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.

L’objectif principal de cette thèse était de comprendre la variabilité millénaire du CO2 atmosphérique durant le stade isotopique marin 6 (Marine Isotope Stage 6, MIS 6), l’avant dernière période glaciaire (185-135 ka BP). Durant la première partie de la période MIS 6 (185-160 ka BP), 6 oscillations climatiques millénaires peuvent être observées dans des indicateurs de la température antarctique, du phénomène de bascule bipolaire dans la région Atlantique Nord et de l’intensité des moussons des basses latitudes. Un cycle hydrologique intensifié et des vêlages d’iceberg dans l’Atlantique Nord pourraient avoir impacté la circulation atlantique méridionale de retournement (Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC) durant MIS 6 (Margari et al., 2010). La reconstruction de CO2 atmosphérique à partir des carottes antarctiques peut fournir des informations clés sur le lien entre CO2 atmosphérique et variabilité climatique millénaire. Cependant, les enregistrements existants du CO2 à partir de la carotte de glace de Vostok ne montrent pas de variabilité millénaire du fait de trop mauvaises résolution et précision.Pour examiner comment le CO2 atmosphérique est lié avec le changement climatique sur les échelles de temps millénaires pendant le MIS 6, nous avons analysé 150 échantillons de CO2 atmosphérique obtenus à partir de la carotte EPICA Dome C (EDC) sur la période 189.4-135.4 ka BP. Une oscillation mineure et 5 oscillations majeures du CO2 atmosphérique pendant la première partie de la période du MIS 6 (189-160 ka BP) ont été découvertes. Cette variabilité est très liée avec la température antarctique. Pendant les périodes stadiales courtes dans l’Atlantique Nord, les variations de CO2 atmosphérique sont négligeables et découplées avec la variabilité de la température antarctique. Durant ces périodes, la force de l’upwelling dans l’océan austral pourrait ne par être suffisante pour impacter le CO2 atmosphérique. De plus, 2 modes de variations du CO2 sont présentes pendant la période du MIS 6. Le maximum de dioxyde de carbone 6 (carbon dioxide maxima 6, CDM 6) suit le réchauffement rapide de l’hémisphère Nord de seulement 100±360 ans, alors que les retards pour les CDM 3 et 4 sont bien plus longs, 1 100±280 ans en moyenne. Ces deux modes de variation du CO2 pourraient être liés à un changement de mode de l’AMOC de la première partie du MIS 6 au MIS 6.5. Ces deux phénomènes sont aussi observés pendant la dernière période glaciaire. Cependant, les données disponibles permettent seulement une discussion exploratoire des mécanismes responsables de la variabilité du CO2 pendant MIS 6. Comme les conditions aux limites de la dernière période glaciaire ne peuvent pas être appliquées au MIS 6, des données supplémentaires et des études par modélisation du MIS 6 sont nécessaires. / The main objective of this thesis is to understand the millennial variability of atmospheric CO2 during the Marine Isotope Stage 6 (MIS 6), the penultimate glacial, period (185─135 kyr BP). During the early MIS 6 period (185-160 kyr BP), 6 millennial-scale climate oscillations can be observed in proxy records of Antarctic temperature, the bipolar see-saw phenomenon in the North Atlantic region, and Monsoon intensity in low latitudes. An intensified hydrological cycle and iceberg calving in the North Atlantic may have impacted on the Atlantic Meridional Overturning Circulation during MIS 6 (Margari et al., 2010). Atmospheric CO2 reconstructions from Antarctic ice cores can provide key information on how atmospheric CO2 concentrations are linked to millennial-scale climate changes. However, existing CO2 records from the Vostok ice core do not show the millennial variability due to the lack of suitable temporal resolution and precision. To understand atmospheric CO2 variability during MIS 6, a precision of less than 2 ppm is mandatory, because there is a possibility that we could observe small CO2 variability of less than 5 ppm during the smaller Antarctic isotope maxima events as observed during the last glacial period (Ahn and Brook, 2014; Bereiter et al., 2012).To investigate how atmospheric CO2 is related with climate change on millennial time scales during MIS 6, we reconstructed 150 samples of atmospheric CO2 data from the EPICA Dome C (EDC) ice core during the MIS 6 period (189.4─135.4 kyr BP). One minor and five major variabilities of atmospheric CO2 during the early MIS 6 period (189─160 kyr BP) were found. These variabilities are highly matched with Antarctic temperature. During the short stadials in the North Atlantic, atmospheric CO2 variations are negligible and decoupled with temperature variations in Dome C. During this period, the strength of upwelling in the southern ocean might not be sufficient to impact on atmospheric CO2. In addition, 2 modes of CO2 variations are present in the MIS 6 period. Carbon dioxide maxima (CDM) 6 lags abrupt warming in the Northern Hemisphere by only 100±360 yrs, while the lags for CDM 3 and 4 are much longer, 1,100±280 yrs on average. Theses 2 modes of CO2 variations might be related with a mode change of AMOC from the earliest MIS 6 to MIS 6.5. These two phenomena also are observed during the last glacial period. However, the limited available proxy data permit only an exploratory discussion of the mechanisms responsible for CO2 variability during MIS6. Because the boundary conditions of the last glacial period cannot be applied to MIS 6, additional proxy data and multiple modelling studies conducted during MIS 6 period are needed.

