Le Bilan de Masse de Surface (BMS, c'est-à-dire les précipitations de neige auxquelles est retranchée l'ablation par sublimation, ruissellement ou érosion) de la calotte polaire Antarctique représente une contribution majeure et encore mal connue à l'évolution actuelle du niveau des mers. Le stockage d'eau douce par accumulation de neige sur la calotte posée est supposé s'intensifier au cours du 21eme siècle, modérant l'élévation du niveau des mers et modifiant la dynamique glaciaire. Les trois-quarts du bilan de masse de surface Antarctique sont concentrés au dessous de 2000 m d'altitude alors que cette zone ne représente que 40% de la surface de la calotte posée. Les précipitations orographiques sont une contribution majeure à l'accumulation dans cette région, il est donc crucial d'estimer précisément ce terme. La modélisation de ce processus est fortement dépendant de la résolution des modèles, car les pentes de la calotte influencent l'intensité des précipitations orographiques. La sublimation et la fonte de la neige sont eux aussi fortement dépendant de l'élévation. Bien qu'ils contribuent actuellement peu au bilan de masse de surface de l'Antarctique, ils sont susceptibles de subir des changements importants au cours des prochains siècles. Les modèles atmosphériques de climat, globaux ou régionaux, ne peuvent pas atteindre une résolution allant au delà de 40 km sur l'Antarctique pour des simulations à l'échelle du siècle du fait de coûts de calcul importants. A ces résolutions, la topographie des zones côtières Antarctique n'est pas correctement représentée. C'est pourquoi nous avons développé le modèle de régionalisation SMHiL (Surface Mass balance High-resolution downscaLing) qui permet d'estimer les composantes du bilan de masse de surface Antarctique à haute résolution (~15 km) à partir de champs atmosphériques de plus grande échelle. Nous calculons l'effet de la topographie fine sur les précipitations orographiques et sur les processus de couche limite menant à la sublimation, la fonte et le regel. SMHiL est validé pour la période actuelle à partir d'un jeu de données inédit constitué de plus de 2700 observations de qualité contrôlée. Cependant, les observations représentatives du BMS de la zone côtière Antarctique y sont sous-représentées. Dans ce contexte, nous montrons que la ligne de balise mise en place par l'observatoire GLACIOCLIM-SAMBA en bordure de calotte constitue une référence pour estimer les performances des modèles. Enfin, nous utilisons SMHiL à l'aval du modèle de circulation générale LMDZ4 pour évaluer les variations de BMS au cours du 21eme et du 22eme siècles. Le BMS à haute résolution est significativement différent de celui de LMDZ4 et est plus proche du BMS observé pour la période actuelle. Les résultats suggèrent que les précédentes estimations d'augmentation du BMS au cours du prochain siècle étaient sous-estimées de près de 30% par LMDZ4. Les changements de BMS à faible élévation résulteront d'une compétition entre l'augmentation d'accumulation de neige et de ruissellement. SMHiL est un outil destiné à être appliqué à l'aval d'autres modèles de climat, globaux ou régionaux, pour une meilleure estimation des variations futures du niveau des mers.

Le Bilan de Masse de Surface (BMS, c'est-à-dire les précipitations de neige auxquelles est retranchée l'ablation par sublimation, ruissellement ou érosion) de la calotte polaire Antarctique représente une contribution majeure et encore mal connue à l'évolution actuelle du niveau des mers. Le stockage d'eau douce par accumulation de neige sur la calotte posée est supposé s'intensifier au cours du 21eme siècle, modérant l'élévation du niveau des mers et modifiant la dynamique glaciaire. Les trois-quarts du bilan de masse de surface Antarctique sont concentrés au dessous de 2000 m d'altitude alors que cette zone ne représente que 40% de la surface de la calotte posée. Les précipitations orographiques sont une contribution majeure à l'accumulation dans cette région, il est donc crucial d'estimer précisément ce terme. La modélisation de ce processus est fortement dépendant de la résolution des modèles, car les pentes de la calotte influencent l'intensité des précipitations orographiques. La sublimation et la fonte de la neige sont eux aussi fortement dépendant de l'élévation. Bien qu'ils contribuent actuellement peu au bilan de masse de surface de l'Antarctique, ils sont susceptibles de subir des changements importants au cours des prochains siècles. Les modèles atmosphériques de climat, globaux ou régionaux, ne peuvent pas atteindre une résolution allant au delà