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.

La vapeur d’eau convergeant vers les régions polaires se condense en nuages quiretiennent la chaleur terrestre. Ces nuages donnent lieu à des précipitations, qui adoucissent les océans polaires et épaississent les calottes de glace. Sans changement des vents, le transport de vapeur d’eau est appelé à augmenter dans un climat plus chaud et donc les chutes de neige sur les calottes aussi. Le surplus d’humidité risque cependant de rétroagir sur le réchauffement de surface.Afin de contraindre les projections futures, cette thèse se propose d’évaluer la variabilité actuelle du cycle de l’eau dans les hautes latitudes. Elle s’appuie sur sept réanalyses globales et des observations par radiosondages allant de 1979 à 2013. Leurs biais intrinsèques et les approximations de calcul n’entament pas les conclusions principales de cette étude.En Arctique, mise à part une légère surestimation, le transport d’humidité dans les réanalyses est remarquablement proche des observations, aussi bien dans le temps que dans l’espace. Dans toutes les réanalyses, les vents dominants n’advectent qu’une fraction de la vapeur d’eau, de 6 à 11%, au profit des perturbations. D’après la plupart des sources, évaporation, précipitation et humidité atmosphérique augmentent en accord avec l’élévation des températures. Toutefois, les flux de vapeur d’eau ne suivent pas la loi de Clausius-Clapeyron car humidité et vents sont moins corrélés, notamment près de la surface.En Antarctique, le manque d’observations se fait sentir : la convergence de vapeur d’eau sur la calotte varie de 117 à 156 mm par an selon les réanalyses. Le transport côtier, très variable dans l’espace, résulte de l’alternance entre vents catabatiques et passage de perturbations. Sur la côte, les radiosondages signalent une augmentation significative des flux d’humidité vers le Sud. À l’échelle du continent en revanche, les réanalyses ne font étatde quasiment aucune tendance.Enfin, le rôle des phénomènes météorologiques d’échelle courte est évalué de nouveau, selon plusieurs méthodes. En particulier, les cyclones extratropicaux laissent dans les flux de vapeur d’eau une empreinte caractéristique qui peut être détectée et quantifiée. / The water vapour converging to the polar regions condenses into heat-trappingclouds 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 humidity is not correlatedwith 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 coastalradiosonde 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.

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 (δ15N) 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 (Δ17O) 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 (δ15N, Δ17O et δ18O) 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 Δ17O 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). / Nitrate ions (NO3-) found in Antarctic snows stem from the degradation of nitrogen oxydes (NOx = NO + NO2) in the atmosphere. At sites with low snow accumulation rates such as Vostok or Dome C (East Antarctic plateau), nitrate deposition to the snow is not irreversible and this strongly hampers the interpretation of nitrate concentration records in ice cores. Nitrogen stable isotopic (δ15N) as high as +339‰ were measured in nitrate in the upper firn at Dome C and have been attributed to nitrate photolysis initiating a strong recycling at the snow surface. The oxygen isotopic anomaly (Δ17O) reflects the activity of ozone (O3) in nitrate formation. We present the first comprehensive isotopic analysis of nitrate (δ15N, Δ17O and δ18O) in a deep ice core. 64 samples of nitrate from the Vostok ice core have been analyzed and cover the last 150 000 years. This dataset has been completed with 313 samples recently collected in the atmosphere/surface hoar/snow continuum at Dome C as well as in several snowpits from various sites covering most of the East Antarctica. Those present-day samples are used to evaluate a conceptual model (named TRANSITS) developped during this PhD and which aims at representing nitrate recycling at the snow/atmosphere interface and at modelling its impact on the isotopic composition of the archived nitrate. High positive δ15N values measured in the Vostok ice core reveal that nitrate recycling has always occurred at the surface of the Antarctic plateau over this period. Past variations of the primary flux of nitrate to the Vostok site have been estimated using the TRANSITS model. They show that glacials are characterized by higher inputs which may be linked to a greater stratospheric denitrification. The Δ17O values indicate that intrusions of stratospheric air masses to the troposphere may have been more frequent in glacials thus incorporating significant amounts of stratospheric ozone to the lower atmosphere. Last, we suggest that this study may have some relevance to the coastal nitrogen budget in Antarctica and to the interpretation of ice cores retrieved from high accumulation sites (e.g. in Greenland).

