Les questions que se pose le glaciologue peuvent souvent être identifiées à des problèmes inverses. C'est ce qui est illustré dans ce travail à travers trois exemples: * Reconstruction des températures du passé : nous essayons de combiner l'information donnée par la composition isotopique de la glace et le profil de température mesuré à Vostok (Antarctique). Cette approche suggère que le profil de température ne permet pas de donner de meilleure estimation de la température du dernier stade glaciaire à Vostok que le thermomètre isotopique classique. * Reconstruction de la composition de l'atmosphère du passé: lors de la transformation de la neige en glace, des bulles d'air de composition voisine de celle de l'atmosphère sont emprisonnées dans la porosité de la glace. Différents processus naturels peuvent altérer la composition de la bulle et l'interprétation des mesures n'est pas immédiate. Nous proposons ici une méthode de déconvolution du signal atmosphérique prenant en compte les phénomènes de diffusion et de gravitation dans le névé polaire. Nous appliquons ensuite cette méthode à l'interprétation des mesures de méthane, CFCs et rapport isotopique du méthane dans le névé et la glace. * Reconstruction des propriétés rhéologiques de la glace à grande échelle : les iceshelves (plates-formes de glace flottantes) constituent avec les ice-streams (fleuves de glace) les éléments dynamiques de la calotte Antarctique. Leur rhéologie est un paramètre important à prendre en compte pour prédire l'évolution de la géométrie de la calotte Antarctique. Nous montrons comment retrouver ce paramètre critique à partir d'un modèle d'écoulement et de mesures de terrain, puis nous fournissons une carte de viscosité apparente du Ross Ice Shelf (Antarctique de l'Ouest). Les techniques d'inversion décrites dans ce travail sont classiques dans de nombreux domaines de la géophysique, mais elles sont peu connues en glaciologie. En les appliquant sous une forme simplifiée, nous nous sommes efforcés de montrer ce qu'elles peuvent apporter à la glaciologie et quelles sont leurs limites.

Les carottes de glace sont des archive climatiques sans équivalents : les gaz contenus dans la glace de la région aride de l'Antarctique de l'Est permettent de reconstruire les compositions atmosphériques au cours des derniers 800 000 ans. Les gaz sont piégés pendant la compaction de la neige tombée sur l'inlandsis. Dans la neige en surface, aussi appelée névé, le réseau poreux interstitiel diminue jusqu'au pincement des pores qui piègent définitivement les gaz dans la glace. Cependant, le processus même de piégeage des gaz impacte l'enregistrement des signaux mesurés dans les carottes. L'interprétation de ces signaux demande de caractériser en quoi ils diffèrent de l'atmosphère passée. Le but de cette thèse est d'étudier deux effets altérant les enregistrements gaz des carottes, le piégeage par couches qui crée des irrégularités stratigraphiques et le lissage qui retire la variabilité rapide de l’enregistrement. Une attention particulière est portée sur les glaces de l'Antarctique de l'Est.Ce travail démarre avec l'étude multi-traceurs d'une carotte de névé forée au site de Lock-In en Antarctique de l'Est. Les résultats montrent que le bas du névé est un empilement hétérogène de strates se densifiant suivant une même évolution de leur réseau poreux. La stratification reflète simplement que certaines strates sont en avance (ou retard) dans leur densification, mais la fermeture des pores est similaire dans toutes les strates. Notamment, les strates contiennent toutes des quantités similaires de gaz, comme le montrent des mesures directes. Des mesures de chimie à haute-résolution montrent que les strates denses ont une haute conductivité liquide, suggérant que la stratification profonde du névé est due à une densification préférentielle induite par des impuretés.Ces connaissances sont appliquées pour étudier des variations centimétriques mesurées dans les signaux méthane des carottes de glace. Pour cette thèse, nous utilisons 6 nouveaux signaux méthane à haute résolution, mesurés dans des carottes d'Antarctique de l'Est à l'IGE. On montre que ces variations sont des artefacts dus aux irrégularités stratigraphiques causées par des strates denses se fermant en avance. Un modèle est proposé pour simuler la présence irrégulière de ces artefacts.Une nouvelle méthode est proposée pour estimer la distribution en âge des gaz dans les carottes, qui à l'origine du lissage des variations atmosphériques rapides. Elle peut être appliquée aux carottes de la dernière période glaciaire, et donne pour la première fois des indications quantitatives sur le lissage des signaux dans les carottes à très faible accumulation. Nos résultats montrent qu'en Antarctique de l'Est, le lissage est peu sensible au taux d'accumulation, et que plus d'information que prévu est préservée lors du piégeage.Enfin, nous présentons le développement d'un nouveau type de modèle micro-mécanique du névé. Son but est de simuler l'évolution des pores dans une strate de névé. Un tel modèle pourrait être utilisé pour contraindre le piégeage des gaz dans la glace, dans des conditions de période glaciaire. / As they contain air from past atmospheres, ice cores are unparalleled climate