L'objectif des études en télédétection au Laboratoire de Glaciologie et de Géophysique de l'Environnement est de pouvoir mesurer de l'espace les paramètres géophysiques importants caractérisant la surface des calottes polaires, tels que les zones de fonte, la température et l'accumulation de neige. De plus, les mesures satellitaires dans le domaine des micro-ondes offrent l'avantage d'être peu sensibles aux effets atmosphériques et de fournir des informations sur une épaisseur du manteau neigeux de quelques centimètres à plusieurs mètres. Un modèle semi-empirique basé sur le transfert radiatif et un modèle thermodynamique simple ont permis, moyennant l'hypothèse d'une émissivité constante et l'ajustement du coefficient d'extinction dans le milieu, de reconstruire les températures de brillance mesurées par le satellite (données SSM/I), à partir des seules températures de l'air dont nous disposions. Cette méthode a été testée sur deux sites d'Antarctique présentant des caractéristiques de neige différentes. Ce modèle a ensuite été inversé de façon à déterminer la température de surface de la neige à partir des mesures satellitaires. Le problème est actuellement sous déterminé, cependant les résultats sont prometteurs. De manière à valider les modèles, nous avons acquis simultanément, en un site glaciaire du massif du Mont-Blanc, des mesures radiométriques à plusieurs fréquences et angles d'incidence, avec le radiomètre PORTOS du CNES, fixé à une télécabine, et des mesures des caractéristiques du manteau neigeux. Ces mesures ont été étalonnées, corrigées de l'angle local d'incidence, l'effet du diagramme d'antenne sur la mesure angulaire a été évalué. Elles ont alors été comparées aux valeurs simulées par un modèle d'émissivité de la neige pour un milieu uniforme et stratifié et à un modèle de transfert radiatif. Les problèmes de caractérisation de la structure de la neige pour les micro-ondes et de modélisation de la diffusion par les cristaux ont été soulevés.

La complexité du système climatique nécessite de recourir à une grande variété d'indicateurs pour reconstruire ses variations passées. A ce titre, les glaces polaires constituent un outil d'investigation privilégié compte tenu de la grande diversité d'informations qu'elles recèlent. Dans cette étude, nous nous intéressons plus particulièrement au forage antarctique côtier de DSS, sur le site du Law-Dome et aux indicateurs climatiques que constituent les teneurs isotopiques et la teneur en air de la glace. Le nombre d'analyses et la précision des mesures isotopiques requises pour l'étude d'un forage polaire demandent une adaptation et une mise en oeuvre spécifique des techniques classiques de spectrométrie de masse. Notre étude présente une technique nouvelle et originale d'injection des échantillons mise au point sur l'un des spectromètre de masse du laboratoire; elle a permis d'accroître sensiblement le rendement de l'appareil en conservant la précision expérimentale. Récemment de nouvelles études ont remis en cause l'interprétation quantitative classique des isotopes en termes de température. L'analyse de nouveaux échantillons de neige de surface sur la zone de l'Antarctique de l'Est nous permet de discuter la validité de la relation spatiale isotope/température et de proposer une estimation de l'erreur associée. L'utilisation de l'excès en deutérium et d'un modèle isotopique simple apportent une information supplémentaire sur l'origine des précipitations actuelles. Face aux interrogations sur l'impact des activités humaines sur le climat, il est essentiel de replacer les fluctuations récentes dans la cadre de la variabilité climatique naturelle. L'unique résolution temporelle offerte par le forage de DSS nous permet d'étudier en détail le climat des 4000 dernières années. L'analyse spectrale des enregistrements suggère l'existence de modes oscillatoires à rapprocher des phénomènes ENSO et/ou de l'onde circumpolaire antarctique. L'analyse de la teneur en air des échantillons de DSS nous apporte enfin une information sur les variations d'altitude probablement subies par le LawDome au cours de la dernière transition climatique.