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. / Predicted accumulation by global numerical climate models for the next century increases in East Antarctica and negatively contributes to the mean sea level rise. None of the climate models integrates a blowing snow parametrisation. However few smaller scale regional climate models include a blowing snow parametrisation and thus can assess the climate models uncertainty on the mean sea level rise by not representing this process. Yet none of the blowing snow data available in Antarctica allows for a precise validation of a regional climate model. In this context, this PhD described the establishment of an Antarctica blowing snow database and the validation of a regional climate model including a blowing snow parametrisation. An acoustic blowing snow sensor, the FlowCapt, has been chosen to collect data in Antarctica. A comparison with an optic blowing snow sensor, the Snow Particle Counter, has been conducted in the French Alps. The capacity of the two existing FlowCapt generation has been determined on the blowing snow event and the flux quantification. A three years blowing snow model-oriented database is now available in Adélie Land, Antarctica. The threshold friction velocity and the roughness height have been calculated with their uncertainty. Blowing snow variability has been determined as well as the minimum transport rate at one field point. Two comparisons have been done with the Modèle Atmosphérique Regional (MAR), a regional climate model including a blowing snow parametrisation. Both simulations represent a small domain with a high vertical and horizontal resolution over one month. The model is able to reproduce the blowing snow event except when melting occurs or when the blowing snow height is encompassed within the first fifty centimetres above the ground. The model underestimate the snow quantity transported at the field measurement point.

Ces dernières années, la mesure des isotopologues de l'eau est devenue de plus en plus importante pour les sciences de l'atmosphère. A cause de l'influence des conditions climatiques sur les rapports isotopiques, la composition isotopique de l'eau conservée dans la glace en Antarctique et en Arctique peut être utilisée comme un paléothermomètre permettant de comprendre les changements passés du climat. La mesure des variations de la composition isotopique de la vapeur d'eau dans l'atmosphère peut servir à étudier le cycle hydrologique global de la terre et à raffiner les modèles de circulation atmosphérique.Alors que la méthode conventionnelle pour la mesure des isotopes de l'eau, la Spectrométrie de Masse des Rapports Isotopiques (IRMS), n'est pas adaptée aux mesures en continu et in-situ des isotopes de vapeur d'eau, le développement récent des spectromètres laser offre une méthode simple et robuste pour effectuer des recherches sur le terrain avec une bonne résolution temporelle. Pourtant, jusqu'à présent la plupart des instruments optiques exigent des niveaux d'humidité relativement élevés avec des concentrations d'eau supérieures à 1000 ppmv, ce qui exclut les mesures dans quelques unes des régions les plus intéressantes pour l'investigation des variations isotopiques dans l'eau, telles que les couches élevées de l'atmosphère ou les régions centrales de l'Antarctique.Ce travail introduit un nouveau spectromètre laser infrarouge qui est basé sur la technique d'OFCEAS et qui a été conçu spécialement pour la mesure des quatre isotopologues H2_16O, H2_18O, H2_17O et HDO dans un environnement sec avec des concentrations d'eau de quelques centaines à seulement quelques dizaines de ppmv. L'instrument qui a été développé dans le cadre de cette thèse montre une stabilité de mesure supérieure comparée aux instruments OFCEAS précédents, avec des temps d'intégration optimaux pouvant aller jusqu'à plusieurs heures et une longueur de trajet optique effective de plus de 30 km.La performance globale de l'instrument est analysée et le problème de la dépendance des mesures isotopiques vis-à-vis de la concentration d'eau avec laquelle l'expérience est effectuée est investigué en détail. La présence d'un motif fixe spectral est identifiée comme la source principale de bruit et analysée en détail.En outre, un nouveau système de calibration pour des mesures d'isotopes de vapeur d'eau est présenté. Ce système a été développé dans le cadre de cette thèse afin de disposer d'un moyen fiable et stable pour la calibration des mesures des variations isotopiques de la vapeur d'eau. Le système de calibration est basé sur l'injection continue d'eau dans une chambre d'évaporation avec deux pousse-seringue au nanolitre. Il est capable de générer une vapeur d'eau standard entre 5 et 15000 ppmv. Une simulation modélisée de l'injection d'eau, qui est