragg, comme lumière blanche, im- agerie sur la courbe de diffraction et topographie laminaire et ponctuelle, a été dévéloppée. Les désorientations angulaires, les largeurs à mi-hauteur et les intensités intégrées ont été mésurées dans les trois dimensions spatiales de l'échantillon et avec une résolution de 50× 50 × 50µm3. Les algorithmes d'analyse de données ont été écrits pour extraire des données des résultats quantitatifs, et pour calculer les neuf composantes du tenseur de courbure ainsi que la distortion entière des plans cristallins. Les résultats ont permis d'observer les premières étappes de la déformation de la glace. Par example la polygonisation d'un grain à été observée.
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Moreno Rivadeneira, I. (2011). Variabilité naturelle de la composition atmosphérique et influence anthropique en Patagonie. Contribution à l'étude des transports Equateur – Moyennes latitudes – Pôle. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier - Grenoble 1, Grenoble.
Abstract: Au cours des dernières décennies, l'étude des paléoenvironnements de l'Hemisphere Sud s'est développée avec les informations fournies par l'analyse des carottes de glace polaires et plus récemment à partir des carottes de glace prélevées dans les Andes. Bien que les zones tropicales et subtropicales de l'Amérique du Sud jouent un rôle majeur dans la chimie atmosphérique globale en raison de l'existence de réservoirs importants, les échanges entre l'équateur et les hautes latitudes sud restent encore peu documentés. Même si d'autres archives apportent des informations sur le climat passé, il existe peu de données de la composition atmosphérique des moyennes latitudes de l'Hémisphère Sud, aussi bien en termes de variabilité naturelle que d'impact anthropique. Ce travail est basé sur l'analyse d'une carotte de glace de 122 m extraite d'un site d'altitude en Patagonie (Monte San Valentin 46°35' S, 73°19' O, 3723 m). Outre l'établissement de profils à haute résolution des ions minéraux et organiques obtenus par chromatographie ionique, nous avons réalisé une étude des précipitations susceptibles d'influencer le site, fournissant ainsi une base pour l'interprétation de l'archive de glace. Ce site se caractérise par l'enregistrement d'événements à caractère marin et continental. Nous avons démontré que, sur ce glacier, les contributions marines primaires et secondaires ne sont pas synchrones et qu'elles sont très probablement sousreprésentées dans le profil en raison de processus d'accumulation. Contrairement au sel de mer, une partie importante des aérosols biogéniques marins est associée à un apport influencé par des contributions continentales diluées. L'apport continental est complexe : il est composé d'événements ponctuels de combustion, de retombées volcaniques et d'émissions par les sols. Il correspond à presque la moitié de la quantité totale de sulfate déposé. Cette contribution importante et omniprésente de sulfate est associée au nitrate et au chlorure, mais mieux cerner son origine nécessiterait des recherches plus poussées. La comparaison de notre archive glaciochimique avec des éruptions volcaniques datées et le début de la colonisation en Patagonie nous a permis de proposer quelques repères pour la datation de la carotte, qui reste à ce jour encore incertaine. Enfin, aucune tendance anthropique claire n'a été décelée à partir de l'évolution du bruit de fond des espèces continentales, excepté l'ammonium, lui pouvant être mis en relation avec l'utilisation croissante d'engrais après les années 1960.
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Navas, G. (2011). Amélioration de la modélisation de la calotte de glace Antarctique à partir de la topographie de la surface. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier - Grenoble 1, .
Abstract: La modélisation des calottes polaires est importante pour reconstruire l'état passé des calottes, comprendre l'état présent, et prévoir son évolution dans le contexte du réchauffement climatique et de l'élévation du niveau des mers. Les mécanismes qui interviennent dans la dynamique des calottes de glace et qui dépendent du climat sont nombreux, mais pour l'Antarctique il y a deux mécanismes très importants qui s'opposent : L'augmentation de la température qui est supposée entraîner une augmentation de la précipitation et un épaississement de la calotte, et l'intensification de l'écoulement de la glace qui tend à amincir la calotte. Pour étudier ces deux mécanismes, nous avons suivi deux approches : caractériser la calotte à partir des observations directes (c.-à-d. topographie de la surface et les vitesses d'écoulement de glace) ou indirectes (c.-à-d. Flux de bilan). Et la modéliser avec GRISLI (GRenoble Ice Shelf and Land Ice), en prenant en considération la dynamique des fleuves de glace et leurs localisations précises, pour mieux comprendre les mécanismes actifs qui interviennent dans la calotte. Le sujet de la thèse est l'amélioration de la modélisation de la calotte Antarctique à partir des données disponibles. Notamment celles basées sur la première et la deuxième dérivées de la surface (pente et courbures respectivement) pour faire des liens avec le drainage de la glace, et les structures de vitesses de bilan. Ces informations nous ont permis entre autres de développer différentes méthodes pour autoriser les fleuves de glace, qui ensuite ont été introduites dans GRISLI. Nous avons ensuite fait plusieurs études de sensibilité de la calotte sur les localisations des fleuves de glace, les données du flux géothermique et des paramètres qui contrôlent le glissement et la déformation de la glace. Enfin nous avons fait des comparaisons entre les structures observées et modélisées de la calotte, et nous avons vu que le modèle n'est pas loin de reproduire les structures observées.
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Pépy, G. (2011). Etude du formaldéhyde (HCHO) en zone côtière Antarctique. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier - Grenoble 1, Grenoble.