Alors que le troisième millénaire vient à peine de commencer, il devient de plus en plus évident que les comportements humains ont des impacts directs et indirects sur le système climatique terrestre. Face à ce constat, l'objectif prioritaire est d'améliorer les simulations numériques des modifications futures du climat et de leurs conséquences. Une partie de la réponse se trouve dans l'exploration du passé. <br /><br />L'air extrait des glaces polaires du Groenland et de l'Antarctique constitue un véritable témoin des évolutions passées de l'atmosphère de notre planète. L'exploitation des données issues des carottes de glace a mis en évidence une forte corrélation entre les teneurs atmosphériques en gaz à effet de serre (CO2, CH4, N2O) et la température depuis des centaines de milliers d'années. Ces études ont par ailleurs révélé que les concentrations élevées en gaz à effet de serre aujourd'hui n'ont pas d'équivalent sur les derniers 650'000 ans, dans la limite de résolution des analyses. Enfin, elles offrent l'opportunité de mieux comprendre le lien entre climat et cycles biogéochimiques, responsable des variations passées de ces gaz et susceptible de rétroagir sur le climat futur. <br /><br />Ce travail de thèse a consisté dans un premier temps à analyser à haute résolution temporelle le méthane piégé dans les bulles d'air des récents forages antarctiques EPICA, à Dôme C et à Dronning Maud Land. Ces analyses nous ont permis ensuite (i) de conceptualiser les causes du lien méthane/climat au cours des derniers 800'000 ans et (ii) d'améliorer la chronologie des gaz piégés dans la glace, tout en discutant la séquence des événements climatiques entre les deux hémisphères.<br /><br />Nous concluons que la modulation à basse fréquence des niveaux de méthane est probablement liée à la variabilité de la mousson asiatique et au déplacement de la zone de convergence intertropicale. A cette modulation se superpose l'apport des zones humides des hautes latitudes lors des transitions glaciaires-interglaciaires. A l'échelle millénaire, au cours des huit dernières périodes glaciaires, nous montrons l'omniprésence d'une variabilité climatique rapide et la persistance probable d'un mécanisme de bascule bipolaire, redistribuant l'énergie entre les deux pôles et au sein des forages antarctiques. <br /><br />Le calcul de la différence d'âge entre les bulles d'air et la glace environnante (delta âge) est entaché de larges erreurs pour les conditions climatiques passées. Grâce à la synchronisation des signaux de méthane entre les carottes EPICA, et en utilisant l'anomalie de béryllium-10 associé à l'événement géomagnétique de Laschamp, nous avons pu ré-évaluer ce delta âge et montrer une forte surestimation par le modèle de densification du névé pendant la dernière période glaciaire. Ceci nous conduit à réviser à la baisse le retard du dioxyde de carbone sur la température antarctique en début de transition glaciaire-interglaciaire. Les causes exactes de cette surestimation du delta âge en conditions glaciaires restent indéterminées au terme de la thèse ; mais elles impliquent très probablement à la fois les incertitudes sur les paramètres climatiques d'entrée du modèle (température, accumulation) et la physique de la densification du névé en conditions glaciaires.

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).