en bon accord avec les expériences, est présentée.Ensuite une première utilisation du spectromètre OFCEAS dans la station de recherche norvégienne (Troll) en Antarctique est exposée en détail. Les données enregistrées pendant une période de trois semaines de Février à Mars 2011 sont présentées et discutées, en particulier relativement aux problèmes de calibration rencontrés avec un système de calibration rudimentaire construit sur place. Pendant cette période le spectromètre a mesuré en continu les isotopologues de vapeur d'eau dans l'atmosphère sur le site de la station.Pour conclure, nous allons présenter le projet Isocloud, un projet international avec pour but d'étudier des effets de (super)saturation en utilisant la chambre à nuages AIDA du KIT en Allemagne. Notre spectromètre et le système de calibration faisaient partie de ce projet. Les données expérimentales de quatre campagnes de mesure sont présentées et des résultats préliminaires sont discutés. Nous concluons avec la discussion d'un protocole de mesure optimal et donnons des perspectives pour le futur. / In recent years, the measurement of water isotopologues has become increasingly important for atmospheric research. Due to the influence of climatic conditions on the isotope ratios, the isotopic composition of water stored in the ice in Antarctica and the Arctic can be used as paleothermometers to reconstruct past climate changes. The measurement of changes of the isotopic composition of water vapor in the atmosphere can be used to study the global hydrolocal cycle and to refine atmospheric circulation models.Whereas the conventional method for water isotope measurements, Isotope Ratio Mass Spectrometry (IRMS), is not adapted for in-situ continuous measurements of water vapor isotopes, the recent development of laser spectrometers offers a comparably easy and robust method to conduct in-the-field research with good time resolution. However, until now, most optical instruments require relative high humidity levels with water concentrations of at least several 1000 ppmv, which excludes measurements in some of the most interesting regions for water isotope research, such as the upper atmosphere and the central regions of Antarctica.In this work, we present a novel infrared laser spectrometer based on the technique OFCEAS, specifically designed to measure the four isotopologues H2_16O, H2_18O, H2_17O and HDO under very dry conditions, at water concentrations of some hundred to only tens of ppmv. The instrument developed during this thesis shows much higher measurement stability over time compared to previous OFCEAS instruments with optimum integration times of up to several hours and a very long effective path length of more than 30 km. At water concentrations around 80 ppmv, a precision of 0.8‰, 0.1‰ and 0.2‰ for d2H, d18O and d17O respectively could be achieved with an integration time of 30 to 60 min and at the optimum water concentration of ~650 ppmv, of 0.28‰, 0.02‰ and 0.07‰ respectively.An investigation of the overall performance of the instrument is presented and we specifically discuss the problem of a dependence of the isotope measurements on the water concentration at which a measurement is carried out. As main source of the concentration dependence, pattern noise is identified and a detailed analysis of the noise sources is given.Furthermore, a new calibration system for water vapor isotope measurements, the Syringe Nanoliter Injection Calibration System (SNICS), is introduced, which was developed in the framework of this thesis to offer a more reliable and stable means for the calibration of water vapor isotope measurements. This calibration system is based on the continuous injection of water into an evaporation chamber with two nanoliter syringe pumps and is able to generate standard water vapor in a range of 5 to 15 000 ppmv. A model simulation of the water injection is presented and shows a good agreement with experimental results.Subsequently, a first employment of the OFCEAS spectrometer at the Norwegian research station of Troll in Antarctica is discussed. Data from a three-week period from February and March 2011, during which the spectrometer continuously measured water vapor isotopologues in the atmosphere at the research station, is shown and problems and possibilities are discussed.Finally, the Isocloud project, an international project to study (super)saturation effects at the AIDA cloud chamber of the Karlsruhe Institute Technology in Germany, is introduced, in which we participated with both the spectrometer and the calibration instrument. Experimental data of the four measurement campaigns is presented, preliminary results are discussed. We conclude with a discussion of the optimum measurement protocol and give an outlook for the future.