paleo-archives. The study of the gases enclosed in ice cores from the arid region of East Antarctica allows to infer the past compositions of the atmosphere back to 800,000 years ago. Gases are trapped during the compaction of the snow deposited on top of the ice sheet. In the near-surface snow, also referred to as firn, the interstitial porous network shrinks until it eventually pinches and traps gases in the ice. However, the very process of gas trapping has impacts on the gas signals recorded in ice cores. The interpretation of gas records requires to characterize how ice core and atmospheric signals differ. The aim of this PhD is to study two effects altering ice core gas records, namely gas layered trapping that creates stratigraphic irregularities and firn smoothing that removes fast variability from the record. A specific focus is put on low-accumulation East Antarctic ice cores.This inquiry starts with the multi-tracer study of a firn core drilled at the Lock-In site, East Antarctica. The results show that the bottom of the firn can be seen as a stack of heterogeneous strata that densify following the same porous network evolution with density. In this vision, the stratification simply reflects the fact that some strata are in advance (or late) in their densification, but that pore closure happens in a similar fashion in all strata. This notably means that all strata contain nearly similar amounts of gases, as supported by direct measurements. High-resolution chemistry data indicate that denser strata are characterized by a high liquid conductivity, suggesting that deep firn stratification is due the impurity-induced preferential densification.This knowledge is then used to explain abrupt spikes observed in ice core methane records. For this PhD we rely on 6 new high-resolution methane records, measured in several East Antarctic ice cores at IGE. We show that the abrupt variations are layering artifacts due to stratigraphic irregularities caused by dense firn strata closing in advance. A simple model is developed to simulate the irregular occurrence of layering artifacts.A novel technique is proposed to estimate the age distributions of gases in ice cores, that are responsible for the smoothing of fast atmospheric variations. It can notably be applied to glacial records, and for the first time provides quantitative insights on the smoothing of very low-accumulation records. Our results show that in East Antarctica, the firn smoothing is weakly sensitive to the accumulation rate, meaning that more information than previously thought is preserved.Finally, we present the development of a new type of micro-mechanical firn model. Its ambition is to simulate the evolution of the porous network of a firn stratum. Such a model could be used to better constrain the enclosure of gases in polar ice under glacial conditions.

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.

La glace, lorsqu'elle se forme dans les zones centrales des calottes polaires, est surmontée de plus de 100 m de neige et de névé. Au moment, où elle emprisonne dans ces bulles l'air atmosphérique, l'age de cette glace peut dépasser plusieurs milliers d'années. Ce travail contribue à préciser les étapes de cette transformation neige/névé/glace en s'appuyant sur des données de structure de ce milieu poreux et sur une modélisation physique de ces processus. La structure 2D a été caractérisée grâce à une nouvelle méthode, basée sur l'observation en épiscopie coaxiale de la surface sublimée des échantillons. A l'aide de ces données expérimentales et au regard des théories classiques du grossissement normal des grains, le grossissement dans le névé polaire et son influence sur la microstructure ont été étudiés. La densification du névé polaire a été modélisée en utilisant les processus physiques décrits pour le pressage à chaud des céramiques. Notre modèle physique de densification du névé permet de simuler l'ensemble des profils expérimentaux, en mettant en exergue le rôle prépondérant de la densité à la transition neige-névé liée à la compétition entre les mécanismes de déformation plastique. A partir des études sur le grossissement des grains et du modèle de densification, un modèle décrivant la fermeture des pores dans le névé a été construit. Ce modèle physique permet de reproduire l'évolution des courbes expérimentales de porosité fermée et de proposer une explication aux variations géographiques des mesures de teneur en gaz. Enfin, les modèles de densification et de fermeture des pores ont été utilisés pour simuler la transformation de la neige en glace à Vostok pour des conditions climatiques glaciaires. S'appuyant sur ces modélisations du milieu poreux, un modèle de transport des gaz dans les pores, de l'atmosphère aux bulles de la glace, a été élaboré. Un intérêt particulier a été porté à l'évaluation des coefficients de diffusion des gaz atmosphériques dans le névé poreux, qui ont été mesurés en fonction de la porosité ouverte sur deux sites. Le modèle permet de retrouver à partir des scénario atmosphériques la composition de l'air du névé en fonction de la profondeur. Il constitue la première étape d'une déconvolution objective du signal mesuré dans l'air des bulles de la glace en terme de composition atmosphérique.