de 40 km sur l'Antarctique pour des simulations à l'échelle du siècle du fait de coûts de calcul importants. A ces résolutions, la topographie des zones côtières Antarctique n'est pas correctement représentée. C'est pourquoi nous avons développé le modèle de régionalisation SMHiL (Surface Mass balance High-resolution downscaLing) qui permet d'estimer les composantes du bilan de masse de surface Antarctique à haute résolution (~15 km) à partir de champs atmosphériques de plus grande échelle. Nous calculons l'effet de la topographie fine sur les précipitations orographiques et sur les processus de couche limite menant à la sublimation, la fonte et le regel. SMHiL est validé pour la période actuelle à partir d'un jeu de données inédit constitué de plus de 2700 observations de qualité contrôlée. Cependant, les observations représentatives du BMS de la zone côtière Antarctique y sont sous-représentées. Dans ce contexte, nous montrons que la ligne de balise mise en place par l'observatoire GLACIOCLIM-SAMBA en bordure de calotte constitue une référence pour estimer les performances des modèles. Enfin, nous utilisons SMHiL à l'aval du modèle de circulation générale LMDZ4 pour évaluer les variations de BMS au cours du 21eme et du 22eme siècles. Le BMS à haute résolution est significativement différent de celui de LMDZ4 et est plus proche du BMS observé pour la période actuelle. Les résultats suggèrent que les précédentes estimations d'augmentation du BMS au cours du prochain siècle étaient sous-estimées de près de 30% par LMDZ4. Les changements de BMS à faible élévation résulteront d'une compétition entre l'augmentation d'accumulation de neige et de ruissellement. SMHiL est un outil destiné à être appliqué à l'aval d'autres modèles de climat, globaux ou régionaux, pour une meilleure estimation des variations futures du niveau des mers. / The Antarctic Surface Mass Balance (SMB, i.e. the snow accumulation from which we subtract ablation by sublimation, run-off or erosion) is a major yet badly known contribution to changes in the present-day sea level. Water storage by snow accumulation on the Antarctic continent is expected to increase in the 21st century, which would moderate the rise in sea level and impact the ice dynamic response of the ice sheet. Three-quarters of the Antarctic SMB are concentrated below 2000 m above sea level whereas this area represents only 40% of the grounded ice sheet area. Orographic precipitation is a major contributor to snow accumulation in this region, which is why a better estimation of this term is important. The representation of this process by models depends to a great extent on the resolution of the model, since precipitation amounts depend on the ice sheet slopes. Sublimation and snowmelt also depend on elevation, and although they are presently minor contributors to the Antarctic SMB, their role is expected to become more important in the coming centuries. Global and regional atmospheric climate models are unable to achieve a 40-km resolution over Antarctica at a century time scale, due to their computing cost. At this resolution, the Antarctic coastal area is still badly represented. This is why we developed the downscaling model SMHiL (Surface mass balance high-resolution downscaling) to estimate the Antarctic SMB components at a high resolution (~15 km) from large-scale atmospheric forcings. We computed the impact of the high-resolution topography on orographic precipitation amounts and the boundary layer processes that lead to sublimation, melting and refreezing. SMHiL has been validated for the present period with a dataset composed of more than 2700 quality-controlled observations. However, very few of these observations are representative of the Antarctic coastal area. In this context, we show that the GLACIOCLIM-SAMBA stake lines located on the ice sheet coast-to-plateau area is an appropriate reference to evaluate model performance. Finally, we used SMHiL to estimate the SMB changes during the 21st and 22nd centuries, by downscaling the atmospheric global climate model LMDZ4. The high-resolution SMB is significantly different from the SMB given by LMDZ4 and is closer to the observed one for the present period. Our results suggest that previous studies using the LMDZ4 models underestimated the future increase in SMB in Antarctica by about 30%. Future changes in the Antarctic SMB at low elevations will result from the conflict between higher snow accumulation and runoff. The downscaling model is a powerful tool that can be applied to climate models for a better assessment of a future rise in sea level.