Abstract: Avec pour objectif de documenter et comprendre ses sources et puits en atmosphère de fond, nous avons réalisé un enregistrement annuel du formaldéhyde troposphérique en Antarctique, sur la base côtière de Dumont d'Urville. Des teneurs mensuelles de 50 pptv en hiver jusqu'à 200 pptv en été ont été mesurées. Au printemps, et été et à l'automne, un cycle journalier a été observé, avec un maximum l'après midi et une amplitude d'environ 40 pptv. Les artéfacts observés avec les appareils utilisés pour la mesure de HCHO (AeroLaser 4021), liés aux variations de température dans le local de mesure et pouvant induire des biais de 50 à 100 pptv, ont été éliminés en adaptant notre méthode analytique. Le formaldéhyde étant produit lors des combustions, l'influence des sources de contamination locales a été examinée en détail. Les sources de combustion par la station augmentent sporadiquement de 150 pptv au maximum les moyennes horaires. Une source locale d'émission par les sols ornithogéniques en liaison avec la présence des Manchots Adélie peut influencer jusqu'à 200 pptv les moyennes horaires en été. Au total, ces deux sources locales peuvent surestimer d'un facteur 5 au maximum l'amplitude du cycle journalier observé et impacter jusqu'à 100 pptv les moyennes mensuelles en été. Suivant ce constat, les données brutes ont été filtrées selon des critères météorologiques locaux pour éliminer toute contamination potentielle. L'étude des sources et puits en phase gaz a été réalisée à l'aide d'un modèle de photochimie développé pour les conditions de DDU. Nos résultats montrent que l'oxydation du méthane domine le budget en été (80%) du fait des fortes teneurs en radicaux HOx et en NOx en liaison avec l'impact du plateau Antarctique atteignant DDU. Le méthyl-hydroperoxyde constitue une source secondaire significative de HCHO en phase gaz (20% de l'oxydation du méthane), tandis que les faibles teneurs en hydrocarbures non-méthaniques mesurées en été nous amène à évaluer la contribution de cette source initialement attendue comme importante à moins de 5% de l'oxydation de CH4. A la différence d'autres observations en Mer de Weddell, les composés halogénés semblent avoir une influence relativement limitée dans le cas de Dumont d'Urville (10% du budget total au maximum). Suivant nos estimations, l'apport continental efficace permet d'envisager une source d'émission par le manteau neigeux du plateau. Celle-ci constitue une source secondaire relativement faible en été (10%) mais domine le budget hivernal (70%). Notre exercice de modélisation sur l'échelle saisonnière et journalière souligne la nécessité d'associer les processus en phase gaz avec les flux d'émission par la neige et de dépôt afin de reproduire correctement les observations.
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Baduel, C. (2010). Fraction organique de l'aérosol : caractérisation et origine de la fraction HUmic LIke. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier - Grenoble 1, Grenoble.
Abstract: Les aérosols atmosphériques sont omniprésents dans l'air et jouent un rôle important à la fois à l'échelle globale, par leur action sur le bilan radiatif de la Terre, et à l'échelle locale, par leur impact sur la santé publique dans les zones fortement polluées. La matière organique est l'un des constituants principaux de l'aérosol ; la complexité et l'hétérogénéité de cette fraction ont jusqu'à présent constitué des difficultés majeures à leur intégration dans les études d'impact sanitaire ou climatique. 10 à 30% de la masse de cette fraction est constituée de « Humic Like Substances ». L'objectif de la thèse est de développer une méthode fiable et efficace d'extraction et d'analyse des HULIS (HUmic LIke Substances) issus de l'aérosol atmosphérique, et de déterminer leurs distributions spatiales et temporelles, leurs sources majeures et leurs structures chimiques grâce à 250 échantillons collectés sur six sites urbains. L'identification des deux sources majeures des HULIS sur l'aérosol, à savoir les sources secondaires (photo-oxydation en phase aqueuse dans certains cas) en été et les sources primaires liées à la combustion de biomasse en hiver, et ce, indépendamment du lieu géographique est démontrée. Une différence significative de la structure chimique des HULIS provenant de ces deux sources majeures est observée : ils regroupent des composés plus aliphatiques et moins aromatiques en été qu'en hiver, et leur teneur en groupements carboxyliques augmente de l'hiver à l'été.
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Buiron, D. (2010). Dynamique climatique côtière en région antarctique au cours des 50 000 dernières années. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier - Grenoble 1, Grenoble.
Abstract: Le réchauffement climatique enregistré depuis le début du siècle, et imputé en grande partie à la production massive de gaz à effets de serre par les activités anthropiques, se traduit par différentes réponses du système climatique terrestre. Les projections pour l'évolution climatique future requièrent l'utilisation de modèles, dont la fiabilité dépend en partie des tests conduisibles sous des conditions aux limites variables. Afin de contraindre les paramètres mal connus de ces modèles, l'étude des climats du passé constitue un moyen adapté. Le projet TALDICE de forage dans la glace prend place dans ce contexte général. Son objectif principal vise à enrichir notre connaissance de la variabilité climatique passée enregistrée sur le continent antarctique, en focalisant plus particulièrement sur les disparités régionales et le comportement des régions situées en bordure du plateau est-antarctique, notamment lors de variations rapides du climat. Le forage glaciaire profond TALDICE a été conduit à Talos Dome, en Terre de Victoria, près de la Mer de Ross. Dans ce travail de thèse nous nous sommes attelés à la construction d'une échelle d‘âge précise pour la carotte TALDICE, en nous appuyant, dans un premier temps, sur l'analyse du méthane et des isotopes de l'air contenu dans les bulles incluses au sein de la matrice glaciaire, et dans un second temps, sur l'utilisation de divers modèles de datation, dont une nouvelle méthode inverse optimisant la cohérence entre les marqueurs stratigraphiques et les contraintes glaciologiques. L'échelle d'âge TALDICE-1 ainsi édifiée a permis 1) de montrer que l'enregistrement climatique de la carotte était exploitable sans hiatus jusqu'à un âge de 250.000 ans avant notre ère, 2) de discuter les relations de phase des évènements climatiques rapides observés durant la dernière déglaciation et la fin de la période glaciaire (stade isotopique marin n°3) entre TALDICE et d'autres carottes de glace issues des deux hémisphères. Une analyse multi-proxies, accompagnéee par l'exploitation de simulations d'un modèle de climat global couplé océan-atmosphère (le modèle IPSL-CM4), nous a permis de conclure 1) à la synchronicité du signal climatique de TALDICE avec ceux des autres régions antarctiques lors des variations rapides de température, étendant ainsi à cette région l'empreinte du mécanisme de bascule bipolaire lors des variations climatiques rapides, 2) à l'observation de disparités régionales dans les taux de changement de la température entre les différents secteurs de l'Océan Austral, probablement gouvernées par des variations locales du couvert de glace de mer, ainsi que de l'intensité et de la localisation des vents zonaux. Nous concluons à une sensibilité accrue du secteur atlantique de l'Océan Austral lors des variations globales de température par rapport au secteur indien.
