Doctoraat--Letteren--Groningen--Rijksuniversiteit, 2005. / Bibliogr. p. 155-162.

Texte remanié de: Diss.--Rechts--Sarrebruck--Rechts- und Wirtschaftwissenschaftlichen Fakultät der Universität des Saarlandes, 1985. / Bibliogr. p. 219-232. Index.

Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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Mass changes of polar ice sheets have an important societal impact, because they affect global sea level. Estimating the current mass budget of ice sheets is equivalent to determining the balance between the surface mass gain through precipitation and the outflow across the grounding line. In Antarctica, the latter is mainly governed by oceanic processes and outlet glacier dynamics.<p>In this thesis, we assess the mass balance of a part of eastern DronningMaud Land via an input/output method. Input is given by recent surface accumulation estimations of the whole drainage basin. The outflow at the grounding line is determined from the radar data of a recent airborne survey and satellite-based velocities using a flow model of combined plug flow and simple shear. We estimate the regional mass balance in this area to be between 1.88±8.50 and 3.78±3.32 Gt a−1 depending on the surface mass balance (SMB) dataset used. This study also reveals that the plug flow assumption is acceptable at the grounding line of ice streams.<p>The mass balance of drainage basins is governed by the dynamics of their outlet glaciers and more specifically the flow conditions at the grounding line. Thanks to an airborne radar survey we define the bed properties close to the grounding line of the West Ragnhild Glacier (WRG) in the Sør Rondane Mountains. Geometry and reflectivity analyses reveal that the bed of the last 65 km upstream of the grounding line is sediment covered and saturated with water. This setting promotes the dominance of basal motion leading to a change in the flow regime: in the interior flow is governed by internal deformation while its relative importance decreases to become driven by basal sliding.<p>Subsequently we present the results of the reconstruction of the SMB across an ice rise through radar data and inverse modelling. The analysis demonstrates that atmospheric circulation was stable during the last millennium. Ice rises induce an orographic uplift of the atmospheric flow and therefore influence the pattern of the SMB across them, resulting in an asymmetric SMB distribution. Since the geometry of the internal reflection horizons observed in radar data depends on the SMB pattern, the asymmetry observed in radar layers reveals the trajectories of air masses at the time of deposit. We present an original and robust method to quantify this SMB distribution. Combining shallow and deep radar layers, SMB across Derwael Ice Rise is reconstructed. Two methods are employed as a function of the depth of the layers: i.e. the shallow layer approximation for the surface radar layers and an optimization technique based on an ice flow model for the deeper ones. Both methods produce similar results. We identify a difference in SMB magnitude of 2.5 between the flanks and the ice rise divide, as well as a shift of ≈4 km between the SMB maximum and the crest. Across the ice rise, SMB exhibits a very large variability, ranging from 0.3 to 0.9 mw.e. a−1. This anomaly is robust in time.<p>Finally we draw a comprehensive description of the Sør Rondane Mountains sector. The glacial system is close to the equilibrium and seems stable but evidences suggest that it is a fragile equilibrium. The proximity of the open ocean certainly favours the interaction between warm water and the ice shelf cavity conducting to potential important melting. The thinning associated with this melting can detach the ice shelf from pinning points. This will reduce the buttressing from the ice shelf, outlet glaciers will accelerate and mass transfer toward the ocean will increase. Therefore, the future of Antarctic Ice Sheet directly depends on the changes affecting its boundaries and assessing the sensitivity of the ice sheets is essential to quantify and anticipate the future variation of mass balance. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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. / With the aim to investigate the production and destruction mechanisms of formaldehyde (HCHO) on a seasonal scale in the remote troposphere, HCHO was monitored over a 13-months period at Dumont d'Urville station, located near the East Coast of the Antarctic continent. Monthly means of 50 ppt in winter and up to 200 ppt in summer were measured. In spring, summer and autumn, a daily variation was detected with amplitude of ≈40 ppt and a maximum during the afternoon. The analytical instrument (Aerolaser, AL4021) deployed for the measurements, was found to be extremely sensitive to ambient temperature variations. The origin of the temperature dependence was investigated, and the deployed analytical method was adapted to eliminate this artefact. The impact of local contamination sources at the measurement site was explored in detail. Anthropogenic combustions were