La télédétection satellitaire est un outil privilegié pour estimer les caractéristiques des calottes polaires, régions difficiles d'accès de notre planète. Dans le spectre visible et proche infrarouge, les informations reçues proviennent des premiers centimètres du manteau neigeux. Or, la modélisation des propriétés optiques de la neige dans ces gammes d'ondes montre que la réflectance de la neige dépend de la taille de ses grains. Le sujet de cette thèse est d'étudier les relations entre les données de télédétection et la réflectance théorique de la neige pour calculer la taille des grains de la couche de surface d'un manteau neigeux. Une méthode de détermination de la taille des grains est proposée et on effectue une étude de sensibilité aux paramètres intervenant dans le processus: atmosphère, étalonnage, topographie. Deux modèles théoriques sont etudiés et utilisés, sur l'Antarctique et sur les Alpes. De simples rapports de réflectances mesurées dans des canaux différents donnent par ailleurs des résultats prometteurs, et permettront peut-être un suivi opérationnel du manteau neigeux. Enfin, une collaboration avec le Centre d'Etudes de la Neige de Météofrance a donné lieu à une étude des propriétés optiques de la neige polluée par des composants atmosphériques

La jonction "calotte -ice shelf" est le siège du transfert de masses glaciaires entre la calotte et l'ice shelf. Cette définition est déjà en soi une modélisation partielle de la masse de glace. On peut en effet considérer qu'elle est une combinaison de trois types de sous-systèmes: la calotte, l'ice stream, et l'ice shelf. Il est possible de discriminer chacun d'eux par le type de contrainte qui domine l'écoulement. La calotte constitue la plus grande partie en volume de la masse de glace et sa caractéristique essentielle -du moins en ce qui concerne sa dynamique réside dans le fait qu'elle repose sur un socle rocheux. L'ice shelf quant à lui repose entièrement sur l'océan: il flotte. La troisième composante, l'ice stream, peut être considérée comme un cas intermédiaire entre les deux autres. On est donc amené à distinguer deux types de régimes d'écoulement: - dans la calotte, un écoulement par cisaillement dû à l'interaction glace-socle rocheux. - dans l'ice shelf, un écoulement dominé par les contraintes déviatoriques longitudinales; on obtient alors un écoulement par extension.

Cette these presente l'evolution temporelle des concentrations en metaux lourds (pb, cd, zn et cu) mesurees dans les neiges de Summit (Groenland central) deposées entre 1773 et 1992. Les resultats obtenus mettent en evidence que les activites industrielles ont largement pollue la troposphere de l'hemisphere nord a l'echelle globale. Pour le plomb, nous confirmons et completons pour la premiere fois l'augmentation d'un facteur 200 depuis les niveaux naturels (il y a 8000 ans) observé pour les neiges du milieu des années 1960, mise en evidence par c. Patterson et ses collègues en 1969. L'augmentation observee pour les autres metaux (8 fois pour cd, 5 et 4 fois pour zn et cu) montre pour la première fois l'émergence de la source anthropique sur la période 1773-1970. Malgrè la décroissance très nette des concentrations en plomb (6.3 fois), en cadmium (2,3 fois) et en zinc (1.7 fois) observée sur la periode 1970-1992, les teneurs actuelles en métaux lourds des neiges du Groenland central sont encore supérieures aux concentrations observées pour les glaces de l'Holocène, ce qui prouve que les cycles atmosphériques biogéochimiques sont toujours largement dominés par les émissions d'origine humaine.

Les problèmes spécifiques qui se posent lors de la modélisation de l'interaction glace-structure sont relatifs à la prise en compte du matériau endommagé. Une étape préliminaire est la validation d'une loi de comportement du fluage transitoire de la glace polycristalline non-endommagée. Pour cela, et en première approche, une série d'essais de fluage en compression uniaxiale a été menée. Les résultats expérimentaux obtenus permettent de caractériser la déformation transitoire. Celle-ci se décompose en une partie recouvrable et une partie non recouvrable. Les essais quasi-cycliques montrent que la partie irréversible de la déformation est acquise essentiellement au cours du premier cycle, puis augmente faiblement par la suite tandis que la partie recouvrable reste à peu près constante. De plus, il semble que la déformation recouvrée suive une loi quadratique en fonction du décrément de contrainte appliqué. Les modèles existants, soit formulés en termes de fonctions de fluage, soit basés sur une description de l'écrouissage par le biais de variables internes, ont été testés sur les courbes expérimentales obtenues. Les calculs montrent que ces modèles ne peuvent reproduire des essais de charge/décharge et de perturbation de charge autour de la contrainte nominale. Deux nouveaux modèles de comportement sont proposés. Ils peuvent être parfaitement ajustés sur les courbes expérimentales, cependant, le nombre de paramètres à ajuster étant très élevé, se pose le problème de leur identification.

