La télédétection satellitaire est en mesure de fournir des informations globales sur les calottes polaires et d'en effectuer un suivi régulier dans le temps. Pour être facilement interprétées, afin d'en déduire les caractéristiques du manteau neigeux observé depuis l'espace (taille, forme de grains, rugosité de surface ... ), les données satellitaires doivent être validées et inversées à l'aide de paramétrisations simples. Il est alors indispensable de définir des paramètres robustes et simples de la taille et de la forme des grains de neige à partir de leur observation. Un moyen d'observation et de mesure est le traitement d'images gui a permis d' établir ces relations et qui a permis un traitement automatique d'un grand nombre de données indépendamment de l'observateur. Un autre problème glaciologique, est l'interprétation des données issues de l'analyse des gaz piégés dans les bulles d'air. Cette étude implique, en particulier, la datation de la glace dans le névé lors de la fermeture des pores, indispensable pour déterminer dans la glace profonde l'âge du gaz par rapport à la glace qui l'emprisonne. En effet la datation des gaz contenus dans les bulles des carottes de glace s'effectue à partir de l'âge de la glace, et par conséquent, elle néces ite la connaissance de la différence d'âge entre les gaz et la glace lors de la fermeture des pores. Ces datations nécessitent l'utilisation des modèles de densification, de fermeture des pores, et de diffusion des gaz dans le névé. Les carottages réalisés dans les régions centrales de l'Antarctique et du Groenland permettent d'obtenir des données expérimentales essentielles pour caractériser le névé polaire. Le traitement automatique des images issues de ces données a fourni les paramètres de structure introduits dans ces modèles. Un autre aspect étudié au Laboratoire de Glaciologie est l'augmentation de la taille moyenne des cristaux de glace avec la profondeur ou l'âge de la glace. Les analyses des lames minces de glace permettant de déterminer ces lois de grossissement des grains ont été réalisées jusgu'à présent manuellement. Le traitement automatique d' images 2D a permis d' analyser les lois de grossissement des grains sur d' autres sites et a permis d' étudier les microstructures en terme d' évolution des distributions de taille et en terme d'évolution de la topologie des grains.

La déformation plastique du monocristaI de glace se produit essentiellement par glissement de dislocations dans les plans de base. Le glissement sur d'autres systèmes ou une éventuelle montée de dislocations basales limite la vitesse de déformation de la glace polycristalline. Dans les glaces des calottes polaires, une orientation préferentielle des axes c se développe au cours de la déformation, induisant une forte anisotropie viscoplastique. Un modèle auto-cohérent viscoplastique (VPSC) est utilisé pour calculer le comportement mécanique de la glace polycristalline et le développement des textures. Les résultats sont comparés à ceux du modèle à contraintes uniformes (borne inférieure) et à déformations uniformes (borne supérieure). Dans les modèles, il est supposé que le monocristal de glace se déforme par glissement basal, prismatique, et pyramidal. La résistance des systèmes de glissement d'un grain in-situ est déterminée à partir de résultats d'essais mécaniques sur des échantillons polycristallins fortement anisotropes. D'après le modèle VPSC, le comportement d'un grain in-situ est semblable à celui d'un monocristal isolé. Ce modèle reproduit parfaitement le comportement expérimental des glaces polycristallines anisotropes. Lorsqu'un polycristal est déformé de telle manière à ce que le glissement basal soit difficilement activé, la direction de la vitesse de déformation est très sensible à la direction de la contrainte, appliquée. De telles conditions de déformation devraient se retrouver dans le voisinage des dômes des calottes polaires. Dans les couches de surface des calottes polaires (zone de grossissement de grains), le modèle VPSC permet d'obtenir une bonne estimation du développement des textures. Dans les glaces plus profondes, on montre que la recristallisation par rotation a une influence significative sur le développement des textures. Une série d'essais mécaniques en laboratoire indique une tendance au comportement newtonien sous de très faibles contraintes.