No presente trabalho, investigamos a leitura da alteridade ameríndia nas obras de André Thevet e Jean de Léry a partir da intersecção entre suas experiências na França Antártica (1555-1560) e no cenário político-religioso da França da segunda metade do século XVI. Buscamos compreender os desdobramentos das Guerras de Religião (1562-1598) na construção de uma memória da França Antártica no interior da qual ambos os autores realizam traduções religiosas dos costumes, rituais e mitos dos Tupinambá que contribuem para a redução do Novo ao Velho Mundo e, mais especificamente, a inserção da humanidade selvagem numa História Universal. Por conseguinte, avaliamos os efeitos teológico-políticos das versões divergentes de Thevet e de Léry quanto à origem dos selvagens e ao sentido histórico do descobrimento das Índias Ocidentais. / In this study, we investigate the reading of Amerindian otherness in the works of André Thevet and Jean de Léry taking into account the intersection between their experiences in France Antarctique (1555-1560) and the political and religious setting of France in the second half of the sixteenth century. We seek to understand the developments of the Wars of Religion (1562-1598) to build a memory of France Antarctique. In this process, both authors perform religious translations of Tupinambás customs, rituals and myths which contribute to the reduction of the New to the Old World and, more specifically, to the insertion of an indigenous humanity into World History. Thereafter, we evaluate the theological-political effects of Thevets and Lerys divergent versions of the origin of the indigenous people, on the one side, and of the historical sense of the discovery of the West Indies, on the other.

L'étude des mouvements et du comportement de plongée des prédateurs marins en relation avec les caractéristiques biotiques et abiotiques de l'environnement permet d'apporter des indications précieuses sur les stratégies comportementales innées et/ou qu'ils ont développé afin de maximiser l'acquisition des proies dans un environnement donné. Le phoque de Weddell est le seul mammifère marin vivant toute l'année dans la banquise permanente. Bien que son comportement ait été bien étudié en été lorsque les individus se reproduisent et muent sur la glace de mer, nous ne savons presque rien de leur l'écologie hivernale. Cependant, l'hiver est une période cruciale dans le cycle de vie des phoques de Weddell durant laquelle ils passent 80% de leur temps à chasser sous la glace afin de stocker l'énergie nécessaire pour la saison de reproduction suivante. Grâce à l'utilisation de données télémétriques, l'objectif principal de cette thèse était d'améliorer notre compréhension des stratégies de recherche alimentaire adoptées par les phoques de Weddell pendant l'hiver dans deux régions de l'Antarctique de l'Est (Dumont D'Urville et Davis). Tout d'abord, nous avons développé deux méthodes permettant d'identifier et de quantifier l'effort de recherche alimentaire au sein de la plongée, pour des données de plongée haute et basse résolutions. Ces indices de l'effort de recherche alimentaire ont été ensuite utilisés afin d'étudier l'influence de plusieurs paramètres clés de l'environnement (topographie, intensité lumineuse, glace de mer, masses d'eau) sur le comportement de recherche alimentaire des phoques de Weddell. / Studying the movement patterns and diving behaviour of top predators in relation with biotic and abiotic environmental features can provide valuable insights in the behavioural tactics they have evolved and/or learned to maximize prey acquisition in a given environment. The Weddell seal is the only marine mammal inhabiting the coastal fast-ice area year-round. While its behaviour has been well studied in summer when individuals are breeding or moulting on the sea-ice, virtually nothing is known about their winter ecology. However, winter is a crucial period in Weddell seals life cycle during which they spend 80% of their time diving under the ice to store the energy needed for the following breeding season. Using telemetric data, the main aim of this thesis was to improve our understanding of the foraging strategies adopted by Weddell seals during winter in two locations of East Antarctica (Dumont D’Urville and Davis). First, we developed two methods to identify and quantify within dive foraging effort from both high and low-resolution dive datasets. Then, these foraging metrics were used to investigate the influence of several key abiotic parameters of the Antarctic environment (topography, light intensity, sea-ice, water masses) on Weddell seals’ foraging behaviour.