Déposés en Antarctique de l'Est au cours des 4 derniers cycles climatiques, les aérosols volcaniques (5-50 )um) et continentaux (2-3 )um) de la carotte de Vostok constituent des traceurs de circulations atmosphériques passées. Pour reconstruire leurs trajectoires troposphériques, il est nécessaire d'identifier les sources (volcans ou régions désertiques) à l'origine des émissions des cendres et des poussières continentales. Pour cela, on compare les caractéristiques géochimiques des aérosols avec les caractéristiques des sources potentielles répertoriées. Ces analyses reposent sur les concentrations en éléments majeurs (obtenues par microsonde électronique), en éléments traces (ICPMS), et sur les compositions isotopiques en Strontium et Néodyme (TIMS). Nous avons dû adapter ces méthodes analytiques à la petite taille des aérosols et à leur très faible quantité. Les caractéristiques géochimiques des volcans sources potentiels (latitude>30oS, activité<-500 ka) sont basées sur une synthèse bibliographique. On montre que les cendres des horizons volcaniques analysés proviennent essentiellement de l'arc volcanique des îles Sandwichs (situé dans l'Atlantique Sud, à 5000 km), mais aussi d'Antarctique de l'Ouest et d'Amérique du Sud. De plus, certains horizons peuvent être utilisés comme marqueurs stratigraphiques pour dater (e.g. 141 ka) et corréler les carottes. Les caractéristiques isotopiques (Sr et Nd) des régions désertiques d'Afrique du Sud, d'Australie, du Sud de l'Amérique du Sud, d'Antarctique et de Nouvelle Zélande sont mesurées sur des échantillons prélevés in situ. On remarque qu'il est nécessaire d'utiliser, pour la comparaison avec les aérosols, la fraction granulométrique inférieure à 5 um. Il est ainsi montré que les poussières continentales déposées à Vostok au cours des 4 derniers cycles climatiques proviennent de la Patagonie en période interglaciaire (flux -1,5 mg/m2/an) comme en période glaciaire (flux -20 mg/m2/an). Une partie de cette augmentation de flux peut être expliquée par la présence de vastes épandages de particules détritiques fluvio-glaciaires qui recouvrent, en période glaciaire, la Patagonie et le plateau continental argentin émergé. L'ensemble des sources des aérosols volcaniques et continentaux est donc localisé, quelle que soit la période climatique, dans une région située du côté Atlantique de l'Antarctique, aux moyennes et hautes latitudes. Le transport des particules semble quant à lui être assuré par un courant d'ouest circumpolaire convergent versl'Antarctique. Ce travail montre donc que, à partir des aérosols volcaniques et continentaux, on peut obtenir des paléo-informations dynamiques qui, au travers des corrélations, des datations, ou des modèles de circulation atmosphérique globaux, seront utiles aux reconstitutions des climats du passé.

Ces demières annèes, de nombreuses mesures en région polaire ont montré que les concentrations de certains gaz traces réactifs (aldéhydes, oxydes d'azote) étaient très supérieures à ce que la chimie en phase gazeuse pouvait expliquer. Les hypothèses actuellement retenues pour expliquer ces observations comprennent l'émission de composés dissous ou adsorbés dans la neige, et leur production photochimique dans le manteau neigeux, à partir de composés à identifier. Afin de tenter d'expliquer les rapports de mélange du formaldéhyde (HCHO) et de l'acétaldéhyde (CH3CHO) dans l'arctique, des mesures simultanées ont été effectuées dans l'atmosphère et dans la neige, au cours de la campagne ALERT 2000, à Alert (Ellesmere Island, 82,5° N, 62,3° W) en février et avril 2000. Le développement préalable d'une méthode d'analyse sensible de ces composés dans la neige a été nécessaire. Les évolutions temporelles des concentrations en formaldéhyde (HCHO) et en acétaldéhyde (CH3CHO) dans les couches de neige fraîches ont été suivies pendant plusieurs jours. Comme le métamorphisme de la neige conduit à des cycles de sublimation/condensation à la fois de la glace et des espèces dissoutes, nous avons également suivi l'évolution de la microphysique de la neige. Les résultats obtenus nous ont permis de tester différents mécanismes possibles d'incorporation des aldéhydes dans la neige. Connaître le mécanisme prédominant est nécessaire pour quantifier la vitesse d'échange air-neige de ces composés. Les mécanismes possibles incluent l'adsorption à la surface des cristaux de neige, et la dissolution dans leur volume. Les données obtenues ont permis de tester ces différents mécanismes, et d'apporter des éléments nouveaux sur les processus par lesquels le manteau neigeux pouvait avoir un impact important sur la chimie de l'atmosphère. Nous avons notamment émis l'hypothèse que le formaldéhyde était incorporé en volume dans les cristaux de neige et que les échanges avec l'atmosphère se faisaient par diffusion en phase solide. La vérification de ces résultats nécessitait cependant une confirmation par des expériences en laboratoire. Nous avons donc effectué une étude préliminaire de la solution solide HCHOH20 et nous avons obtenu le coefficient de diffusion du formaldéhyde dans la glace (DHCHO) à -15°C : DHCHO = (8±5j x10*11 cm2 s-1 . Cette valeur de DHCHO permet d'expliquer les variations des concentrations en formaldéhyde dans la neige que nous avons observé sur le terrain.