La surface enneigée du continent Antarctique, sauf pour quelques heures les après-midi d'été, se refroidit constamment radiativement. Il en résulte une stratification stable persistante de la couche limite atmosphérique qui alimente un écoulement catabatique le long des pentes qui descendent du plateau vers l'océan. Les inversions de températures et les vitesses de vents associées sont extrêmes l'hiver où une inversion moyenne de 25°C sur le plateau et des vitesses dépassant les 200 km/h sur la côte sont régulièrement observées. L'été, les inversions restent très marquées la nuit, mais le réchauffement de la surface par le soleil conduit au développement de couches convectives l'après midi. Des replats et des pentes immenses et vides, inlassablement recouverts de neige : l'Antarctique est un laboratoire unique pour étudier les transitions entre les régimes turbulents, et surtout la turbulence dans les couches limites stables et catabatiques. Des processus délicats à étudier, puisque très sensibles aux hétérogénéités de la surface. Ce travail de thèse documente trois cas d'école estivaux typiques : le cycle diurne sur le plateau Antarctique, la génération d'un écoulement catabatique local, et la couche limite soumise à un forçage catabatique. Ces trois situations ont été explorées avec des observations in-situ. Pour deux d'entre elles, les observations ont nourri et ont été complétées par des simulations avec le modèle atmosphérique Méso-NH. Le premier cas s'intéresse au cycle diurne au Dôme~C. Le Dôme~C, sur le plateau Antarctique est une zone plate et homogène éloignée des perturbations océaniques. Depuis quelques années, une tour de 45 m échantillonne la couche limite. L'été, un cycle diurne marqué est observé en température et en vent avec un jet de basse couche surgéostrophique la nuit. Une période de deux jours, représentative du reste de l'été, a été sélectionnée, pour la construction du cas d'intercomparaison GABLS4, préparé en collaboration avec Météo-France. Les simulations uni-colonnes menées avec le modèle Méso-NH ont montré la nécessité d'adapter le schéma de turbulence afin qu'il puisse reproduire à la fois les inversions de température et l'intensité de la turbulence mesurées. Le deuxième cas d'école examine un écoulement catabatique généré localement, au coucher du soleil, observé sur une pente de 600 par 300 m en Terre Adélie. Certaines caractéristiques de la turbulence, en particulier l'anisotropie, ont été explorées à l'aide de simulations à fine échelle (LES). Le troisième cas s'intéresse à la couche limite mélangée typique des zones côtières soumises à un vent intense. Ce vent d'origine catabatique, a dévalé les 1000 km de pente en amont. En remobilisant la neige, il interagit avec le mélange turbulent. Le travail s'est intéressé dans ce troisième cas à l'impact du transport de neige sur l'humidité de l'air et au calcul des flux turbulents à partir des profils de température, vent et humidité. / Except during a few summer afternoon hours, the snow-covered surface of Antarctica is constantly cooling because of radiative processes. This results in a stable, persisting stratification of the atmospheric boundary layer that feeds katabatic winds along the slopes descending from the Plateau to the Ocean. Temperature inversions and wind speeds both peak during the winter, with inversions regularly reaching 25 degrees (C) over the Plateau and winds exceeding 200,km/h along the coast. In the summer, significant inversions remain at night but solar heating leads to the formation of convective layers near the surface in the afternoon. With berms and large, empty slopes constantly covered with snow, Antarctica is a unique and perfect laboratory for the study of transitions between turbulent regimes and of the turbulence within stable and katabatic boundary layers. The investigation of these processes is usually made difficult by their sensitivity to heterogeneities at the surface. This thesis work documents three typical "text-book" summer cases: the diurnal cycle on the Antarctic Plateau, the generation of a local katabatic wind and the katabatic forcing of the boundary layer. The investigation of these three cases uses in-situ data. For two of these cases, the observational data has fed and been completed with some Meso-NH model simulation outputs. The first case focusses on the diurnal cycle at Dome C. On the Antarctic Plateau, Dome C is a flat, homogeneous area far from oceanic perturbations. Since a few years, a 45 meters tower samples the boundary layer there. In the summer, the diurnal cycle there is characterized by clean signals in both temperature and winds, with a nocturnal low-level jet within the boundary layer. A two-days data set representative of the rest of the summer has been selected for analysis and is used in the GABLS4 comparison study prepared in collaboration with Meteo France. Single-column simulations have been run for this comparison work launched in June. The second case examines a local katabatic flow generated at sunset over a 600 by 300 meters slope in Terre Adelie. Characteristics of the turbulence of this flow, in particular, its anisotropy, are investigated using small-scale model simulations. A measuring station has been deployed in order to prepare and evaluate these simulations. The third case is concerned with boundary layers typical of coastal areas with strong winds of katabatic origins, which have flown over 1000 km-long slopes towards the sea. By moving around the snow at the surface, these winds interact with turbulent mixing processes. For this final case, the work is interested in the impact of blowing snow on atmospheric moisture and with the calculation of turbulent fluxes based on temperature, wind and humidity profiles.