This thesis presents a palaeoglaciological study aimed to determine the location, geometry and temporal evolution of palaeo-ice streams of the north-easternmost Laurentide Ice Sheet. The work was accomplished through the geomorphological interpretation of satellite imagery over 3.19 x 106 km2 of the Canadian Arctic, using a glaciological inversion scheme. Ice streams were active in this region during most of the time between the Last Glacial Maximum and the last deglaciation. A web of ice streams and inter-ice stream areas existed. Three major ice stream networks are identified: the M'Clintock Channel, Gulf of Boothia – Lancaster Sound and Hudson Strait. The M'Clintock Channel bears the most complex landform record, comprising three generations of palaeo-ice streams. Their location was weakly controlled by the subglacial topography and their geometry was determined by frozen-bed portions of the ice sheet, thus providing evidence for pure ice streams in the Laurentide Ice Sheet. In contrast, the more pronounced relief of the Gulf of Boothia – Lancaster Sound corridor supported topographically controlled ice streams. The landform record on emerged land along Hudson Strait is insufficient to support the existence of ice streams. It is therefore proposed that ice streams were constrained within the deep parts of the strait while flanked by cold-based zones on the margins. Small transient ice streams on Baffin and Prince of Wales islands drained local remnant ice caps during the collapse of the ice sheet. Analysis of the controls on the location and flow of palaeo-ice streams suggests that the interaction between the subglacial topography and thermal state of the substrate plays a more fundamental role than the geology. It is concluded that the behaviour of ice streams cannot be explained in terms of environmental controls alone, but the complex dynamics of ice stream shear margins and onset zones must be considered.

Dans ce travail, nous procèderons d'abord à une étude attentive des séries de mesures existantes. Ensuite, après des rappels sur les différents phénomènes qui participent à la fusion nivale, nous chercherons à schématiser les échanges thermiques de surface, puis le cheminement de l 'eau de fusion à travers le manteau. Un travail semblable a été entrepris, dès 1964, par E.A . ANDERSON, qui a abouti en 1968, à un modèle de fonte intégré depuis dans le Stanford Watershed Model. Toutefois, les données du Col de Porte présentent certaines lacunes et nous conduiront à insister plus particulièrement sur les problèmes d'estimation des quantités non mesurées. Nous décrirons rapidement les essais et la mise au point du modèle, en donnant au passage un aperçu des problèmes généraux r encontrés dans la conception et la mise au point des modèles déterministes en hydrologie, puis nous regarderons comment évoluent les performances de ce modèle quand, sans en changer la structure, on réduit le nombre des variables d'entrée pour ne conserver que celles qui sont généralement disponibles. Dans une dernière partie, nous essaierons d'aborder le problème de manière statistique. Après quelques rappels théoriques, nous chercherons quelles sont les variables les plus explicatives et nous les utiliserons dans un modèle linéaire simple, mais d'une mise en oeuvre plus rapide que nous comparerons au modèle déterministe retenu; L'approche statistique nous suggerera aussi quelques remarques sur les données de débit utilisées, ainsi que sur la méthode du "facteur de fonte" couramment employée.

Les hydrocarbures légers non méthaniques (NMHC) ainsi que le monoxyde de carbone (CO) ont un rôle fondamental dans le bilan des espèces oxydantes tel que l'ozone et les radicaux hydroxyles. Afin de mieux connaitre ce rôle, nous avons cherche à déterminer des teneurs en NMHC et en CO loin des sources de pollution, c'est a dire au dessus de l'océan ou dans des carottes de glace polaire. Nous avons mis en évidence un flux océanique d'isoprène probablement lié à l'activite biologique marine vers 40 m de profondeur. Bien que relativement faible (1,2 Tg-C/a), cette production d'isoprène pourrait constituer un bon traceur des échanges ocean-atmosphère. L'étude des NMHC dans la glace s'est averée difficile étant donnée la quantite de glace requise et la contamination introduite par les matériaux (inox) utilises pour extraire le gaz de la glace. Pour le CO, nous avons mis au point une des premières méthodes analytiques permettant la mesure de concentrations en CO dans l'air piégé par la glace polaire. Nous avons mesuré des échantillons de glace prélevés en Antarctique et au Groenland, et avons trouvé des concentrations moyennes de CO allant de 50 à 110 ppbv. Les résultats indiquent un gradient d'environ 50 ppbv entre les deux régions polaires, mais nous n'avons détecté aucune différence significative entre des échantillons glaciales et interglaciaires. Ces résultats uniques sont préliminaires: pour confirmer nos observations il faudra multiplier les mesures et utiliser à l'avenir un standard précis