found to have a limited impact (maximum 150 pptv on hourly means) versus a local emission source from ornithogenic soils, induced by the omni-presence of Adelie penguins on the site in summer (maximum 200 pptv on hourly means). From november to march, these sources can introduce an overestimation by a factor 5 of the daily HCHO amplitude, while the influence on the monthly averaged budget can account up to 100 ppt. The raw dataset was thoroughly filtered using local meteorological criteria to eliminate any potential contamination. HCHO measurements were compared to simulations made with a numerical box model developed on the base of the current understanding of the photochemical sources and sinks of HCHO. During summer, methane oxidation was found to be the major source of HCHO production, likely due to enhanced levels of oxidants such as hydroxyl radical (OH) or nitrogen oxide (NO) occurring at DDU since this coastal site is under strong continental influence. Snow emissions and HCHO formation via methyl-hydroperoxyde oxidation complete the summer budget (respectively 10 to 20% of the CH4 oxidation). In contrary to what was observed for the Weddell Sea area, halogens chemistry is probably unlikely to contribute significantly at Dumont d'Urville (<10% of the CH4 oxidation). Finally, the initially attended summer source originating from non-methane hydrocarbons oxidation was found to be inefficient and to contribute only with less than 5 % of the CH4 oxidation. During winter the snowpack source was found to be preponderant (70% of CH4 oxidation) versus the gas phase chemistry sources of HCHO. Model investigations, performed on a seasonal and daily scale have shown that gas phase processes together with deposition and snow emission have to be considered to achieve a correct reconstruction of the observations.

Since the mid-20th century, global average temperatures have dramatically risen mostly due to the increasing amount of greenhouse gas emissions in the atmosphere. The effects of this recent global warming are already evident and could be exacerbated in the near future if no real action is taken. Recent ice loss in West Antarctica, monitored by satellite measurements and other techniques, gives cause for concern in such a warming world. A major part of this loss has been driven by warm water masses penetrating underneath the ice shelves in this region. This has led to a flow acceleration of the inland outlet glaciers and a greater discharge of ice to the ocean. The actual resulting contribution of West Antarctica to sea-level rise is estimated to be around 0.2 mm per year between 1992 and 2011, i.e. about one third of the ice-sheet contribution (Antarctica and Greenland), and is expected to increase in the near future.<p><p>In this thesis, we first clearly demonstrate that modeling grounding-line (the boundary between grounded and floating ice) migration depends on both the numerical approach and the physical approximation of the ice-sheet model used. Ice-sheet models prescribing the ice flux at the grounding line and using appropriate physical level and numerical approach converge to the same steady-state grounding-line position irrespective of the grid size used. However, the transient behavior of those models is less accurate than other models and leads to an overestimated grounding-line discharge. Therefore, they need to be used with particular attention on short time scales. Furthermore, the non-inclusion of vertical shear stress in those models increases the effective viscosity and gives steady-state grounding-line positions further downstream when compared to full-Stokes models.<p><p>The second major finding of this thesis is the high control of geometry (glacier width and bedrock topography) on Thwaites Glacier, one of the fastest-flowing outlet glaciers in West Antarctica. A flowline finite-difference Shallow-Shelf Approximation (SSA) model is applied to the glacier and shows that ice-flow convergence (through width parameterization) slows down the grounding-line retreat when compared to simulations where the width is constant. A new buttressing parameterization is also tested on the glacier and permits a better understanding of this effect. Finally, the three-dimensional version of the model above is applied to Thwaites Glacier and highlights the strong control of lateral variations in bedrock topography on grounding-line migration./Depuis le milieu du 20e siècle, les températures moyennes globales ont fortement augmenté principalement à cause de l'augmentation des émissions de gaz à effet de serre d'origine humaine. Les effets de ce réchauffement global récent sont déjà détectables et pourraient s'accentuer dans un futur proche si aucune mesure réelle n'est prise. La perte récente de glace en Antarctique de l'Ouest, enregistrée par mesures satellites et d'autres techniques, est préoccupante dans un monde qui se réchauffe. Une grande partie de cette perte de glace est due à la pénétration de masses d'eau chaude sous les plateformes de glace flottante dans cette région. Cela engendre une accélération de l'écoulement des glaciers émissaires et une plus grande décharge de glace vers l'océan. Ainsi, la contribution récente à la hausse du niveau de la mer de l'Antarctique de l'Ouest s'élève à environ 0.2 mm par an entre 1992 et 2011, c'est-à-dire près du tiers de la contribution des calottes glaciaires (Antarctique et Groenland). On estime que cette contribution va continuer à augmenter dans le futur proche.