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Courteaud, J. (2010). Etude du cycle global du mercure à travers sa composante gazeuse Hg° : de la réactivité de surface à la reconstruction des atmosphères passées. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier - Grenoble 1, Grenoble.
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de Fleurian, B. (2010). Développement d'un modèle d'hydrologie sous-glaciaire dédié à la simulation du glissement basal des glaciers. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier - Grenoble 1, Grenoble.
Abstract: La modélisation de la dynamique glaciaire passe par la compréhension et la reproduction des processus physiques responsables des déplacements observés à la surface des glaciers. Certains de ces processus, et en particuliers ceux qui oeuvrent à la base des glaciers, sont moins bien maîtrisés. Ainsi, même si le glissement à la base des glaciers à été observé dès le début du XXe siècle sa modélisation reste un problème actuel. La majorité des modèles de dynamiques glaciaires utilisent des lois de frottement uniquement basées sur la contrainte basale tangentielle pour déterminer les vitesses de glissement. Il est alors nécessaire de faire varier en temps et en espace le paramètre de la loi de frottement pour obtenir un champ de vitesse comparable aux données mesurées. Par ailleurs, de nombreuses études ont montré que la pression et donc le volume d'eau à la base des glaciers jouait un rôle important sur la vitesse de glissement des glaciers. L'objectif de cette thèse est de mettre en place un modèle capable de calculer la pression d'eau à la base des glaciers et de le coupler à un modèle d'écoulement glaciaire par l'intermédiaire d'une loi de frottement. On utilise pour cela une approche utilisant des milieux poreux analogues représentant les deux composantes (inefficace et efficace) du système de drainage. Les expériences de sensibilité présentées montrent que cette méthode permet de reproduire les spécificités d'un système de drainage sous-glaciaire. Enfin, la reproduction qualitative d'un phénomène glaciologique extrême de jökulhlaup (vidange de lac sous-glaciaire) a permis de vérifier la robustesse du modèle.
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Dumont, M. (2010). Détermination de l'albédo des surface enneigées par télédétection. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier - Grenoble 1, Grenoble.
Abstract: L'albédo, fraction de rayonnement réfléchi dans le spectre solaire, est une variable clef du bilan énergétique des surfaces enneigées et englacées. Cette grandeur possède une forte variabilité spatio-temporelle ce qui fait de la télédétection un outil adapté pour son étude. L'albédo dépend à la fois des propriétés physiques du milieu considéré et des caractéristiques du rayonnement incident. Les différentes grandeurs liées à l'albédo sont fonction des domaines angulaires et spectraux des radiations considérées. Les mesures de répartition angulaire du rayonnement réfléchi par la neige ont montré que l'hypothèse lambertienne pouvait conduire à des erreurs non négligeables lors de la détermination de l'albédo par télédétection. La connaissance des caractéristiques de la répartition angulaire du rayonnement réfléchi par la neige permet de développer une nouvelle méthode de détermination de l'albédo en zones montagneuses. Cette méthode prend en compte les effets liés à la forte variabilité topographique des terrains de montagne, à l'anisotropie du rayonnement réfléchi par la neige et par la glace ainsi que les variations spectrales de l'albédo en fonction des propriétés physiques de la surface. Elle a été appliquée à deux types de données : des photographies terrestres visibles et proche infrarouges (résolution spatiale 10 m) et des images MODIS (résolution spatiale 250 m). L'incertitude sur la valeur de l'albédo ainsi déterminée est évaluée à ±10% grâce aux mesures de terrain effectuées sur le glacier de Saint Sorlin (massif des Grandes Rousses, France). L'étude des cartes d'albédo issues de dix années (2000-2009) d'images MODIS montre qu'il n'y a pas de décroissance marquée de la valeur de l'albédo en zone d'ablation au contraire de ce qui a été prouvé pour le glacier du Morteratsch (Suisse). De plus, il existe une corrélation très élevée entre la valeur minimale de la moyenne de l'albédo sur le glacier, i.e. l'albédo moyen du glacier le jour où la ligne de neige est proche de la ligne d'équilibre, et la valeur du bilan de masse annuel spécifique. L'assimilation des données d'albédo obtenues grâce aux images MODIS et aux photographies terrestres dans le modèle de neige CROCUS permet une bonne estimation du bilan de masse spatialisé du glacier de Saint Sorlin (rmse=0.5 m w.e. pour les cinq années hydrologiques étudiées). Les forçages météorologiques utilisés pour cette étude sont de moyenne échelle. L'analyse succincte de la contribution des différents flux atmosphériques au bilan d'énergie de surface montre qu'en zone d'ablation comme en zone d'accumulation, le bilan radiatif net courtes longueurs d'ondes constitue la source principale d'énergie et que la variabilité de ce flux explique la majeure partie de la variabilité journalière de la somme des flux atmosphériques. Appliquées à d'autres glaciers, ces méthodes permettraient de savoir si les conclusions établies pour notre seul glacier d'étude sont valables pour d'autres glaciers. Elles rendraient également possibles la reconstruction du bilan de masse spatialisé sur 10 ans d'autres glaciers et potentiellement une meilleure quantification des processus physiques mis en jeu dans le bilan de masse de ces glaciers tempérés.
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Gallet, J. C. (2010). La neige du plateau antarctique. Surface spécifique et applications. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier, Grenoble 1, Grenoble.
