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OSUG - Terre Univers Environnement

Variabilité régionale de la densification de la neige polaire lors des transitions climatiques

Soutenance de thèse de Camille Bréant, 17 novembre 2017

par Brice Boudevillain - 17 novembre 2017

Résumé
Le déphasage entre augmentation de température et augmentation de gaz à effet de serre dans l’atmosphère lors des grandes transitions climatiques passées est estimé grâce aux mesures effectuées dans les carottes de glace polaires dans la phase glace pour la température et dans la phase gaz (bulles d’air piégées) pour la concentration en gaz à effet de serre. Ce déphasage est encore mal contraint et, pour résoudre ce problème, il est nécessaire de mieux comprendre le processus mécanique de transformation de neige en glace près de la surface de la calotte (centaine de mètres supérieurs, le névé). En l’absence de fusion, la transformation de la neige (matériau à porosité ouverte en contact avec l’atmosphère) en glace (matériau contenant des bulles d’air isolées) s’effectue progressivement sous l’action des gradients de température près de la surface, puis sous l’action du poids des couches de neige situées au-dessus. Selon les conditions de température et précipitation, ce processus peut prendre quelques décennies à plusieurs millénaires et s’étend sur une centaine de mètres de profondeur. Il contrôle la différence d’âge entre la glace et les gaz qu’elle renferme. La prédiction de la profondeur de piégeage des gaz représente un enjeu majeur pour la paléoclimatologie en particulier sur la séquence des changements relatifs de température et de concentration en gaz à effet de serre.

Un modèle thermo-mécanique de densification de la neige a été conçu et développé au LGGE en intégrant la formulation des processus mécaniques, des propriétés thermiques, et des critères de piégeage des gaz. Les performances de ce modèle peuvent être testées et améliorées grâce à des études de structure de névés actuels (densité, rapport porosité ouverte/fermée, …). Pour les périodes plus anciennes, des mesures d’isotopes des gaz inertes δ15N et δ40Ar) dans l’air piégé dans les carottes de glace polaire permettent d’obtenir des informations directes sur les variations passées de la structure du névé (e.g. épaisseur de la zone diffusive). Les larges divergences observées en Antarctique entre les sorties de modèle de densification et les mesures isotopiques de gaz piégé dans la glace génèrent une grande incertitude sur les reconstructions climatiques passées et comprendre ce désaccord est un défi majeur de la paleoclimatologie actuelle.

Dans le cadre de cette thèse, nous avons pris en compte les influences de la dépendance à la température des énergies d’activation et des impuretés chimiques (poussières) sur la vitesse de densification. Cela a permis de concilier les données et le modèle. Les résultats du modèle modifié sont globalement cohérents avec les profils de densité mesurés pour des névés actuels et les données d’isotopes de gaz inertes pour les déglaciations (aussi appelées terminaisons). Nous avons également présenté de nouvelles mesures à haute résolution de δ15N et δ40Ar pour les terminaisons 2 (129-138 ka) et 3 (243-251 ka) des carottes antarctiques de Dôme C et Vostok. Nous avons montré que les différentes évolutions de δ15N entre les différents sites et différentes déglaciations s’expliquaient largement par les différences de taux d’accumulation qui contrôlent la profondeur de transition neige - glace. Nous avons aussi montré que l’utilisation des isotopes de l’air était un complément important à l’utilisation des isotopes de l’eau pour contraindre la dynamique climatique locale en Antarctique de l’Est lors des déglaciations.

Enfin, comme nous avons montré que les conditions locales de température et d’accumulation, généralement reconstruites par les teneurs isotopiques en Antarctique et la concentration de certaines espèces chimiques, sont des paramètres clefs pour la densification du névé, nous avons exploré comment composition isotopique de l’eau et composition chimique sont liées en Antarctique à la fois lors des déglaciations et à l’échelle journalière grâce à une mission de terrain que j’ai effectuée à la base Antarctique de Dumont d’Urville.