Le mercure est un métal toxique émis dans l'environnement par des sources naturelles et anthropiques, et se retrouve dans l'atmosphère majoritairement sous forme élémentaire gazeuse (Hg°). Le cycle naturel de ce polluant a été durablement perturbé par l'Homme, et l'importance de ces perturbations est mal caractérisée à ce jour. L'air des névés polaires contient un enregistrement de la composition passée de l'atmosphère qui n'a jamais été utilisé pour l'étude du cycle du mercure. En 2005 et 2006 à Summit, Groenland Central, nous avons observé une réactivité chimique du mercure dans les trois premiers mètres de neige de surface, se traduisant par des variations journalière et saisonnière des concentrations en Hg° dans l'air interstitiel. Cependant, nous avons montré que ces processus n'affectaient pas l'enregistrement atmosphérique contenu dans le névé profond. Nous avons mesuré les concentrations en mercure élémentaire gazeux dans l'air du névé entre 15 et 79,5 mètres de profondeur, et avons pu établir la fonction de transfert pour Hg° au site de Summit. Cette dernière à alors été utilisée pour reconstruire les concentrations passées de l'atmosphère de Hg° aux moyenne et hautes latitudes nord depuis 1950. Le signal reconstruit montre un maximum à ~3 ng.m-3 en ~1970, et reproduit la stabilité des concentrations observées depuis 1995. Notre modèle met en évidence l'influence forte des émissions humaines sur le contenu en mercure de l'atmosphère. Le puits chimique atmosphérique de Hg° est très actif et permet de fait un transfert rapide du mercure depuis le réservoir atmosphérique vers les réservoirs océaniques et continentaux. Déposé sous formes divalentes, il devient alors disponible pour la méthylation et postérieurement la contamination des écosystèmes.

Le déphasage entre augmentation de température et augmentation de gaz à effet de serre (GES) dans l'atmosphère lors des grandes transitions climatiques passées est estimé grâce aux mesures effectuées dans les carottes de glace polaires dans la phase glace pour la température et dans la phase gaz (bulles d’air piégées) pour la concentration en GES. Ce déphasage est encore mal contraint et, pour résoudre ce problème, il est nécessaire de mieux comprendre le processus mécanique de transformation de neige en glace près de la surface de la calotte (centaine de mètres supérieurs, le névé). En l'absence de fusion, la transformation de la neige (matériau à porosité ouverte en contact avec l'atmosphère) en glace (matériau contenant des bulles d'air isolées) s'effectue progressivement sous l'action des gradients de température près de la surface, puis sous l'action du poids des couches de neige situées au-dessus. Selon les conditions de température et précipitation, ce processus peut prendre quelques décennies à plusieurs millénaires et s'étend sur une centaine de mètres de profondeur. Il contrôle la différence d'âge entre la glace et les gaz qu'elle renferme. La prédiction de la profondeur de piégeage des gaz représente un enjeu majeur pour la paléoclimatologie en particulier sur la séquence des changements relatifs de température et de concentration en gaz à effet de serre.Un modèle thermo-mécanique de densification de la neige a été conçu et développé au LGGE en intégrant la formulation des processus mécaniques, des propriétés thermiques, et des critères de piégeage des gaz. Les performances de ce modèle peuvent être testées et améliorées grâce à des études de structure de névés actuels (densité, rapport porosité ouverte/fermée, …). Pour les périodes plus anciennes, des mesures d’isotopes des gaz inertes d15N et d40Ar) dans l’air piégé dans les carottes de glace polaire permettent d’obtenir des informations directes sur les variations passées de la structure du névé (e.g. épaisseur de la zone diffusive). Les larges divergences observées en Antarctique entre les sorties de modèle de densification et les mesures isotopiques de gaz piégé dans la glace génèrent une grande incertitude sur les reconstructions climatiques passées et comprendre ce désaccord est un défi majeur de la paleoclimatologie