Les carottes de glace permettent de reconstruire le climat du passé, à partir entre autre de la composition isotopique de l’eau (δ18O, δ17O et δD). Sur le plateau Est Antarctique, les températures très froides et les faibles accumulations permettent de remonter le plus loin dans le passé (jusqu’à 800 000 ans) mais compliquent l’interprétation du signal isotopique. Premièrement, les reconstructions des variations de température dans les carottes de glace à partir des isotopes de l’eau se basent sur des modèles pour décrire l'évolution de la composition isotopique de la vapeur et de la phase condensée le long du cycle de l’eau. Ces modèles, qui ont été développés au cours des dernières décennies, reposent sur la connaissance de coefficients du fractionnement isotopique associé à chaque transition de phase et sur des hypothèses pour représenter la micro-physique des nuages.Lors de la formation de flocons de neige à basse température, 2 types de fractionnements isotopiques doivent être pris en compte : le fractionnement isotopique à l'équilibre, associé à la transition de phase vapeur-glace et le fractionnement isotopique cinétique lié aux différentes diffusivités des différents isotopes. A basse température, les déterminations des coefficients du fractionnement du fractionnement à l’équilibre présentent d’importantes différences et n’ont jamais pu être mesurées à des températures inférieures à -40°C. Or la température moyenne annuelle à Dome C est de -54°C atteignant jusqu’à -85°C l’hiver. Les diffusivités des différents isotopes quant à elles n’ont jamais été mesurées à des températures inférieures à 10°C. Toutes ces lacunes résultent dans des incertitudes importantes sur le lien entre la composition isotopique et la température dans des conditions comme celles du Plateau Est Antarctique.De plus, dans ces conditions froides et arides, les processus physiques qui affectent la composition isotopique de la neige après la déposition des flocons deviennent importants compte tenu du faible apport annuel de précipitation. Pour estimer l’impact de ces processus de post-déposition sur la composition isotopique, il est nécessaire de bien caractériser le fractionnement isotopique à l’interface neige/atmosphère pour des températures allant jusqu’à -90°C.Afin d’améliorer les reconstructions quantitatives de température l’étude des processus affectant la composition isotopique de la glace à très basse température est donc primordiale. Dans cette optique, ma thèse a été à l’interface entre les études de processus au laboratoire et en Antarctique et le développement instrumental afin de pouvoir réaliser des mesures isotopiques encore inédites, en particulier à très basse humidité. D’un côté, j'ai développé d’un nouveau spectromètre infrarouge aux performances bien au-delà des instruments commerciaux. En effet, la fréquence du laser est stabilisée par rétroaction optique par une cavité ultra-stable jusqu’à un niveau de stabilité de l’ordre du hertz. La lumière est ensuite injectée dans une cavité CRDS hautes performances avec une sensibilité de 10-13 cm-1.Hz-1/2. Ceci permet de mesurer la composition isotopique avec une précision inférieure au ppm.En parallèle, des expériences au laboratoire ont permis de renforcer les connaissances sur les processus affectant les isotopes de l’eau, en particulier le fractionnement lié à la transition de phase vapeur - glace et le fractionnement cinétique lié aux différentes diffusivités des différents isotopes en modélisant le fractionnement lié à la diffusion près d’un point froid. Enfin, durant une campagne en Antarctique, j’ai pu réaliser parmi les premières mesures de la composition isotopique de la vapeur et de la glace en Antarctique et appliquer les modèles physiques des processus à des données de