L’observation des couches limites atmosphériques au dessus du plateau antarctique a mis en évidence les plus fortes inversions de température proches de la surface de la planète. Bien paramétriser ces couches limites extrêmes dans un modèle de circulation générale est essentiel pour represéntercorrectement l’inversion climatologique de température au dessus du plateau, mais également pour reproduire des vents catabatiques réalistes en aval du plateau et de surcroit, une circulation atmosphérique correcte dans l’hémisphère sud. Les conclusions des précédentes "Gewex AtmosphericBoundary Layer Studies" (GABLS) ont conduit au constat que la paramétrisation des couches limites stables dans les modèles climatiques est une des priorités pour la communauté des modélisateurs.Ceci est dû au fait que la nature même des processus physiques en jeu est mal connue mais aussi parce que les lois de similitudes, sur lesquelles les paramétrisations du mélange turbulent sont fondées, ne sont pas applicables en condition très stable. L’objectif de ces travaux de thèse est d’évaluer et d’améliorer la représentation des couches limites sur le plateau antarctique dans le modèle français de circulation générale Laboratoire de MétéorologieDynamique-Zoom (LMDZ), composante atmosphérique du modèle de climat IPSL. Avant l’évaluation même du modèle, une étude approfondie de la couche limite de surface et de la structure de la couche limite stable a été conduite à partir de l’analyse de mesures in situ au Dôme C. Il en a résulté une caractérisation de la hauteur de rugosité aérodynamique, une estimation des flux turbulents de surface sur une année entière ainsi que la mise en évidence de sursaturations de la vapeur d’eau par rapport à la glace. L’analyse des mesures de température et de vent le long d’une tour de 45 m a aussi montré que la couche limite se comporte tel un système dynamique à deux régimes distincts. La relation entrevitesse du vent et inversion de température décrit un "S renversé", suggérant une transition de régime suivant un hystérésis. Une étude complémentaire a révélé que ce comportement dynamique à deux régimes est une caractéristique générale et robuste des couches limites stables, qui peuvent transiter,selon l’intensité des forçages, d’un régime ’turbulent’ peu stable à un régime ’radiatif’ très stable et vice et versa.Le modèle LMDZ a ensuite été évalué en configuration 1D sur un cycle diurne d’été dans le cadre de la quatrième expérience GABLS. Des tests de sensibilité aux paramètres de surface et à la paramétrisation du mélange turbulent ont été réalisés. Ils ont conduit à de nettes améliorations des performancesdu modèle ainsi qu’à la mise en place d’une configuration adaptée aux conditions antarctiques. Des simulations complémentaires en 3D ont par la suite soulevé l’importance du transfert radiatif infrarouge et de la paramétrisation des flux turbulents de surface pour la modélisation de la couchelimite sur le plateau pendant la nuit polaire. Enfin, les travaux de thèse ont été étendus à la modélisation des couches limites stables continentales. Les paramétrisations locales de turbulence ont en effet tendance à sous-estimer le mélange sous-maille continental, en raison de la multitude des processusde mélange en jeu. Un réflexion a donc été portée sur la façon de palier ce manque de mélange, avec comme idée directrice de transférer la perte d’énergie cinétique grande échelle perdue lors du freinage de l’écoulement par les ondes de gravité, vers de l’énergie cinétique turbulente. / Observation of the Atmospheric Boundary Layers (ABL) above the Antarctic Plateau has revealed the strongest near-surface temperature stratifications on the Earth. A correct parametrization of the very stratified Antarctic ABLs in General Circulation Models (GCM) is critical since they exert a strongcontrol on the continental scale temperature inversion, on the coastal katabatic winds and subsequently on the Southern Hemisphere circulation. The previous Gewex Atmospheric Boundary Layer Studies (GABLS) highlighted that the parametrization of the very stratified, or very stable, ABLs isone of the most critical challenge in the atmospheric modelers community. Indeed, the nature of the mixing processes are not completely understood and the commonly used similarity laws, on which the model’s parametrization are usually based, are no longer valid. The aim of this PhD work is to evaluate and improve the modelling of the ABL over the Antarctic Plateau by the Laboratoire de Météorologie Dynamique-Zoom (LMDZ) GCM, the atmospheric component of the IPSL Earth System Model in preparation for the sixth Coupled Models Intercomparison Project. Before the model evaluation itself, an in-depth study of the dynamics of the atmospheric surface layer and of the stable ABL over the Antarctic Plateau was carried out from in situ measurements at Dome C. The analysis enabled the first estimations of the roughness length and of the surface fluxes during the polar night at this location as well as the characterization of very frequent occurences of near-surface moisture supersaturations with respect to ice. Investigation of meteorological measure-ments along a 45 m tower also revealed two distinct dynamical regimes of the stable ABL at this location. In particular, the relation between the near surface inversion amplitude and the wind speed takes a typical ’reversed S-shape’, suggesting a system obeing with an hysteresis. A further analysisshowed that this is a clear illustration of a general and robust feature of the stable ABL systems, corresponding to a ‘critical transition’ between a steady turbulent and a steady ‘radiative’ regime. LMDZ was then run on 1D simulations during a typical clear-sky summertime diurnal cycle in the framework of the fourth GABLS case. Sensitivity tests to surface parameters, vertical grid and turbulent mixing parametrizations were performed leading to significant improvements of the model and to a new configuration better adapted for Antarctic conditions. 3D simulations were then carried outwith the ’zooming capability’ of the horizontal grid and with nudging. These simulations enabled a further evaluation of the model over a full year and extending the analysis beyond Dome C. In particular, this study raised the importance of the radiative scheme and of the surface layer scheme forthe modelling of the ABL during the polar night over the Plateau. Finally, the PhD work extented toward the modelling of the stable ABL over the other continents, assessing how the frequently underestimated subgrid mixing of momentum and heat can be compensated by a transfer of large scalekinetic energy toward turbulent kinetic energy when the flow is slowed down by orographic gravity wave drag.