Les carottes de glace sont un fantastique outil d'étude du climat de notre planète. Récemment, le projet européen EPICA (European Project for Ice Coring in Antarctica) a permis d'extraire une carotte au Dôme Concordia en Antarctique (75◦06′ S; 123◦21′E). Les premières études montrent que les 740000 dernières années de notre histoire climatique y sont enregistrées. Dans ce manuscrit est présentée une étude de l'évolution de la microstructure (réseau de joints de grain) le long de la carotte de Dôme Concordia. Dans une premiére partie, nous nous concentrons sur l'évolution de la taille moyenne des grains qui présente de fortes variations synchrones avec les transitions climatiques. L'analyse des paramètres de la distribution de taille ainsi que les corrélations entre taille de grain moyenne et contenu en impuretès montrent que les particules de poussière ralentissent considérablement la croissance normale au cours des périodes Glaciaires, expliquant ainsi les variations observées. Le développement puis l'utilisation d'un modèle en champ moyen d'évolution de la taille de grain confirme quantitativement ce résultat et nous permet d'examiner le rôle des bulles, des clathrates et de la recristallisation par rotation sur la taille moyenne des grains. La géométrie de la microstructure est également le révélateur de la déformation subie par les couches de glace. Utilisant une technique d'analyse initialement développée pour l'étude du champ de déformation dans les mousses et adaptée au cas de la glace, il est apparu que nos mesures sont en contradiction avec deux des hypothèses généralement admises sur l'écoulement de la glace à un dôme : (i) le cisaillement n'est pas nul et sa valeur augmente avec la profondeur, (ii) la déformation verticale n'est pas homogène (certaines couches s'amincissent plus rapidement que leurs voisines). Les modèles de datation classiquement utilisés en glaciologie utilisent ces hypothèses, ce qui soulève quelques questions quant à leur validité. Nous nous sommes alors interrogès sur l'impact des hétérogénéités de déformation verticale sur la datation et tout particulièrement sur l'estimation de la durée d'évènements brefs.

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).

Afin d’étudier les variations climatiques enregistrées par les carottes de glace, il est nécessaire d’avoir des datations précises à la fois pour les phases gaz et glace. Le but de ce travail de thèse a été d’améliorer les chronologies des carottes de glace, couvrant les derniers 800 000 ans, au travers de nouvelles mesures de la composition isotopique de l’air (δ15N, δ18Oatm et δO2/N2) piégé dans la glace d’EPICA Dôme C (EDC) et de l’utilisation de l’outil de datation "Datice". Le premier résultat important de cette thèse a été la production de la chronologie cohérente pour les carottes de glace ("Antarctic Ice Core Chronology", AICC2012) pour EDC, Vostok, EPICA Droning Maud Land (EDML), TALos Dôme ICE core (TALDICE) et NorthGRIP. Sur cette nouvelle chronologie la théorie du see-saw bipolaire reste valable. AICC2012 donne un âge pour la Terminaison II en accord avec les autres archives climatiques. De plus, les durées des périodes interglaciaires restent inchangées par rapport à la chronologie EDC3. Lors de la construction d’AICC2012 nous avons mis en évidence plusieurs points nécessitant des améliorations. Nous avons donc procédé à l’amélioration de Datice dans le but d’intégrer correctement les contraintes issues du comptage des couches annuelles et leurs erreurs. Ces améliorations conduisent à des chronologies cohérentes tout en respectant les hypothèses sous-jacentes à Datice. Nous proposons aussi une nouvelle formulation de l’erreur associée à la fonction d’amincissement à partir de l’analyse des propriétés mécaniques de la glace dans le cas d’EDC. Pour finir, les nouvelles mesures du δO2/N2 et du δ18Oatm effectuées sur de la glace bien conservée d’EDC nous ont permis de définir de nouvelles contraintes d’âge. La comparaison de ces traceurs mesurés à Vostok, EDC et Dôme F sur le MIS 5 a permis de mettre en évidence une possible influence de paramètres climatiques locaux sur le δO2/N2. L’analyse du retard entre le δ18Oatm et la précession sur les derniers 800 ka montre des variations de ce dernier. Nous suggérons que ce retard est augmenté par l’occurence d’évènements de Heinrich à certaines périodes. Les résultats de cette thèse sont à prendre en compte pour le prochain exercice de datation cohérente pour les carottes de glace. / In order to study the climate variations recorded by ice cores, it is necessary to have precise chronologies for the ice and gas phases. The aim of this work has been to improve ice cores chronologies, covering the last 800 000 years, through new measurements of the isotopic composition of the air δ15N, δ18Oatm et δO2/N2) trapped in EPICA Dome C (EDC) ice core and the use of the Datice dating tool.The first important result of this PhD has been the production of the Antarctic Ice Core Chronology (AICC2012), common for EDC, Vostok, EPICA Droning Maud Land (EDML), TALos Dome ICE core (TALDICE) and NorthGRIP ice cores. The bipolar see-saw theory is still valid on the new chronology. The AICC2012 chronology gives an age for Termination II in good agreement with other climate archives. Moreover, the duration of interglacial periods is unchanged compared to EDC3. While building the AICC2012 chronology, we have pointed out several limitations. Since then, we have improved Datice in order to correctly integrate constraints deduced from layer counting and their associated uncertainties. These improvements permit to build coherent chronologies respecting the underlying hypotheses of Datice. Moreover, we propose a new parameterization of the uncertainty associated with the background thinning function based on ice mechanical properties of EDC ice core. Finally, we were able to deduce new age constraints thanks to the new measurements of δO2/N2 and δ18Oatm performed on well-conserved ice from EDC. A multi-proxy comparison of Vostok, EDC and Dome F ice cores over MIS 5 has highlighted a possible influence of local climatic parameters on δO2/N2. The analysis of the delay between δ18Oatm and precession shows some variability over the last 800 ka. We propose that the delay between δ18Oatm and precession is increased during periods associated with Heinrich events. The results obtained during this PhD should be used for the next ice core coherent chronology.