Abstract: La neige est la surface terrestre la plus réfléchissante et sa présence sur de vastes étendues comme l'Antarctique affecte considérablement le bilan énergétique de la Terre. L'albédo de la neige dépend de ses propriétés physiques, et notamment de sa surface spécifique, c'est-à-dire de la surface totale de ce milieu poreux accessible aux gaz, par unité de masse. La surface spécifique (SS) est également une variable importante pour la chimie des interactions neige-atmosphère, car elle permet de quantifier les molécules adsorbées. Cependant, faute de méthodes simples pour la mesurer, la SS de la neige antarctique a été très peu étudiée. Un des objectifs de ce travail a été de concevoir et de mettre au point un nouveau dispositif expérimental pour mesurer la SS de la neige à partir de sa réflectance dans l'infra-rouge. Ce dispositif permet une mesure rapide avec une précision de 10 % et il est facile à mettre en œuvre dans les conditions hostiles des régions polaires. Nous avons ainsi réalisé les premières mesures de SS de la neige de surface sur le plateau Antarctique, à Dôme C (DC) et sur le trajet entre DC et la base côtière de Dumont D'Urville (DDU). Ces mesures ont été effectuées dans des puits d'environ un mètre de profondeur. Des suivis de l'évolution journalière de la SS ont également été réalisés. Il a été mis en évidence que les propriétés physiques de la neige sont spatialement inhomogènes à l'échelle de quelques mètres sur le plateau Antarctique car l'accumulation y est très faible et le vent remobilise la neige de surface, pour la redéposer en couches discontinues. Des hétérogénéités sont aussi observées entre DC et DDU, à cause notamment de l'augmentation de la vitesse du vent lorsque l'on se rapproche de la côte. A l'échelle journalière, les variations de la SS de la neige observées pour les deux premiers centimètres du manteau neigeux s'expliquent par la formation de givre de surface la nuit et de cristaux de sublimation le jour. Toutes ces mesures nous ont permis de calculer l'albédo de la neige sur le plateau Antarctique et ses variations journalières. Une étude préliminaire propose une comparaison de ces mesures avec des observations satellitales et les premiers résultats sont très encourageants quant à la possibilité de déterminer la SS de la neige depuis l'espace.
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Girard, L. (2010). Vers un nouveau cadre de modélisation rhéologique de la banquise. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier - Grenoble 1, Grenoble.
Abstract: Fine couche de glace flottant à la surface des océans polaires, la banquise est un objet dynamique qui joue un rôle clé dans le système climatique. Isolant l'océan de l'atmosphère, la banquise contrôle par l'intermédiaire de l'épaisseur de glace et de la fraction d'eau libre les flux d'énergie entre ces deux milieux, et ce de manière fortement non linéaire : dans une banquise dont 0.5% de la surface est constituée de fractures, 50% des flux de chaleur s'effectuent le long de ces fractures. Il apparait donc essentiel de mieux comprendre et modéliser les processus de déformation et de rupture de la banquise. Dans la première partie de ce travail, le cadre de modélisation mécanique actuellement utilisé dans les modèles de banquise, la rhéologie Visqueuse-Plastique (VP), est évalué sur la base des propriétés statistiques et propriétés d'échelle des vitesses de dérive et de déformation de la banquise. Ces propriétés jouent un rôle important pour les flux de chaleur air-mer et la production de glace, d'autre part elles peuvent être considérées comme une empreinte du comportement mécanique de la banquise. Cette évaluation met en évidence les limitations du cadre de modélisation VP et notamment son incapacité à reproduire les propriétés de déformation de la banquise. Cela suggère que la rhéologie VP n'est pas adaptée à la modélisation de la banquise. Le nouveau cadre de modélisation mécanique developpé au cours de cette thèse fait l'hypothèse que la déformation de la banquise est principalement accommodée par fracturation et glissement le long de failles (comportement fragile) sur une vaste gamme d'échelles (transmission de contraintes à grande distance). Dans ce nouveau modèle, baptisé la rhéologie Elasto-Fragile (EB), la banquise est considérée comme une plaque solide élastique, permettant les interactions à grande distance, associée à une loi d'endommagement progressive, décrivant un comportement fragile. Le modèle EB est premièrement utilisé pour mener une étude fondamentale sur la rupture dans les matériaux hétérogènes. Une divergence de la longueur de corrélation est mise en évidence à partir des fonctions de corrélation des évènements d'endommagement ainsi que par l'analyse d'échelle du champ de déformation. Les propriétés d'échelles du champ de déformation qui émergent à l'approche de la rupture sont proche de celles observées pour la déformation fragile des objets géophysiques tel que la banquise ou la croûte terrestre. Ces résultats soutiennent l'analogie entre rupture et point critique. Une application idéalisée de la rhéologie EB à la banquise Arctique, adaptée à des simulations courtes (3 jours), est présentée. Les propriétés statistiques et propriétés d'échelle obtenues pour la déformation simulée sont comparables à celles obtenues pour la banquise. Ces premiers résultats prometteurs soutiennent que les propriétés de déformation de la banquise émergent du comportement mécanique élasto-fragile de la banquise et motivent l'implémentation de la rhéologie EB dans les modèles globaux de banquise. Sur des périodes de temps plus longues, l'effet du regel des failles et fractures présentent au sein de la banquise doit être pris en compte. Une loi de cicatrisation décrivant ce processus est présentée ainsi que des résultats préliminaires de simulations prenant en compte cet aspect. Finalement, une méthodologie pour l'implémentation de la rhéologie EB dans un modèle global de banquise est présentée.
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Larose, C. (2010). Interactions entre composition chimique et populations microbiennes de la neige : Quelles sont les conséquences sur le cycle du mercure en Arctique ? Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier - Grenoble 1, Grenoble.
Abstract: L'objectif principal de cette thèse est de caractériser les interactions entre la composition chimique et la structure des communautés microbiennes dans un manteau neigeux arctique. Une attention toute particulière est portée au mercure, dont le cycle biogéochimique complexe est encore mal connu. Avant toute chose, les fractions biotiques et abiotiques d'un manteau neigeux saisonnier doivent être caractérisées. A partir d'échantillons de neige et d'eau de fonte prélevés au cours d'une étude de deux mois en 2007 à Ny-Ålesund, nous avons montré que la diversité des séquences est élevée et nous avons également examiné le devenir du mercure, depuis son dépôt au cours des phénomènes de déplétions jusqu'à son transfert lors de la fonte des neiges. Les résultats de cette campagne ont souligné la nécessité d'améliorer nos connaissances sur la spéciation du mercure et ont conduit à l'élaboration d'un biocapteur mer-lux pour mesurer la fraction biodisponible de mercure, déployé lors d'une seconde campagne de deux mois au printemps 2008. En parallèle à l'analyse chimique, nous avons suivi les changements dans la structure des communautés microbiennes présentes dans les échantillons de neige et d'eau de fonte. Nous avons enfin exploré l'effet de la contamination au mercure sur la fonction de la communauté et démontré que le méthylmercure affecte la structure des communautés ainsi que sa fonction à des concentrations beaucoup plus faibles que précédemment rapportées. Nos résultats fournissent une base pour de nouvelles études sur l'interaction entre la composition chimique, la présence de contaminants anthropiques et la structure des communautés microbiennes.