Durant les dernières décennies, la Péninsule Antarctique a été identifiée comme étant la région où le réchauffement récent est le plus marqué dans l’Hémisphère Sud. Cependant, au-delà de la période instrumentale, la variabilité climatique Holocène de cette partie du globe est en grande partie inconnue. Cette absence de données limite notre capacité à évaluer les l’amplitude des changements actuels dans le contexte de la variabilité historique ainsi que les mécanismes de forçage sous-jacents. Nous avons ainsi ciblé nos analyses sur des enregistrements sédimentaires prélevés à l’Est et à l’Ouest de la Péninsule Antarctique, avec pour objectif d’étendre les connaissances spatiales et temporelles des conditions de l’océan de surfaces dans ce secteur de l’Antarctique au cours du dernier siècle, du dernier millénaire ainsi que durant l’Holocène. La méthodologie de cette thèse est basée sur une comparaison multi-proxies qui inclut, comme outils principaux, les assemblages des diatomées et les biomarqueurs spécifiques de diatomées (HBIs). Nous avons pu ainsi documenter la réponse régionale environnementale aux variations climatiques à différentes échelles de temps, et définir les mécanismes forçant sur la variabilité des conditions d’océan de surface ainsi que la formation du couvert de banquise en Péninsule Antarctique. La comparaison de nos enregistrements avec des données issues des carottes de glace, a permis de mettre en évidence le rôle important des changements d’intensité des cellules atmosphériques sur la dynamique de la circulation océanique, la durée du cycle saisonnier de banquise et la productivité siliceuse. / The Antarctic Peninsula has been identified during the last decades as the region from the Southern Hemisphere which is the most affected by the recent warming. However, beyond the instrumental period, the Holocene climate variability of this area is largely unknown, limiting our ability to evaluate the current changes within the context of historical variability and underpin the underlying forcing mechanisms. We focused our analysis on sedimentary sequences from the Eastern and Western side of the Antarctic Peninsula, in order to expand the spatial and temporal knowledge of sea-surface conditions over the last century, the last millennium and throughout the Holocene in this Antarctic area. The inferences are based on a multi-proxy comparison mainly using diatom assemblages and diatom specific biomarkers (HBIs). We documented the regional environmental response to climate changes at different time scales and described the forcing mechanisms on the sea-surface conditions and sea ice cover variability in Antarctic Peninsula. Comparing our results with ice core data allowed us to highlight the large impact of atmospheric forcings on the oceanic circulation, the seasonal sea ice dynamics and the siliceous productivity.

A l’échelle continentale, la Cordillère des Andes présente d’importantes courbures. Une des plus importantes est la Courbure de la Patagonie, où le cours de l’orogène et de ses principales provinces tectoniques pivotent de près de 90°, passant d’une orientation N-S à 50°C à une orientation E-O en Terre de Feu. Malgré son importance, l’origine de la Courbure de la Patagonie et son implication dans les reconstructions paléogéographiques demeurent sujet à controverse: est-elle le résultat d’un plissement oroclinal, ou bien une caractéristique héritée? C’est dans ce contexte que j’ai réalisé une étude paléomagnétique et de susceptibilité d'anisotropie magnétique dans la région des Andes Australes. Les résultats obtenus suggèrent que la partie intérieure de cette courbure soit une caractéristique secondaire liée à l’évolution de la Péninsule Antarctique. / At the continental scale, the Andes presents significant curvatures. One of the largest is the curvature of Patagonia, where the orogen and its main tectonic provinces are rotated about 90 ° from an NS direction at 50 ° to an EO orientation in Tierra del Fuego. Despite its importance, the origin of the curvature of Patagonia and its involvement in paleogeographic reconstructions remain controversial: is the result of an oroclinal bending, or an inherited characteristic? It is in this context that I made a paleomagnetic and magnetic susceptibility anisotropy in the Austral Andes region. The results suggest that the inner part of the bend is a secondary feature linked to the evolution of the Antarctic Peninsula.In this thesis, I will present the results of a paleomagnetic and anisotropy of magnetic susceptibility (AMS) study of 146 sites sampled between 50 ° S and 55.5 ° S (85 sites in marine sedimentary rocks of the Cretaceous-Miocene of the Magallanes fold and thrust belt; 20 sites in sedimentary and volcanic rocks south of Cordillera Darwin, 41 sites in intrusive rocks of the Cretaceous-Eocene batholith. The AMS results in the sediments show that the magnetic fabric is controlled by tectonic processes, partially or completely obliterating the sedimentary fabric. In general, there is a good correlation between the orientation of the magnetic lineation and that of the fold axes except at Peninsula Brunswick. The wide variation in the orientation of magnetic fabrics within the batholith suggests