L'étude du climat implique nécessairement la collecte et le traitement d'une grande quantité de données obtenues par l'analyse d'archives climatiques telle que les carottes de glace. Dans ce contexte, ce travail présente le plus long enregistrement jamais obtenu d'éléments crustaux, métaux, métalloïdes, terres rares, mercure et isotopes du plomb. Cet enregistrement a été possible grâce à un forage récent réalisé en Antarctique de l'Est permettant d'obtenir une carotte de glace profonde (EPICA/Dome C, 3270 m). Ces éléments ont été étudiés dans de nombreuses sections de la carotte de glace EPICA/Dome C de 263 000 à 671 000 ans avant nos jours. <br /><br />L'analyse d'éléments crustaux, métaux, métalloïdes, terres rares, mercure ont été réalisées grâce à un spectromètre de masse à secteur magnétique couplé à un plasma induit. La caractérisation des isotopes du plomb et l'analyses de methylmercure et mercure inorganique ont quant à elles étaient rendues possible par l'utilisation d'un spectromètre de masse à ionisation thermique et d'un spectromètre de masse à temps de vol couplé à un plasma induit. Ces analyses ont toutes été effectuées en salle blanche. <br /><br />L'étude des éléments crustaux (V, Cr, Mn, Fe, Co, Rb, Ba et U) a permis de quantifier les variations naturelles des flux de ces éléments dans les glaces de l'Antarctique de l'Est de 263 000 à 671 000 ans avant nos jours. On a remarqué de fortes variations naturelles de concentration et de flux au cours de ces 6 cycles climatiques, avec des flux de retombées plus faibles pendant les périodes chaudes (interglaciaires) et des flux plus fort pendant les périodes froides (maxima glaciaires). De plus, ces apports augmentent brutalement en Antarctique de l'Est quand δD ≤ - 430‰. <br /><br />Pour la première fois, les terres rares ont pu être analysées dans une carotte de glace profonde. Les variations temporelles et la provenance des terres rares, d'origine crustale, dans l'Antarctique de l'Est ont été étudiées de 263 000 à 671 000 ans avant nos jours. Ainsi, l'origine géographique des éléments crustaux pendant les périodes glaciaires et interglaciaires a été précisée grâce à la comparaison de données de terres rares obtenues dans la carotte EPICA/Dome C et celles provenant de régions potentielles d'origine des aérosols de l'hémisphère austral. L'Australie et la province de Córdoba apparaissent comme étant les sources dominantes à part égales sur le plateau de l'Antarctique de l'Est au cours des maxima glaciaires peu prononcés (MIS 12.2, 12.4 et 14.2). Différemment, les maxima glaciaires plus prononcés (MIS 8.2, MIS 10.2, 10.4 et16.2) montrent des ratios différents : ces éléments crustaux proviennent à 80-90% de la région de Cordoba et à 20-10% de l'Australie. Pendant les périodes interglaciaires, l'Amerique du Sud (Argentine du Sud, Argentine Centrale, et peut-être la Patagonie), les montagnes Transantarctiques (glacier Koettkitz) et l'Australie apparaissent comme étant les sources dominantes au Dome C. <br /><br />Les concentrations des métaux et des métalloïdes ont été mesurées de 263 à 671 ka BP afin d'examiner la variabilité à long-terme de ces éléments, d'évaluer les contributions de sources naturelles et les modes de transport. De fortes variations naturelles de concentration et de flux au cours de ces 6 cycles climatiques ont été observées, avec des flux de retombées plus faibles pendant les périodes chaudes (interglaciaires) et des flux plus fort pendant les périodes froides (maxima glaciaires). Cependant, certains métaux varient plus que d'autres. En particulier, l'approche isotopique du plomb apporte une contribution importante dans l'interprétation des variations de compositions de poussières d'origine crustale en Antarctique.<br /><br />Finalement, pour la première fois, le mercure total, le methylmercure et le mercure inorganique ont été mesurés dans une carotte de glace profonde. Cette analyse montre des concentrations qui varient considérablement au cours des derniers 671 000 ans, avec de faibles valeurs pendant les interglaciaires et de fortes valeurs pendant les périodes les plus froides. L'analyse de ces éléments a permis de déterminer les variations en paleoproductivité océanique et de mieux comprendre les procédés de dépôts de mercure au cours des derniers 671 000 ans.