actuelle.Dans le cadre de cette thèse, nous avons pris en compte les influences de la dépendance à la température des énergies d'activation et des impuretés (poussières) sur la vitesse de densification. Cela a permis de concilier les données et le modèle. Les résultats du modèle modifié sont globalement cohérents avec les profils de densité mesurés pour des névés actuels et les données d'isotopes de gaz inertes pour les déglaciations (aussi appelées terminaisons). Nous avons également présenté de nouvelles mesures à haute résolution de d15N et d40Ar pour les terminaisons 2 (129-138ka) et 3 (243-251ka) des carottes antarctiques de Dôme C et Vostok. Nous avons montré que les différentes évolutions de d15N entre les différents sites et différentes déglaciations s’expliquaient largement par les différences de taux d’accumulation qui contrôlent la profondeur de transition neige-glace. Nous avons aussi montré que l’utilisation des isotopes de l’air était un complément important à l’utilisation des isotopes de l’eau pour contraindre la dynamique climatique locale en Antarctique de l’Est lors des déglaciations. / The phasing between increases in temperature and greenhouse gas concentrations during large climatic variations in the past is classically estimated using analyses in polar ice cores, in the ice phase for the temperature and in the gas phase (trapped air bubbles) for the concentration of greenhouse gases. This phasing is still insufficiently constrained and solving this problem requires a better understanding of the mechanical process of snow to ice metamorphism near to the top of the ice sheet (i.e. the firn, about 100 m deep). In the absence of melting, the transformation of snow (a material with open porosity in contact with the atmosphere) into ice (a material containing isolated bubbles) occurs progressively as a response to temperature gradients near the surface, and the weight of overlying snow in deeper layers. Depending on temperature and precipitation conditions, this process occurs in a few decades to several millennia and a ~100 meters depth range. It controls the age difference between the ice and the entrapped gases. Predicting the gas trapping depth is a major issue in paleoclimatology, especially in order to understand the phasing between temperature changes and changes in greenhouse gas concentrations.A thermo-mechanical model of snow densification has been developed at LGGE, it includes the main mechanical processes, the thermal properties of ice, and gas trapping criteria. The model performances can be tested and improved using experimental studies of modern firns (density, open/closed porosity ratio, etc). For firnification under ancient climates, measurements of isotopes of inert gases (d15N et d40Ar) in the air trapped in ice cores provide direct informations about past variations of firn structure (e.g. diffusive zone thickness). Large differences between firn densification model outputs and gas isotopic data are obtained in Antarctica, and imply a large uncertainty on past climatic reconstructions. Understanding this discrepancy is a major issue in paleoclimatology.As part of this thesis work, we took into account the effects of the temperature dependence of activation energies and impurities (dust) on the firn densification speed. It allowed to reconcile the model results with available data. The modified model results show an overall consistency with measured density profiles of present-day polar firns and isotopes of inert gases over deglaciations (also called terminations). We also analyze new high resolution measurements of d15N and d40Ar over Terminations 2 (129-138ka) and 3 (243-251ka) on the Dome C and Vostok ice cores. We have shown that the different evolutions of d15N between different sites and different deglaciations are largely explained by differences in accumulation rates that control the snow/ice transition depth. We also showed that the use of air isotopes was an important complement to the use of water isotopes to constrain local climatic dynamics in eastern Antarctica during deglaciations.