an emplacement of intrusive without tectonic constraint. Paleomagnetic results obtained in Navarino Island and Hardy Peninsula, south of the Beagle Channel, show a post-tectonic remagnetization recording a counterclockwise rotation of more than 90 ° as that recorded by the intrusive rocks older than ~ 90Ma. The Upper Cretaceous to Eocene intrusive rocks record counterclockwise rotations of lower magnitude (45 ° -30 °). In contrast, the Magallanes fold and thrust belt mainly developed between the Eocene and Oligocene records little or no rotation. Spatial and temporal variations of tectonic rotations determined in this study support a model of deformation of the Austral Andes in two steps. The first step corresponds to the rotation of a volcanic arc by closing a marginal basin (the Rocas Verdes basin) and formation of Cordillera Darwin. During the propagation of deformation in the foreland, the curvature acquired by the Pacific border of the Austral Andes is accentuated by about 30 °. The tectonic reconstructions using the most recent Global Plate Tectonic model show the essential role of the convergence between the Antarctic Peninsula and South America in the formation of Patagonian orocline during the Late Cretaceous to the Eocene.

La situation en Antarctique est complexe. Continent peu connu et isolégéographiquement,les processus qui contrôlent son bilan de masse et son bilan d'énergie sont encore mal compris. Dans ce contexte, l'étude de la température de surface connaît un intérêt grandissant de la part de la communauté scientifique. En effet, en contrôlant fortement la température de la neige jusqu'à des dizaines, voire des centaines, de mètres sous la surface, la température de surface influence l'état thermique de la calotte du plateau antarctique, sa dynamique et, par conséquent, son bilan de masse. De plus, en agissant sur les émissions de flux thermiques infrarouges et sur les flux turbulents de chaleurs sensibles et latents, la température de surface est directement liée au bilan énergétique de surface du plateau antarctique. L'analyse de la température de surface et l'étude des processus physiques à l'origine de sa variabilité participent à l'amélioration de la compréhension du bilan énergétique de surface, étape nécessaire pour déterminer l'état actuel de sa calotte et faire des prévisions sur sa potentielle contribution à l'élévation du niveau des mers. Ce travail de thèse participe à cet effort en s'intéressant au cycle diurne de la température de surface et aux différents facteurs contribuant à sa variabilité spatiale et temporelle sur le plateau antarctique. Il débute par une évaluation de différentes données entre 2000 et 2012 montrant le bon potentiel de la température de surface MODIS qui peut dès lors être utilisée comme donnée de référence pour l'évaluation des modèles et réanalyses. Un biais chaud systématique de 3 à 6°C dans la réanalyse ERA-interim de la température de surface est ainsi mis en évidence sur le plateau antarctique. L'observation du cycle diurne de la température de surface a, quant à elle, permis d'identifier la densité superficielle parmi ses facteurs de variabilité. Sur les premiers centimètres du manteau neigeux où se concentrent la majorité des échanges de masse et d'énergie entre l'atmosphère et la calotte antarctique, la densité de la neige est une donnée cruciale car elle agit sur l'absorption du rayonnement solaire dans le manteau neigeux mais également sur la conductivité thermique du manteau et donc sur la propagation de la chaleur entre la surface et les couches en profondeur. La densité superficielle de la neige présente cependant de nombreuses incertitudes sur sa variabilité spatio-temporelle et sur les processus qui la contrôlent. De plus, ne pouvant être mesurées qu'in situ, les données de densité superficielle en Antarctique sont restreintes géographiquement. Cette thèse explore une nouvelle application de la température de surface consistant à estimer la densité superficielle de la neige via une méthode d'inversion de simulations numériques. Une carte de la densité superficielle en Antarctique a ainsi pu être produite en minimisant l'erreur de simulation sur l'amplitude diurne. / The antarctic ice sheet is a key element in the climate system and an archive of past climate variations. However, given the scarcity of observations due to the geographical remoteness of Antarctica and its harsh conditions, little is known about the processes that control its mass balance and energy. In this context, several studies focus on the surface temperature which controls the snow temperature up to tens, if not hundreds, of meters beneath the surface. It also influences the thermal state of the antarctic ice sheet, its dynamics, and thus, its mass balance. Surface temperature is also directly linked to the surface energy balance through its impact on thermal and surface turbulent heat flux emissions. Thus, surface temperature analysis and the study of physical processes that control surface temperature variability contribute to the better understanding of the surface energy balance, which is a necessary step to identify the actual state of the antarctic ice sheet and forecast its impact on sea level rise. This thesis