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Marusczak, N. (2010). Etude du transfert du mercure et du méthylmercure dans les écosystèmes lacustres alpin. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier - Grenoble 1, Grenoble.
Abstract: Le mercure, polluant toxique pour les êtres vivants est présent dans tous les compartiments de l'environnement. Son cycle biogéochimique est encore mal connu, et des lacunes existent, notamment dans les sites de hautes altitudes comme les Alpes françaises. Au cours de ces travaux, nous avons examiné la dynamique du mercure dans les écosystèmes lacustres alpins, par l'étude du transfert de ce polluant entre les différents réservoirs que sont la neige (bassin versant), l'eau des lacs, et les poissons. Par des échantillonnages réguliers (janvier à juin 2009) de la neige de surface du lac Bramant, nous montrons que le manteau neigeux est le siège de processus de dépôts atmosphériques de mercure et de méthylmercure provenant des sources anthropiques de la région de Grenoble. Nous montrons également qu'une proportion de ces espèces rejoint le lac notamment lors de la fonte du manteau neigeux. Cependant, elles s'avèrent rapidement évacuées du lac en raison d'un fort et rapide renouvellement de ces eaux. Par ailleurs, la caractéristique spécifique (peu de végétation, grande minéralité) de ces bassins versants d'altitude explique également les faibles quantités de mercure présentes dans ces lacs. La faible contamination en mercure retrouvée dans les poissons de ces lacs est certainement due notamment à un faible temps de séjour du mercure dans l'eau. Enfin, grâce à un outil de prédiction et d'aide à la décision (WARMF), nous suggérons que les paramètres essentiels gouvernant la méthylation du mercure et la contamination des poissons dans nos lacs ne sont pas les dépôts atmosphériques mais plutôt les caractéristiques physico-chimiques du lac et de son bassin versant
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Vincent, C. (2010). L'impact des changements climatiques sur les glaciers alpins. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier - Grenoble 1, Grenoble.
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2009 |
Brucker, L. (2009). Modélisation de l'émission micro-onde du manteau neigeux: applications en Antarctique et au Québec. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier - Grenoble 1, grenoble.
Abstract: La cryosphère a un rôle essentiel dans le système climatique entre autre parce qu'elle réfléchit une fraction importante de l'énergie solaire parvenant à la surface de la Terre et qu'elle contient une grande quantité d'eau douce sous forme solide. Du fait de la grande sensibilité de la cryosphère aux variables climatiques comme la température et les précipitations, les différents éléments de la cryosphère, tels que la calotte polaire Antarctique et la neige saisonnière dans les régions subarctiques, sont des indicateurs du changement climatique global. Toutefois, nos connaissances des régions polaires restent limitées par un manque d'observation in situ qui s'explique par l'isolement de ces régions et les conditions météorologiques difficiles. L'analyse de ces observations éparses peut être renforcée grâce à la télédétection spatiale et ainsi réduire les incertitudes sur les tendances climatiques observées aux hautes latitudes. En effet, la télédétection permet des observations continues et à grande échelle des régions polaires et subpolaires.
La télédétection passive, en particulier dans le domaine spectral des micro-ondes, est adaptée à l'interprétation et au suivi des propriétés physiques du manteau neigeux. Effectivement, le rayonnement micro-onde émane du sol ou du manteau neigeux lui-même, puis se propage jusqu'à la surface. Ainsi, le rayonnement émergeant contient de l'information sur les variations verticales des propriétés de la neige, telles que la température ou les propriétés de microstructure (taille de grains et densité). Ces trois propriétés de la neige déterminent l'émission micro-onde d'un manteau sec. Lorsqu'il est humide, la teneur en eau liquide devient par contre la propriété dominant l'émission. Les évolutions temporelles et les variations verticales de ces différentes propriétés sont définies par la métamorphose. Leur lien avec l'émission micro-onde est considéré dans le transfert radiatif.
Cette thèse a pour objectif d'expliquer l'émission micro-onde de la neige par voie de modélisation afin de comprendre l'évolution des principales propriétés physiques de la neige. Le transfert radiatif dans la neige a été calculé avec les modèles multicouches Microwave Emission Model of Layered Snowpacks (MEMLS) et MultiLayered Dense Media Radiative Transfer (DMRT-ML), s'appuyant sur des approches respectivement semi-empirique et théorique. Les profils stratigraphiques de la neige utilisés en entrée ont été mesurés, estimés de façon aléatoire, modélisés avec une relation simple de la métamorphose ou avec le modèle d'évolution thermodynamique de la neige Crocus.
Ces modèles et approches ont été appliqués sur deux types de manteau neigeux, permanent en Antarctique et saisonnier au Québec. Dans le premier cas, l'évolution temporelle de la température de brillance a été modélisée localement, à Dôme C, à partir de mesures in situ des propriétés de la neige. Dans cette approche, l'émissivité est modélisée à partir de mesures et reste par conséquent applicable localement. Pour modéliser l'émissivité à l'échelle de l'Antarctique, différents profils synthétiques de taille de grains et de densité ont été testés. Dans tous les cas, la variation verticale de la taille de grains est apparue déterminante pour prévoir l'émissivité en polarisation verticale. Cette sensibilité a été exploitée pour estimer à l'échelle du continent cette variable glaciologique importante. Le profil de densité et les propriétés de surface déterminent quant à eux l'écart entre les polarisations verticale et horizontale.
L'émission micro-onde d'un manteau saisonnier au Québec a également été abordée. La spécificité de l'étude est de prévoir l'évolution temporelle de la température de brillance avec un modèle d'évolution thermodynamique de la neige couplé à un modèle de transfert radiatif micro-onde, ici Crocus-MEMLS. Cette approche a permis d'interpréter finement l'évolution temporelle des températures de brillance mesurées avec un radiomètre au sol et de mettre en doute certaines relations physiques du modèle Crocus. Les résultats ont mis en évidence la complexité du signal micro-onde pour des manteaux évoluant rapidement à des températures proches du point de fusion.