<p>Dans cette thèse, nous démontrons clairement que la modélisation de la migration de la ligne d'ancrage (frontière entre glaces posée et flottante) dépend de l'approche numérique et de l'approximation physique du modèle cryosphérique utilisé. Les modèles cryosphériques qui prescrivent le flux glaciaire à la ligne d'ancrage et qui utilisent un niveau de physique et une approche numérique appropriés convergent vers la même position d'équilibre de la ligne d'ancrage quelle que soit la taille de maille utilisée. Cependant, le comportement transitoire de ces modèles est moins précis que d'autres modèles et mène à une surestimation du flux à la ligne d'ancrage. Dès lors, ces modèles doivent être utilisés avec précaution sur de courtes périodes de temps. De plus, la non inclusion des contraintes verticales de cisaillement dans ces modèles augmente la viscosité effective et donne des positions d'équilibre de la ligne d'ancrage plus en aval en comparaison avec les modèles « full-Stokes ».<p>La seconde découverte majeure de cette thèse est le contrôle important exercé par la géométrie (largeur du glacier et topographie du lit rocheux) sur Thwaites Glacier, l'un des glaciers émissaires les plus rapides en Antarctique de l'Ouest. Un modèle « Shallow-Shelf Approximation » (SSA) résolvant les différences finies le long d'une ligne d'écoulement est appliqué au glacier et montre que la convergence de l'écoulement glaciaire (au travers de la paramétrisation de la largeur) ralentit le retrait de la ligne d'ancrage comparé aux simulations où la largeur est constante. Une nouvelle paramétrisation de l'effet arc-boutant est testée sur le glacier et permet de mieux comprendre cet effet. Finalement, la version en trois dimensions du modèle ci-dessus est appliquée à Thwaites Glacier et met en évidence le contrôle important des variations latérales de l'altitude du lit rocheux sur la migration de la ligne d'ancrage. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Antarctic ice shelves control the ice flux from the continent to the ocean. As such, they play a major role in the stability of the ice sheet and its potential contribution to sea level rise, especially in the context of global change. Below some of these ice shelves, marine ice can be found which is a product of the Deep Thermohaline Circulation. Due to its specific genetic process, marine ice has intrinsic physical (grain size, ice fabric, bubble content, ) and chemical (impurities, water stable isotopes) properties, that differ from those of 'meteoric ice' formed on the continent through snow metamorphism or 'sea ice' resulting from sea water freezing at the ocean-atmosphere surface. Until now however, the effect of these specific properties on marine ice rheology is still very poorly understood.<p><p>The principal objective being to include realistic mechanical parameters for marine ice in ice shelf flow models, uniaxial compression experiments have been performed on various types of marine ice samples. Technical developments are an important component of this thesis has they were necessary to equip the laboratory with the appropriate tools (pneumatic rig, automatic ice fabric data handling).<p><p>Results from experimental compression on isotropic marine ice show that it represents the higher boundary for meteoric ice viscosity throughout the whole temperature range, thereby validating Cuffey and Paterson's relationship with an enhancement factor equals to 1.<p><p>Marine ice is however often quite anisotropic, showing elongated crystals and wide single maximum fabric, that should impact its mechanical properties. Experiments on pre-oriented marine ice samples have therefore been carried out combining the study of epsilon_{oct} vs. tau_{oct} with a thorough analysis of microstructural data 'before' and 'after' the experiment. <p><p>Depending on the orientation of the sample in the applied stress field and on the intensity of the latter, anisotropic marine ice can be harder or softer than its isotropic counterpart, with n=4 often observed in Glen's flow law. Associating the experimental geometrical settings to potential natural equivalent, results suggest that anisotropic marine ice would strengthen ice shelf flow in most areas (for a same given temperature), apart from suturing areas between individual ice streams as they merge to form the ice shelf, where it could become weaker than meteoric ice in certain circumstances.<p><p>Finally, preliminary sensitivity studies, using a simple ice shelf model with our experimental parameters of Glen's flow law have allowed us to discuss the potential impact of rift location, rift size and thermal regime in the ice shelf behavior. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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.