L'analyse des rapports isotopiques revêt une importance croissante dans l'étude des sources et puits des gaz traces atmosphériques et dans la détermination des diverses réactions chimiques mises en jeu. Dans le cadre de cette thèse, la composition isotopique du méthane piégé dans l'air du névé d'un site Arctique et d'un site Antarctique a été mesurée. A partir des profils obtenus dans le névé, et grâce à l'application récursive d'un modèle de transport diffusif des gaz à travers le névé, l'évolution du δ13 CH4 dans l'atmosphère depuis 1950 AD a pu être reconstruite pour ces deux sites. La compilation de données existantes avec les résultats de cette étude a permis de déduire une évolution du δ13 CH4 de l'ordre de +0.03‰/an dans l'hémisphère sud et +0.007‰/an dans l'hémisphère nord, depuis 1950 AD. Une méthode d'extraction et d'analyse du protoxyde d'azote dans l'air occlus dans la glace polaire a été mise au point avec succès, donnant alors accès à la composition isotopique du N2O en période pré-industrielle. La composition isotopique du N2O piégé dans le névé et la glace d'un site Arctique et d'un site Antarctique a été mesurée. Les profils alors obtenus ainsi que l'utilisation du modèle de diffusion, également employé pour le CH4, ont donné accès à l'évolution continue du signal isotopique du N2O dans l'atmosphère depuis le début de l'ère industrielle. En couplant les résultats obtenus pour les deux sites, l'évolution du δ15N2O, 1δ15N2O, 2δ15N2O et δ18(O)N2O a pu être déduite : elle est de l'ordre de -2.7‰, -2.4‰, -3.0‰ et -2.0‰ depuis 1700 AD respectivement. Une tendance sur le signal depuis 1970 AD a également pu être obtenue. L'alourdissement du signal isotopique observé dans le cas du méthane et l'allègement obtenu dans le cas du protoxyde d'azote confirment une responsabilité primordiale des sources d'origine anthropique dans l'augmentation exponentielle de la teneur de ces gaz depuis la révolution industrielle et permettent de proposer des scénarii plus restrictifs sur les sources et puits impliqués. Finalement, bien que la mise au point d'un système expérimental dédié à l'analyse de la composition isotopique du monoxyde de carbone par spectrométrie de masse en flux continu n'ait pas été suffisante pour aboutir à un système stable, de nombreuses améliorations ont été apportées afin de pouvoir mesurer les rapports isotopiques de ce gaz dans un futur proche.

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 densification du névé en glace est un processus essentiel à comprendre pour interpréter les enregistrements climatiques. Une bonne connaissance des mécanismes permet une datation précise de l'air capturé dans la glace lors de la fermeture des pores. Celle-ci est plus vieille que l'air capturé à cause du transport des gaz dans la colonne de névé plus rapide que la densification de celui-ci. Cette différence d'âge entre la glace et le gaz est généralement appelé le Δage. La densification de la neige consiste en un processus complexe de réarrangement de grains, de frittage et de déformation viscoplastique. Bien que le comportement viscoplastique du cristal de glace soit fortement anisotrope, les modèles de densification actuels ne tiennent pas compte de cette anisotropie. De plus, le caractère granulaire du névé affecte aussi sa densification. La relation entre la fermeture des pores et les mécanismes microstructuraux sous-jacents est encore méconnue. Le but de cette thèse est d'incorporer l'aspect granulaire ainsi que l'anisotropie du cristal de glace dans une approche de modélisation innovante de la densification. Des expériences sur l'indentation viscoplastique de cylindres monocristallins de glace ont été réalisées pour proposer une loi de contact basée sur la théorie de l'indentation, et prenant en compte la déformation préférentielle du cristal de glace sur les plans basaux. Cette loi de contact a été implémentée dans un code utilisant la méthode des éléments discrets pour prédire la densification du névé.La micro-tomographie aux rayons X a été utilisée pour caractériser ex situ le névé polaire en trois dimensions à différentes étapes de la densification (ρ= 0.55-0.88 g/cm3), i.e. pour différentes profondeurs (~23 à 130m). Une étude fine de la fermeture des pores et de différentes caractéristiques morphologiques et physiques a été réalisée pour les sites polaires Dome C et Lock In. Des essais mécaniques ont aussi été réalisés in situ sur du névé extrait de Dome C dans le but de modéliser la densification du névé. Les observations microstructurales des expériences ex situ et in situ révèlent d'importantes différences dues aux vitesses relativement importantes utilisées lors des essais mécaniques. Ces vitesses rapides permettent de découpler la contribution des cinétiques de diffusion de la contribution viscoplastique de la déformation. Les effets de ces contributions sur la morphologie des pores et leurs fermetures sont discutés. Pour caractériser la fermeture des pores, cette thèse propose un indice de connectivité définit par le ratio entre le volume du plus gros pore sur la porosité totale. En effet, cet indice est plus approprié lors de l'utilisation de la tomographie aux rayons X que le ratio de pores fermés pour prédire la densité au close-off. / Densification from firn to ice is an essential phenomenon to understand for the interpretation of the climate record. A good knowledge of this mechanism enables the precise dating of the air embedded in the ice. The step at which the air becomes