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Colleoni, F. (2009). La glaciation de la fin du Saalien (160 – 140 ka): modélisation du climat. Ph.D. thesis, UIniversité Joseph Fourier - Grenoble 1, Grenoble.
Abstract: Ce travail se concentre essentiellement sur le glaciation de la fin du Saalien (160 -140 ka) en Eurasie. Les résultats du projet Quaternary Environment of the Eurasian North montrent que durant cette période, la calotte Eurasienne était plus grosse que durant le Dernier Maximum Glaciaire (LGM, 21 ka). Les paramètres orbitaux de ces deux périodes étaient différents alors que les concentration de gaz à effet de serre étaient identiques. Afin de comprendre comment cette calotte a pu atteindre cette taille en Eurasie durant la fin du Saalien, nous avons utilisé un modèle de circulation générale atmosphérique (AGCM), un AGCM couplé à une couche mixte océanique ainsi qu'un modèle de végétation pour explorer l'influence des paramètres régionaux, des températures de surface océaniques et des paramètres orbitaux sur le bilan de masse en surface (SMB) de cette calotte Saalienne.
A 140 ka, les lacs proglaciaires, la végétation et les températures océaniques simulées refroidissent le climat régional, diminuant l'ablation le long des marges Sud. Les dépôt de poussière au contraire, réchauffent le climat. La présence d'un ice-shelf dans l'Océan Arctique durant le MIS 6 n'affecte pas le SMB de la calotte eurasienne. Selon les données géologiques, la calotte Saalienne avait atteint sa taille maximale avant 160 ka. L'insolation d'été dans les hautes latitudes montre un pic très net vers 150 ka. La climat simulé avant 140 ka est plus humide et l'ablation le long des marges sud est plus importante bien que le SMB reste positif. La calotte Saalienne semble avoir été suffisamment grosse pour générer son propre refroidissement régional et se maintenir en Eurasie jusqu'à la Terminaison II (130 ka).
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Lemieux, B. (2009). Conjonction de données et de modèles pour la datation des forages profonds d'Antarctique et du Groenland. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier - Grenoble 1, Grenoble.
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Magand, O. (2009). Bilan de Masse de Surface Antarctique : Technique de mesure et analyse critique. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier - Grenoble 1, Grenoble.
Abstract: Les régions polaires représentent actuellement les régions mondiales où les changements liés au réchauffement climatique se manifestent de manière particulière et souvent spectaculaire. Notre capacité actuelle à comprendre les modes naturels de la variabilité climatique dans ces zones, ainsi que les impacts directs ou indirects de l'activité anthropique sur ces modes, reste encore relativement limitée. Ainsi, la nappe glaciaire Antarctique et ses composantes (atmosphère, océan, glace de mer) restent encore mal représentées dans les modèles climatiques actuels, contribuant notamment à de fortes incertitudes sur les projections climatiques futures et l'évolution associée du niveau des océans. La poursuite des études sur l'équilibre ou non (et l'évolution future) du bilan de masse (surface et total) des différents secteurs du continent Antarctique, par rapport au réchauffement climatique actuel, s'avère donc primordiale. Dans le cadre de ce manuscrit, je propose de contribuer à réduire les incertitudes du Bilan de Masse de Surface (BMS) Antarctique, permettant d'aborder une optimisation de la cartographie actuelle de ce dernier que ce soit avec les modèles climatiques ou les cartes d'interpolation de BMS.
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Hennebelle, R. (2008). Study of the microbial component in the mercury cycle in polar area. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier, Thèse de doctorat de l'Université Joseph Fourier, Grenoble.
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Lourantou, A. (2008). Constraints on the carbon dioxide (CO2) deglacial rise based on its stable carbon isotopic ratio (13CO2). Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier - Grenoble 1, Grenoble.
Abstract: Ce travail de thèse est basé sur la mesure du dioxyde de carbone, CO2, et de son isotopologue stable δ13CO2 dans les bulles d'air emprisonnées dans la glace polaire (carotte EPICA Dome C en Antarctique, EDC). On s'intéresse aux transitions rapides entre périodes glaciaires et interglaciaires. Le δ13CO2 permet de départager l'origine du CO2 entre les sources océaniques ou terrestres.
Cette étude documente à haute résolution temporelle l'évolution du CO2 et du δ13CO2 pendant les deux dernières déglaciations. La dernière déglaciation est caractérisée par une augmentation en CO2 de 80 ppmv, accompagnée par une diminution en δ13CO2 de 0.6 ‰. Des amplitudes plus importantes sont observées durant la pénultième déglaciation (+110 ppmv CO2, accompagnés pas une diminution en δ13CO2 de 0.9 ‰).
Les mesures, interprétées avec deux modèles du cycle du carbone (BOXKIT et BICYCLE) sont cohérentes avec le scénario suivant. Dans un premier temps, un réchauffement de l'hémisphère sud initie une augmentation du CO2 atmosphérique. Ceci entraîne une réorganisation biologique et physique de l'océan austral qui diminue le δ13CO2. Enfin, cette réorganisation se propage vers le nord avec un impact retardé de la biosphère continentale, pendant le Bølling/Allerød (B/A).
Ces résultats obtenus pour la première fois dans la carotte EDC, ont permis de proposer un scénario sur les causes des déglaciations. Une série de tests, basée sur des glaces de différentes propriétés a fourni une validation de notre méthode d'extraction.
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Morin, S. (2008). Analyse de la composition isotopique de l'ion dans la basse atmosphère polaire et marine. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier, Thèse de doctorat de Paris-Est, Grenoble.
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2007 |
Capolo, L. (2007). Contribution à l'étude des hétérogénéités de déformation viscoplastique de la glace Ih mono et multi cristalline : essais de compression in-situ sous rayonnement X. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier, Thèse de doctorat de l'Université Joseph Fourier, Grenoble.
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Castebrunet, H. (2007). Soufre atmosphérique et changements climatiques : une étude de modélisation aux moyennes et hautes latitudes sud. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier, Thèse de doctorat de l'Université Joseph Fourier, Grenoble.