Le monoxyde de carbone (CO) est présent à l'état de trace dans l'atmosphère, il participe à de nombreuses réactions chimiques qui affectent la composition atmosphérique et le climat. Dans le cadre de cette étude, une méthode expérimentale a été mise au point pour extraire le gaz piégé dans la glace ancienne et analyser sa concentration en CO. L'extraction du gaz par fusion et regel de l'échantillon de glace apparaît comme étant la méthode la mieux adaptée à l'étude du CO contenu dans la glace. Des tests "blanc" réalisés à partir de glace artificielle montrent que cette méthode est efficace (pas de contamination en CO détectable) à condition de nettoyer préalablement la surface de l'échantillon. Il reste à déterminer dans quelle mesure ces observations faites sur la glace artificielle peuvent être extrapolées à la glace naturelle. Il semble que ce soit le cas pour la glace antarctique dont le comportement au cours d'un cycle de fusion-regel est similaire à celui de la glace artificielle. Par contre, le cas de la glace du Groenland paraît plus complexe, car elle semble induire, dans certaines sections de carotte, une contamination supplémentaire liée vraisemblablement à des processus in situ de production de CO. La méthode d'extraction par fusion-regel a été appliquée à un nombre important d'échantillons provenant de carottes antarctiques et groenlandaises. Pour la première fois, une interprétation en terme de signal atmosphérique a pu être apportée pour des échantillons couvrant les deux derniers siècles. Ainsi, l'analyse des carottes Eurocore (Groenland) et D47 (Antarctique) nous a pennis de retracer l'évolution au cours de la période 1850-1950 de la concentration en CO aux hautes latitudes. Une augmentation d'environ 20% des teneurs en CO apparaît, au cours de cette période, dans l'hémisphère nord, en phase avec l'évolution des sources anthropiques de CO telles que la combustion du charbon et la consommation des carburants liquides. Au cours de la période 1850-1916, l'Antarctique se caractérise, en revanche, par une relative stabilité des teneurs en CO qui suggère que les hautes latitudes sud sont restées influencées, pendant au moins la première partie de l'ère industrielle, par la prédominance de sources naturelles de CO. A partir d'un scénario d'évolution des sources, nous avons montré que ces résultats présentent des implications importantes dans la compréhension du cycle atmosphérique du CO. Ils suggèrent en effet que des sources anthropiques de CO doivent déjà être prises en compte pour la période pré-industrielle, ce qui constitue une contrainte importante pour les modèles. En marge de ces résultats, l'étude de la partie basse de la carotte Eurocore suggère la possiblité d'interactions physico-chimiques au sein de la glace pouvant modifier le signal atmosphérique originel. Le profil de concentration en CO, présente en effet dans cette partie de la carotte, une variabilité importante qui ne peut pas être a priori expliquée par la modification des sources et des puits de CO. L'existence de mécanismes d'oxydation de la matière organique contenue dans la glace pourrait être à l'origine des variations observées sur ces niveaux. La similitude du profil de CO avec celui du CO2 dans cette partie de la carotte semble confirmer cette hypothèse.

This study presents a comprehensive overview of the current state of the Milne Ice Shelf and how it has changed over the last 59 years. The 205 ±1 km2 ice shelf experienced a 28% (82 ±0.8 km2) reduction in area between 1950 – 2009, and a 20% (2.5 ±0.9km3 water equivalent (w.e.)) reduction in volume between 1981 – 2008/2009, suggesting a long-term state of negative mass balance. Comparison of mean annual specific mass balances (up to -0.34 m w.e. yr-1) with surface mass balance measurements for the nearby Ward Hunt Ice Shelf suggest that basal melt is a key contributor to total ice shelf thinning. The development and expansion of new and existing surface cracks, as well as ice-marginal and epishelf lake development, indicate significant ice shelf weakening. Over the next few decades it is likely that the Milne Ice Shelf will continue to deteriorate.