entrapped is the pore closure (or close-off). Because of gas flow in the firn column, the ice is older than the entrapped air. The difference between ice and gas is generally defined as Δage.Snow densification consists of grain rearrangements, sintering and viscoplastic deformation. Although the viscoplastic behaviour of the ice crystal is strongly anisotropic, densification models do not take into account this anisotropy. Firn also bears some granular characteristics that may affect its densification. The interactions between pore closure and microstructural mechanisms in the firn are still misunderstood.The aim of this PhD thesis is to incorporate both the granular aspect of firn and its anisotropy into an innovating approach of firn densification modelling. The mutual indentation of viscoplastic monocrystalline ice cylinders was experimentally carried out to propose a contact law that is based on indentation theory and that takes into account the preferential viscoplastic deformation on the basal plane. We have integrated this contact law into a DEM (Discrete Element Method) code for the prediction of firn densification.3D X-ray micro-tomography was performed on polar firn at different stages of the densification (ρ= 0.55-0.88 g/cm3) and depths (~23 to 130m). A thorough investigation of pore closure and of different morphological and physical parameters was achieved for the Dome C and the newly drilled Lock In polar sites. In addition to these ex situ analyses, in situ X-ray micro-mechanical experiments were carried out on firn extracted from Dome C in order to model its densification. Ex situ and in situ microstructural observations indicate significant differences that can be explained by the relatively large strain-rates imposed to the firn during in situ tests. These large strain rates allow for a decoupling of the effects of diffusion kinetics and of viscoplastic deformation. Their relative weights on the morphology of pores and on their closure are discussed. To measure pore closure, we propose a connectivity index, which is the ratio of the largest pore volume over the total pore volume. We show that this index is better suited for X-ray tomography analysis than the classic closed porosity ratio to predict the close-off density

Les régions polaires sont particulièrement touchées par le changement climatique actuel, en raison des mécanismes d'amplification qui y opèrent. Les forages de glace en Antarctique et au Groenland sont des témoins précieux des variations paléoclimatiques locales et donnent aussi accès à des informations sur les modifications environnementales des latitudes plus basses. Ce travail de thèse repose sur l'obtention d'informations délivrées par l'air progressivement emprisonné sous forme de bulle lors du processus de transformation de la neige en glace : la composition élémentaire et isotopique de l'air (N2, O2, Ar et Kr) et la concentration en méthane. Nos résultats permettent de progresser sur trois aspects différents mais intimement liés : (i) L'évolution passée de la structure des névés en Antarctique. La mesure des isotopes du krypton sur le forage profond de Dome C (EDC pour EPICA Dome C) nous permet de mettre en évidence qu'une zone convective de l'ordre de 20-50 m a pu se développer dans le névé en période glaciaire. L'étude conjointe des profils isotopiques de l'azote ("15N) mesurés sur les forages EPICA Dronning Maud Land (EDML) et TALDICE suggèrent que l'évolution de la structure du névé des deux sites ne répond plus de manière simple aux changements du taux d'accumulation en surface lorsque celui-ci dépasse un seuil de 5 ±1.5 cm eq. glace an- 1. (ii) La datation des forages glaciologiques. Nous avons exploité le premier enregistrement de "O2/N2 produit entre 300 000 et 800 000 ans sur l'air piégé dans la glace de EDC. Alors qu'il semble délicat d'utiliser ce signal pour construire une nouvelle datation par calage orbital de ce forage, en particulier pour les périodes de faible excentricité, le "O2/N2 se révèle être un outil pertinent pour tester les limites et les incertitudes de la datation actuelle du forage (EDC3). L'utilisation conjointe des isotopes de l'oxygène atmosphérique et du méthane nous permet d'établir une synchronisation des forages de EDML (Antarctique) et de NorthGRIP (Groenland) couvrant le début de la dernière période glaciaire (75 000-123 000 ans) avec une incertitude inférieure à 400 ans. (iii) Cette datation relative nous permet de décrire les variations climatiques rapides au début de la dernière période glaciaire au Groenland et en Antarctique. Nous mettons en évidence une variabilité climatique sub-millénaire superposée à la succession classique des évènements de Dansgaard Oeschger, i.e. des évènements précurseurs aux évènements rapides, des rebonds climatiques en fin d'interstade. Nous démontrons que le mécanisme de bascule bipolaire entre le Groenland et l'Antarctique est également opérationnel à l'échelle sub- millénaire. Une étude multiparamétrique sur le premier événement abrupt enregistré dans la glace de NorthGRIP (DO25) montre que cet événement caractérise la transition entre la dernière période interglaciaire et la mise en place d'une variabilité abrupte couplant les hautes et les basses latitudes. L'ensemble de nos résultats établit un lien étroit entre la dynamique climatique rapide à l'échelle millénaire et les composantes à évolution lente qui imposent l'état de base du système climatique (configuration orbitale, volume des glaces).