terrain. Ces mesures montrent que le cycle de sublimation/condensation contribue de manière importante à la composition isotopique de la neige sur le plateau Est Antarctique. / Ice cores enable reconstruction of past climates, from among others water stable isotopic composition (δ18O, δ17O et δD). On the East Antarctic Plateau, very cold temperature and low accumulation provide the longest ice core records (up to 800 000 years) but embrangle the interpretation of isotopic composition. First, reconstructions of temperature variations from ice core water isotopic composition are based on models used to describe the evolution of the isotopic composition of the vapour and of the condensed phase over the entire water cycle. These models have been developed during the last decades and depend upon precise determinations of isotopic fractionation coefficients associated to each phase transition and upon hypotheses to describe cloud microphysics.During the formation of snowflakes at low temperature, two types of isotopic fractionations need to be taken into account: equilibrium fractionation, associated to the vapour to ice phase transition and kinetic fractionation associated to the difference of diffusivity of the different isotopes. At low temperature, determinations of equilibrium fractionation coefficients present important discrepancies and have never been realised for temperature below -40°C. However, mean annual temperature at Dome C is around -54°C reaching -85°C in winter. For the diffusivities of the different isotopes, they have never been measured at temperature below 10°C. All these gaps result in important uncertainties on the link between isotopic composition and temperature, especially for cold and dry conditions such as encountered on the East Antarctic Plateau.Furthermore, because of the very low amount of precipitation, physical processes affecting the isotopic composition of the snow after the deposition of snowflakes can results in an important contribution to the isotopic budget. In order to estimate the impact of the post-deposition processes on the water vapour isotopic composition, it is necessary to characterise the isotopic fractionation at the snow/atmosphere interface for temperature down to -90°C.In order to improve isotopic paleothermometer performances, it is primordial to study processes affecting snow isotopic composition. Toward this goal, my Ph-D has been at the interface between monitoring of processes affecting isotopes, both in laboratory experiments and field studies, and instrumental development to push the limits of water vapour isotopic composition trace detection. On one hand, new developments in optical feedback frequency stabilisation applied for the first time to water isotopic composition monitoring provide performances beyond any commercial instrument and can be used for thorough processes studies. The laser frequency is stabilised by optical feedback from an ultra-stable cavity to the hertz level. Then, the light is injected in high performances cavity with a sensibility of 10-13 cm-1.Hz-1/2. This enables measuring isotopic composition with a precision below the ppm level.On the other hand, laboratory experiments have supported theories about isotopic fractionation associated to the vapour to ice phase transition and to kinetic fractionation linked to the difference of diffusivities of the different isotopes. Finally, these physical models have been collated to field measurements realised at Dome C in Antarctica, which are among the first water vapour and snow isotopic composition measurements realised inland Antarctica. These measurements show how important is the contribution of the sublimation condensation cycles to the snow isotopic composition budget on the East Antarctic Plateau.