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Fain, X. (2007). Soixante années d'évolution des concentrations atmosphériques en mercure élémentaire gazeux reconstruites grâce aux archives glaciaires du Groënland. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier, Thèse de doctorat de l'Université Joseph Fourier, Grenoble.
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Gential, L. (2007). Modélisation du bilan de masse en surface de la calotte glaciaire antarctique. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier, Thèse de doctorat de l'Université Joseph Fourier, Grenoble.
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Jourdain, N. (2007). Simulations climatiques régionales couplées atmosphère-océan-glace de mer en Antarctique. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier, Thèse de doctorat de l'Université Joseph Fourier, Grenoble.
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Marteel, A. (2007). Past natural changes in trace elements, rare earth elements (REE), mercury and PB isotopes in the EPICA/DOME C ice core (east Antarctica) from 263,000 to 671,000 Yrs BP. Ph.D. thesis, Univeristé Joseph Fourier / Universita degli studi di Siena / Universita Ca'Foscari di Venezia, Thèse de doctorat de l'Université Joseph Fourier/ Universita degli studi di Siena / Universita Ca'Foscari di Venezia, Grenoble/Sienne/Venise.
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Schaefer, M. (2007). Modélisation de l'écoulement des glaciers tempérés. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier, Thèse de doctorat de l'Université Joseph Fourier, Grenoble.
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2006 |
Baroni, M. (2006). Etude des anomalies isotopiques du soufre et de l'oxygène dans le sulfate d'origine volcanique enregistré dans les archives glaciaires. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier, Thèse de doctorat de l'Université Joseph Fourier, Grenoble.
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Gillet-Chaulet, F. (2006). Modélisation de l'écoulement de la glace polaire anisotrope et premières applications au forage Dôme C. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier, Thèse de doctorat de l'Université Joseph Fourier, Grenoble.
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Peyaud, V. (2006). Rôle de la dynamique des calottes glaciaires dans les grands changements climatiques des périodes glaciaires-interglaciaires. Ph.D. thesis, Université Joseph Fourier, Thèse de doctorat de l'Université Joseph Fourier, Grenoble.
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Richeton, T. (2006). Dynamique et complexité de la déformatioin plastique : étude par émission accoustiqueThèse de Doctorat de l'INPG. Ph.D. thesis, , .
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Taillandier, A. - S. (2006). Evolution de la surface spécifique de la neige.Etudes expérimentales et de terrain, paramétrisationThèse de doctorat de l'Université Joseph Fourier Spécialité : STU. Ph.D. thesis, , .
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2005 |
Aymoz, G. (2005). Etude le fraction carbonée de l'aérosol atmosphèrique à Chamonix et St Jean de Maurienne : évolutions saisonnières, sources et caractéristiques chimiquesThèse de doctorat de l'Université Joseph Fourier Spécialité : STU. Ph.D. thesis, , .
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Gauchard, P. - A. (2005). Etude d'un processus singulier d'oxydation du mercure en zone polaire : les “ Atmospheric Mercury Depletion Events ”.Thèse de doctorat de l'Université Joseph Fourier. Spécialité : TUE. Ph.D. thesis, , .
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Gerbaux, M. (2005). Reconstruction du bilan de masse des glaciers alpins et impact d'un changement climatiqueThèse de doctorat de l'Université Joseph Fourier Spécialité : TUE. Ph.D. thesis, , .
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Mialon, A. (2005). Etude de la variabilité climatique dans les hautes latitudes nord dérivées d'observation satellites micro-ondes.Thèse de doctorat de l'Université Joseph Fourier Spécialité : TUE en cotutelle avec l'université de Sherbrooke au Québec. Ph.D. thesis, , .
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Rabatel, A. (2005). Chronologie et interprétation paléoclimatique des fluctuations glaciaires dans les Andes de Bolivie (16°S) depuis le maximum du Petit Age Glaciaire (17ème siècle), Thèse de l'Université Joseph Fourier, Grenoble 1, soutenue le 23 septembreThèse de l'Université Joseph Fourier, Grenoble 1. Ph.D. thesis, , .
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Sturm, K. (2005). Modélisation régionale du cycle des isotopes de l'eau au-dessus des Andes Tropicales-comparaison aux enregistrements glaciairesThèse de doctorat de l'Université Joseph Fourier Spécialité : TUE. Ph.D. thesis, , .
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2004 |
Bellier, B. (2004). Etude des variations du cycle du carbone au cours de l'Holocene à partir de l'analyse couplée CO2 -CH4 piégés dans les glaces polairesThèse de Doctorat de l'Université Joseph-Fourier, Grenoble 1. Ph.D. thesis, , .
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Bernard, S. (2004). Evolution temporelle du méthane et du protoxyde d'azote dans l'atmosphère : contrainte par l'analyse de leurs isotopes stables dans le névé et la glace polairesThèse de Doctorat de l'Université Joseph-Fourier, Grenoble 1. Ph.D. thesis, , .
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Bonnaveira, H. (2004). Etude des phénomènes de dépôt et post-dépôt de la neige andine sur un site tropical d'altitude, Illimani, Bolivie, 6340 m, en vue de l'interprétation d'une carotte de glaceThèse de Doctorat de l'Université Joseph-Fourier, Grenoble 1. Ph.D. thesis, , .
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Durand, G. (2004). Microstructure, recristallisation et déformation des glaces polaires de la carotte EPICA, Dome Concordia, AntarctiqueThèse de l'Université Joseph-Fourier, Grenoble 1. Ph.D. thesis, , .
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Ferron, F. A. (2004). Isotopie du Soufre (34S/ 32) dans l'aérosol d'Australie et les Neiges et Glaces des Andes et d'Antarctique – Contribution à la Compréhension du Cycle du Soufre dans l'Hémisphère SudThèse de Doctorat de l'Université Joseph-Fourier, Grenoble 1. Ph.D. thesis, , .
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Lhomme, N. (2004). Modelling water isotopes in polar ice sheetsThèse de Doctorat de l'Université Joseph-Fourier, Grenoble 1 et l'Université de British Columbia. Ph.D. thesis, , .
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Delmonte, B. (2003). Quaternary variations and origin of continental dust in east AntarcticaThèse de Doctorat de l'Université Joseph-Fourier, Grenoble 1. Ph.D. thesis, , .