Les glaciers intègrent naturellement des informations hydrologiques et énergétiques dans des régions climatiques variées du globe et sont sensibles à des changements minimes de bilan d’énergie de surface. Parmi les paramètres mesurés in-situ traduisant les variations climatiques, le bilan de masse de surface est la variable directement reliée aux conditions atmosphériques qui contrôlent les processus d’accumulation et d’ablation. Un grand nombre de modèles, de complexités diverses, existent pour simuler l’évolution du bilan de masse. Cependant, des questions perdurent quant à l’utilisation de l’approche la plus appropriée, notamment sur de longues périodes de temps. Basés sur de longues séries de mesures réalisées sur quatre glaciers des Alpes françaises (issues du service d’observation GLACIOCLIM), ces travaux de thèse ont pour but d’étudier la sensibilité du bilan de masse aux variables atmosphériques et topographiques, afin d’identifier celles essentielles pour contraindre les modèles.En s’appuyant tout d’abord sur une approche empirique, nos résultats indiquent que pour chaque glacier, la variabilité temporelle de l’ablation s’explique principalement par la variabilité de la température tandis que la variabilité spatiale de la fonte de la neige et de la glace est largement gouvernée par l’insolation. Néanmoins, à l’échelle du glacier, considérer l’insolation en plus de la température ne conduit pas à une amélioration de la performance des modèles empiriques et un modèle type degré-jour apparaît suffisant pour simuler son bilan de masse. L’utilisation du modèle à base physique SURFEX/ISBA-Crocus a permis d’étudier la sensibilité du bilan de masse estival à chacune des variables du bilan d’énergie de surface. Le modèle s’avère très performant pour la simulation des bilans spatialisés, mais nécessite un forçage météorologique précis et distribué spatialement. En particulier, le vent, souvent complexe à représenter dans les modèles atmosphériques,apparaît comme un facteur prépondérant pour modéliser correctement les processus de fonte. Avec des forçages météorologiques bien contraints, ces deux approches (empirique et physique) se révèlent très performantes quant à la modélisation du bilan de masse estival. Toutefois, nos résultats montrent que les bilans annuels restent très conditionnés par les bilans hivernaux du fait de la rétroaction de l’albédo de surface. Une attention particulière a donc été portée sur la simulation de l’accumulation.A partir des données de l’observatoire GLACIOCLIM, notre étude n’a pas permis d’établir de relation significative entre la variabilité spatio-temporelle des bilans hivernaux et les variables morpho-topographiques.Pour cette raison, une campagne spécifique basée sur des mesures LiDAR a été mise en œuvre au Col du Midi (Massif du Mont-Blanc) afin d’affiner le réseau de mesures et d’améliorer la compréhension de la variabilité spatio-temporelle de la couverture neigeuse. Nos résultats montrent la complexité d’obtenir des mesures d’accumulation par différence de MNT, du fait des vitesses d’émergence/submergence. / Glaciers naturally record hydrological and energetic information into varied climatic regions of the world, and are sensitive to small changes in their surface energy balance. The glacier surface mass balance is directly linked to the atmospheric variables which control accumulation and ablation processes. Many models, with different complexities, enable simulations of mass balance evolution, but some questions arise about the best approach to use, especially over long time periods. Based on long measurement series on four glaciers in the French Alps (GLACIOCLIM observatory), this thesis aims at studying the mass balance sensitivity to climatic variations, to identify relevant meteorological variables for modelling. Based on an empirical approach performed on each glacier, temperature was found to be the main driver of temporal ice/snow ablation variability while solar radiations strongly influence the spatial distribution of summer mass balance. However, at glacier scale, to include solar radiation in melt models does not improvethe performances and a classical degree-day model is sufficient to simulate glacier-wide mass balance.The snowpack model SURFEX-ISBA-Crocus was then used to study summer mass balance sensitivity to all surface energy balance fluxes. Results indicate good performances of the model to simulate mass balance at each stake, but it requires accurate meteorological forcing. In particular wind, generally difficult to assessby atmospheric models, appears as a key factor for an accurate ablation modelling. Our work emphasizes that both physical and empirical approaches are very efficient for ablation modeling when forced with accurate meteorological data. Yet, annual mass balances remain very sensitive to wintermass balance due to the surface albedo feedback. For this reason, simulating accumulation processes remainsas important as ablation modelling. Using GLACIOCLIM data measurements, our study failed to find relevant relationship between winter mass balance and topographical variables such as slope, aspect, elevation, due to insufficient spatio-temporal resolution. To fill this gap of measurements, we set up a dedicated field campaign to improve our understanding of the spatio-temporal variability of the snow depth distribution on Alpineglaciers. This year-round campaign was performed using LiDAR acquisitions at Col du Midi (Mont Blancmassif). Results underline the complexity of accurate accumulation measurements from DEM differences due to submergence/emergence velocities.