Le déphasage entre augmentation de température et augmentation de gaz à effet de serre (GES) 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 GES. 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 d15N et d40Ar) 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 (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 d15N et d40Ar pour les terminaisons 2 (129-138ka) et 3 (243-251ka) des carottes antarctiques de Dôme C et Vostok. Nous avons montré que les différentes évolutions de d15N 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. / The phasing between increases in temperature and greenhouse gas concentrations during large climatic variations in the past is classically estimated using analyses in polar ice cores, in the ice phase for the temperature and in the gas phase (trapped air bubbles) for the concentration of greenhouse gases. This phasing is still insufficiently constrained and solving this problem requires a better understanding of the mechanical process of snow to ice metamorphism near to the top of the ice sheet (i.e. the firn, about 100 m deep). In the absence of melting, the transformation of snow (a material with open porosity in contact with the atmosphere) into ice (a material containing isolated bubbles) occurs progressively as a response to temperature gradients near the surface, and the weight of overlying snow in deeper layers. Depending on temperature and precipitation conditions, this process occurs in a few decades to several millennia and a ~100 meters depth range. It controls the age difference between the ice and the entrapped gases. Predicting the gas trapping depth is a major issue in paleoclimatology, especially in order to understand the phasing between temperature changes and changes in greenhouse gas concentrations.A thermo-mechanical model of snow densification has been developed at LGGE, it includes the main mechanical processes, the thermal properties of ice, and gas trapping criteria. The model performances can be tested and improved using experimental studies of modern firns (density, open/closed porosity ratio, etc). For firnification under ancient climates, measurements of isotopes of inert gases (d15N et d40Ar) in the air trapped in ice cores provide direct informations about past variations of firn structure (e.g. diffusive zone thickness). Large differences between firn densification model outputs and gas isotopic data are obtained in Antarctica, and imply a large uncertainty on past climatic reconstructions. Understanding this discrepancy is a major issue in paleoclimatology.As part of this thesis work, we took into account the effects of the temperature dependence of activation energies and impurities (dust) on the firn densification speed. It allowed to reconcile the model results with available data. The modified model results show an overall consistency with measured density profiles of present-day polar firns and isotopes of inert gases over deglaciations (also called terminations). We also analyze new high resolution measurements of d15N and d40Ar over Terminations 2 (129-138ka) and 3 (243-251ka) on the Dome C and Vostok ice cores. We have shown that the different evolutions of d15N between different sites and different deglaciations are largely explained by differences in accumulation rates that control the snow/ice transition depth. We also showed that the use of air isotopes was an important complement to the use of water isotopes to constrain local climatic dynamics in eastern Antarctica during deglaciations.

La glace de mer couvre jusqu’à 6% de la surface de notre planète. Autour du continent Antarctique, sa superficie varie entre 3.8 et 19 millions de km² (en février et septembre respectivement). Cette superficie présente des variations interannuelles. En parallèle, une évolution de la superficie de la glace de mer a également pour origine le réchauffement climatique global, très médiatisé à l’heure actuelle. Dans ce contexte, et étant donné le rôle que joue la banquise au sein de l’Océan Austral, des études de l’évolution de la glace de mer sont devenues fondamentales. <p>Ce travail a pour objectif d’étudier les relations complexes qui existent entre les processus chimiques, physiques et biologiques qui se déroulent au sein de la glace de mer. La détermination des propriétés physiques et de la composition chimique des glaces de mer correspond en effet à un pré-requis indispensable à l’étude des cycles géochimiques qui existent dans la banquise.<p>Différentes glaces de mer, naturelles ou artificielles, ont été analysées. Pour ce faire, les caractéristiques spécifiques à ce type de glace font que des méthodes d’analyse de la composition en gaz particulières ont été nécessaires.<p>Nous avons ainsi pu montrer que le contenu et la composition en gaz des différentes glaces analysées dépendent de facteurs physico-chimiques et de facteurs biologiques. L’impact des facteurs physico-chimiques se marque lors de l’incorporation initiale des impuretés dans la glace de mer et via une diffusion "post-génétique" tant que la glace est plus chaude que –5°C. En outre, les organismes photosynthétiques sont à l’origine d’une production d’oxygène et d’une consommation de dioxyde de carbone. La composition en gaz résultante peut donc être sensiblement différente de la composition atmosphérique ou de celle des gaz dissous dans l’eau de mer sous-jacente, en été comme en hiver. Il s’agit par conséquent de sérieusement envisager l’impact potentiel de la glace de mer et des microorganismes qu’elle contient, lors du réchauffement et de la débâcle, sur les échanges entre atmosphère et océan comme sur leurs compositions respectives.<p> / Doctorat en sciences, Spécialisation géographie / info:eu-repo/semantics/nonPublished