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Dommergue, A. (2003). Dynamique du mercure dans les neiges de hautes et moyennes latitudes : études in situ et en conditions simulées des mécanismes de réactivité chimique et d'échangesThèse de Doctorat de l'Université Joseph-Fourier, Grenoble 1. Ph.D. thesis, , .
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Legagneux, L. (2003). Evolution de la microphysique du manteau neigeux. Surface spécifique et métamorphismeThèse de l'Université Joseph-Fourier, Grenoble 1. Ph.D. thesis, , .
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Poutou, E. (2003). Etude numérique du rôle des interactions entre la surface et l'atmosphère dans le cadre d'un changement climatique aux hautes latitudes nordThèse de Doctorat de l'Université Joseph-Fourier, Grenoble 1. Ph.D. thesis, , .
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Aballain, O. (2002). Reconstruction de l'évolution passée du rapport isotopique 13C/12C du methane atmosphérique, à partir de l'analyse de l'air extrait du neve polaireThèse de l'Université Joseph-Fourier, Grenoble 1. Ph.D. thesis, , .
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Cabanes, A. (2002). Microphysique du manteau neigeux. Evolution de la surface spécifique de la neige dans les Alpes et l'Arctique. Impact sur la chimie atmosphériqueThèse de l'Université Joseph-Fourier, Grenoble 1. Ph.D. thesis, , .
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Cosme, E. (2002). Cycle du soufre des moyennes et hautes latitudes Sud dans un modèle de circulation générale atmosphériqueThèse de l'Université Joseph-Fourier, Grenoble 1. Ph.D. thesis, , .
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Parrenin, F. (2002). Datation glaciologique des forages profonds en Antarctique et modèlisation conceptuelle des paléoclimats : implications pour la théorie astronomique des paléoclimatsThèse de l'Université Joseph-Fourier, Grenoble 1. Ph.D. thesis, , .
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Perrier, S. (2002). Aldéhydes et cétones dans l'environnement : de la phase gaz à la phase condenséeThèse de l'Université Joseph-Fourier, Grenoble 1. Ph.D. thesis, , .
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Sellegri, K. (2002). Etude du processus d'activation des gouttelettes de nuage : implications en chimie multiphasesThèse de l'Université Joseph-Fourier, Grenoble 1 et de l'Université Blaise Pascal, Clermont-Ferrand. Ph.D. thesis, , .
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Doute, S. (1998). Modélisation numérique de la réflectance spectrale des surfaces glacées du Système Solaire. Application à l’analyse des spectres de Triton et Pluton et au traitement d’images hyperspectrales NIMS de Io. Ph.D. thesis, UJF-Grenoble 1, Grenoble.
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Bouziani, N. (1996). Elaboration d’un modèle thermo-dynamique de la matière cométaire : contribution à l’étude physico-chimique des milieux poreux hétérogènes. Ph.D. thesis, UJF-Grenoble 1, Grenoble.
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Trotta, F. (1996). Détermination des constantes optiques de glaces dans l’infrarouge moyen et lointain. Application aux grains du milieu interstellaire et des enveloppes circumstellaires. Ph.D. thesis, UJF-Grenoble 1, Grenoble.
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Petit, J. - R. (1972). Bilans annuels, transformation du névé en glace, teneur en eau de la glace profonde (Vallée Blanche supérieure, Massif du Mont-Blanc)Thèse de 3e cycle de l'Université Scientifique et Médicale de Grenoble. Ph.D. thesis, , .
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Sagnol, R. (1972). Ensemble de comptage pour l'analyse du Si 32 dans la glaceThèse de 3e cycle de l'Université Scientifique et Médicale de Grenoble. Ph.D. thesis, , .
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1971 |
Boutron, C. F. (1971). Contribution à la chimie des neiges de l'Antarctique. Détermination d'éléments trace au niveau p.p.b. par spectrométrie d'absorption atomiqueThèse de 3e cycle de l'Université de Grenoble 1. Ph.D. thesis, , .
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De la Casinière, A. C. (1971). Contribution à l'étude des bilans thermiques au-dessus de la neige à haute et moyenne altitudesThèse de doctorat d' Etat de l'Université Scientifique et Médicale de Grenoble. Ph.D. thesis, , .
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Echevin, M. (1971). Contribution à la chimie des neiges de l'Antarctique. Détermination d'éléments traces par activation neutroniqueThèse de 3e cycle de l'Université de Grenoble 1. Ph.D. thesis, , .
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Garcin, J. P. (1971). Etude de la zone d'ablation du glacier de Saint-Sorlin : bilan de masse et débit solideThèse de 3e cycle de l'Université Scientifique et Médicale de Grenoble. Ph.D. thesis, , .
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Tournier, P. (1971). Analyse de profils de vent relevés au Laboratoire pour l'Etude de la Neige du Col de PorteThèse de 3e cycle (1ère partie) de l'Université de de Grenoble 1. Ph.D. thesis, , .
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Tournier, P. (1971). Caractères du lac du glacier d'ArsineThèse de 3e cycle (2ème partie) de l'Université de de Grenoble 1. Ph.D. thesis, , .
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1970 |
Dupuy, D. (1970). Etude de la glace tempérée à l'aide de mesures thermiques et diélectriquesThèse de doctorat d' Etat de l'Université Scientifique et Médicale de Grenoble. Ph.D. thesis, , .
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Echevin, M. (1970). Prospection gravimétrique du glacier d'ArsineThèse de 3e cycle de l'Université Scientifique et Médicale de Grenoble. Ph.D. thesis, , .
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Martin, S. (1970). Bilan thermique du glacier de Saint-Sorlin (été 1969)Thèse de doctorat d' Etat de l'Université Scientifique et Médicale de Grenoble. Ph.D. thesis, , .
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1968 |
Gluck, S. (1968). Détermination de l'épaisseur du glacier par séismique réflexionDiplôme d'Ingénieur Géophysicien de la Faculté des Sciences de Strasbourg. Ph.D. thesis, , .
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1967 |
Dupont, D. (1967). Mesure du fluage d'un névé par prospection magnétiqueDiplôme d'Etudes Supérieures de l'Université Scientifique et Médicale de Grenoble. Ph.D. thesis, , .
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