Les forages polaires profonds contiennent des enregistrements des conditions climatiques du passé et de l'air piégé qui témoignent des compositions atmosphériques du passé, notamment des gaz à effet de serre. Cette archive nous permet de décrypter le rôle des gaz à effet de serre dans les variations climatiques pendant huit cycles glaciaire-interglaciaires, soit l'équivalent de plus de 800 000 ans. Les carottes de glace, comme toute archive paléoclimatique, sont caractérisées par des incertitudes liées aux processus qui traduisent les variables climatiques en proxy, ainsi que par des incertitudes dues aux chronologies de la glace et des bulles d'air piégées. Nous développons un cadre méthodologique, basé sur la modélisation inverse dite Bayesienne et l'évaluation de fonctions complexes de densité de probabilité, pour traiter les incertitudes liées aux enregistrements paléoclimatiques des carottes de glace de manière précise. Nous proposons deux études dans ce cadre. Pour la première étude, nous identifions les probabilités de localisation des points de changement de pente de l'enregistrement du CO2 dans la carotte de WAIS Divide et d'un stack d'enregistrements de paléotempérature a partir de cinq carottes Antarctiques avec des fonctions linéaires par morceaux. Nous identifions aussi les probabilités pour chaque enregistrement individuel de température. Cela nous permet d'examiner les changements de pente à l'échelle millénaire dans chacune des séries, et de calculer les déphasages entre les changements cohérents. Nous trouvons que le déphasage entre la température en Antarctique et le CO2 à probablement varié (en restant inferieur, generalement, à 500 ans) lors de la déglaciation. L'âge des changements de temperature varie probablement entre les sites de carottage aussi. Ce résultat indique que les mécanismes qui reliaient la température en Antarctique et le CO2 lors de la déglaciation pouvaient être differents temporellement et spatialement. Dans la deuxième étude nous développons une méthode Bayesienne pour la synchronisation des carottes de glace dans le modèle inverse chronologique IceChrono. Nos simulations indiquent que cette méthode est capable de synchroniser des séries de CH4 avec précision, tout en prenant en compte des observations chronologiques externes et de l'information à priori sur les caractéristiques glaciologiques aux sites de forage. La méthode est continue et objective, apportant de la précision à la synchronisation des carottes de glace. / Deep polar ice cores contain records of both past climate and trapped air that reflects past atmospheric compositions, notably of greenhouse gases. This record allows us to investigate the role of greenhouse gases in climate variations over eight glacial-interglacial cycles. The ice core record, like all paleoclimate records, contains uncertainties associated both with the relationships between proxies and climate variables, and with the chronologies of the records contained in the ice and trapped air bubbles. In this thesis, we develop a framework, based on Bayesian inverse modeling and the evaluation of complex probability densities, to accurately treat uncertainty in the ice core paleoclimate record. Using this framework, we develop two studies, the first about Antarctic Temperature and CO2 during the last deglaciation, and the second developing a Bayesian synchronization method for ice cores. In the first study, we use inverse modeling to identify the probabilities of piecewise linear fits to CO2 and a stack of Antarctic Temperature records from five ice cores, along with the individual temperature records from each core, over the last deglacial warming, known as Termination 1. Using the nodes, or change points in the piecewise linear fits accepted during the stochastic sampling of the posterior probability density, we discuss the timings of millenial-scale changes in trend in the series, and calculate the phasings between coherent changes. We find that the phasing between Antarctic Temperature and CO2 likely varied, though the response times remain within a range of ~500 years from synchrony, both between events during the deglaciation and accross the individual ice core records. This result indicates both regional-scale complexity and modulations or variations in the mechanisms linking Antarctic temperature and CO2 accross the deglaciation. In the second study, we develop a Bayesian method to synchronize ice cores using corresponding time series in the IceChrono inverse chronological model. Tests show that this method is able to accurately synchronize CH4 series, and is capable of including external chronological observations and prior information about the glaciological characteristics at the coring site. The method is continuous and objective, bringing a new degree of accuracy and precision to the use of synchronization in ice core chronologies.

Beitrag zu Wasser und Eissatellitendaten zur Bilanzierung von Massentransporten anläßlich einer Festschrift zum 65. Geburtstag von Prof. Reinhard Dietrich.

Beitrag zum Werdegang von Reinhard Dietrich anläßlich seines 65. Geburtstages

Beitrag zur Entwicklung des Höhenrahmens in Deutschland anläßlich einer Festschrift zum 65. Geburtstag von Prof. Reinhard Dietrich.