Ce travail de thèse est centré sur l'analyse des compositions isotopiques de la glace (d18O et dD) de deux nouvelles carottes de glace longues provenant des régions subtropicale et tempérée des Andes. La première carotte, longue de 42m, a été extraite en 2003 au col du glacier Coropuna au Pérou (72°39'W, 15°32'S, 6425m) et la deuxième de 122m au sommet du glacier San Valentin au Chili (46°35'S, 73°19'W, 4032m) en 2007. L'étude a porté sur la représentativité du signal isotopique comme archive du climat sur le dernier siècle, correspondant à la totalité de la carotte du Coropuna et les 70 premiers mètres au San Valentin, dans deux régions climatiques différentes. Nous avons observé que les enregistrements des signaux isotopiques sont affectés par des processus de post-dépôt. Au col du Coropuna, le signal est lissé par homogénéisation en dessous de 3m de profondeur à cause de la percolation d'eau de fonte et de la diffusion isotopique via un flux de vapeur, et aucune interprétation climatique n'est possible à partir du signal isotopique. Au so mmet du San Valentin, les vents forts, présents toute l'année, érodent et/ou redistribuent la majorité des précipitations annuelles en créant certainement des hiatus sur une voire plusieurs années ou, au contraire, des dépôts exceptionnels de plusieurs mètres. Ces conditions rendent l'identification des cycles isotopiques annuels difficile et aucune relation entre les isotopes et les paramètres climatiques n'a pu être établie due à une datation très incertaine. / This work is focused on the analyses of two new isotopic records (d18O and dD) from Andean ice cores in the subtropics and temperate latitudes. The first 42 m-long ice core was extracted in 2003 from the saddle of Coropuna glacier in Peru (72°39'W, 15°32'S, 6425 m), and the second 122 m-long core in 2007 from the San Valentin summit in Chile (46°35'S, 73°19'W, 4032 m). The isotopic signals were investigated for their suitability as climate archives over the last century, covering the 42 m-long ice core from Coropuna and the first 70 meters of the core from San Valentin, in two different climatic regions. We observed that the isotopic records are affected by post-depositional processes. At the saddle of Coropuna, isotopic homogenization occurs below 3 m as a result of meltwater percolation and isotopic diffusion, and thus the climatic interpretation is not possible. At the San Valentin summit, removal and/or re-deposition of snow by strong winds occurring throughout the year may create a lack of one or more annual snow layers or, on the other hand, may cause unexpected deposits of several meters. Due to these potential conditions, we cannot always identify the annual isotopic cycles and the isotopes histories show no significant correlation with the climatic parameters because of an uncertain dating.

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).