work contributes to this effort by focusing on the surface temperature diurnal cycle and various factors impacting spatial and temporal surface temperature variability on the Antarctic Plateau. First, an evaluation of MODIS data, done by comparison with in situ measurements, shows MODIS great potential in the observation of the surface temperature of the Antarctic Plateau under clear-sky conditions. Hourly MODIS surface temperature data from 2000 to 2011 were then used to evaluate the accuracy of snow surface temperature in the ERA-Interim reanalysis and the temperature produced by a stand-alone simulation with the Crocus snowpack model using ERA-Interim forcing. It reveals that ERA-Interim has a widespread warm bias on the Antarctic Plateau ranging from +3 to +6°C depending on the location. Afterwards, observations of the surface temperature diurnal cycle allow an identification of the surface density as a factor of surface temperature variability. On the topmost centimeters of the snowpack where most mass and energy exchanges between the surface and atmosphere happen, density is critical for the energy budget because it impacts both the effective thermal conductivity and the penetration depth of light. However, there are considerable uncertainties around surface density spatio-temporal variability and the processes that control it. Besides, since surface density can only be measured in situ, surface density measurements in Antarctica are restricted to limited geographical areas. Thus, this thesis also explores a new application of surface temperature by estimating surface density in Antarctica based on the monotonic relation between surface density and surface temperature diurnal amplitude. A map of surface density is obtained by minimising the simulation error related to diurnal amplitude of the surface temperature.

Le mercure (Hg) est un métal émis dans l’atmosphère par des sources naturelles et anthropiques. Il est préoccupant à l’échelle mondiale de par sa propagation atmosphérique sur de longues distances, loin des sources d’émissions, sa persistance dans l’environnement, son potentiel de bioaccumulation dans les chaînes alimentaires aquatiques et ses effets néfastes sur la santé humaine. Les modèles atmosphériques, utilisés pour retracer son cheminement depuis les sources d’émissions jusqu’aux dépôts au sein des écosystèmes, sont entachés de fortes incertitudes en raison notamment de notre compréhension partielle des processus atmosphériques (réactions d’oxydo-réduction, dépôts, réémissions) et du manque de données d’observations à l’échelle planétaire. L’objectif de ces travaux de thèse est d’améliorer notre compréhension du cycle atmosphérique du Hg en trois sites reculés de l’Hémisphère Sud : l’île d’Amsterdam (AMS) en plein océan Indien, Concordia (DC) sur la calotte glaciaire antarctique et Dumont d’Urville (DDU) sur la côte Est du continent. Les données acquises à AMS démontrent une réactivité atmosphérique limitée du Hg dans cette région du globe. L’île étant faiblement et rarement influencée par des masses d’air continentales polluées, il s’agit d’un site clé pour la surveillance, sur le long terme, du bruit de fond atmosphérique aux moyennes latitudes de l’Hémisphère Sud. Les données acquises en Antarctique démontrent l’existence de processus inédits en termes de réactivité dans l’atmosphère et à l’interface air-neige. Les processus observés sur la calotte glaciaire influent par ailleurs sur le cycle du Hg à l’échelle continentale du fait des forts vents catabatiques. Ces avancées scientifiques permettront, à terme, de contraindre et d’améliorer les modèles atmosphériques globaux. / Mercury (Hg) is a metal emitted by both natural and anthropogenic sources. It is of global concern owing to its long-range atmospheric transport, its persistence in the environment, its ability to bioaccumulate in ecosystems, and its negative effects on human health. Large uncertainties associated with atmospheric models – that trace the link from emissions to deposition of Hg onto environmental surfaces – arise as a result of our incomplete understanding of atmospheric processes (oxidation pathways, deposition, and re-emission) and of the scarcity of monitoring data at a global scale. The aim of this PhD work is to improve our understanding of the atmospheric Hg cycling at three remote sites of the Southern Hemisphere: Amsterdam Island (AMS) in the Indian Ocean, Concordia (DC) on the East Antarctic ice sheet, and Dumont d’Urville (DDU) on the East Antarctic coast. Data acquired at AMS suggest a limited atmospheric reactivity of Hg in this part of the globe. The advection of polluted continental air masses being scarce, AMS is a key site for the long-term monitoring of the atmospheric background in the Southern Hemisphere mid-latitudes. Data acquired in Antarctica highlight the occurrence of unprecedented processes in the atmosphere and at the air-snow interface. Due to katabatic winds flowing out from the East Antarctic ice sheet down the steep vertical drops along the coast, processes observed at DC influence the cycle of atmospheric Hg on a continental scale. These scientific breakthroughs will ultimately lead to improved global transport and deposition models.

Il a récemment été démontré que la glace de mer antarctique pouvait jouer un rôle significatif dans la dynamique des gaz à effet climatique (dont le dimethylsulfure ou DMS) dans les régions polaires. Ce travail s’est d’abord attaché à la mise au point d’une méthode de mesure fiable du diméthylsulfoxyde (DMSO) dans la glace de mer, supprimant les interférences générées par la production de DMS au sein de l’échantillon en réponse au choc osmotique subi lors de la fonte de l’échantillon de glace. Une procédure de détermination séquentielle du DMS, par broyage à sec, puis du dimethylsulfoniopropionate (DMSP) et du DMSO sur le même échantillon de glace a été développée et utilisée à large échelle dans ce travail. Les données du présent travail ont été acquises dans le cadre de deux programmes d’observation intégrés menés sur la glace de mer antarctique à des saisons différentes mais avec une méthodologie commune :1) choix de sites d’étude homogènes afin de minimiser l’impact de la variabilité spatiale sur l’interprétation des résultats dans une optique d’évolution temporelle et 2) priorité à la caractérisation du cadre physico-chimique (texture, température, salinité, couvert de neige, susceptibilité au drainage des saumures,….) avant toute autre analyse. L’étude menée dans le cadre du programme ISPOL (nov.–dec. 2004) a permis d’observer que la stratification des saumures a un impact positif sur la conversion du DMSP en DMS au sein de la glace mais ralentit les flux de DMS et DMSP vers l’océan. Le couvert de glace est caractérisé à cette période de l’année par une perte nette de DMSP et génère des flux combiné de DMS et DMSP du même ordre de grandeur que les flux de DMS atmosphériques mesurés dans le cadre d’autres études. L’étude menée dans le cadre du programme SIMBA (sept.–oct. 2007) a permis de mettre en évidence l’importance du forçage atmosphérique sur le régime thermique et la dynamique du DMS/P/O dans la glace. Les communautés d’algues de surface produisent de fortes concentrations de DMS/P/O en réponse au stress thermique, osmotique et potentiellement radiatif durant les périodes de refroidissement et la mise en place d’un régime soutenu de drainage des saumures contribue à évacuer périodiquement les hautes concentrations de DMS/P/O produites dans la glace vers l’océan sous-jacent. Le couvert de glace affichant une production nette de DMS/P/O à cette période de l’année génère des flux combinés de DMS et DMSP plus de dix fois supérieurs à ceux observés pour la glace estivale. L’étude menée sur de la glace artificielle a permis de mettre en évidence l’impact des processus physico-chimiques sur la signature en gaz de la glace en croissance constituant un premier pas vers la modélisation des transports de gaz dans la glace de mer et leurs échanges au travers des interfaces glace-océan et glace-atmosphère. <p><p><p>SUMMARY - It has recently been demonstrated that Antarctic sea ice recently demonstrated plays a potentially significant role in the dynamics of climatically significant gases (amongst which dimethylsulphide or DMS) in Polar Regions. This research work has initially focused on the development of a reliable method for the determination of dimethylsulphoxide (DMSO) within sea ice, avoiding interferences generated by DMS production within the sample in response to the osmotic shock caused by melting. A sequential determination procedure of DMS, dimethlsulphoniopropionate (DMSP) and DMSO on the same ice sample has been developed and used on a large amount of samples in the present work. Data presented in this research project have been collected in the framework of two integrated sea ice observation programs focused on Antarctic sea ice at different seasons but following a common approach: 1) choice of homogeneous study sites to minimize the impact of spatial variability on the interpretation of the results in a time series perspective and 2) priority given to the characterization of the physicochemical framework (texture, temperature, salinity, snow cover, susceptibility to brine drainage,…) prior to any other study. The study conducted in the framework of the ISPOL experiment (Nov.–Dec. 2004) demonstrated that stratification of the brine inclusions network positively influenced the conversion of DMSP into DMS but decreased fluxes of DMS and DMSP towards the ocean. The ice cover at that time of the year is characterised by a net DMSP loss and generates combined DMS and DMSP fluxes whose values fall in the range of atmospheric DMS flux from sea ice measured in the frame of other studies. The study conducted in the framework of the SIMBA experiment (sept.–oct. 2007) emphasized the importance of atmospheric thermal forcing on the sea ice thermal regime and DMS/P/O dynamics. The surface community of algae produced elevated levels of DMS/P/O in response to thermal, osmotic and potentially radiative stress during periods of atmospheric cooling while the development of an intense brine drainage regime contributed to periodically release the elevated levels of DMS/P/O produced in the sea ice towards the underlying ocean. The ice cover exhibited at that time of the year a net production of DMS/P/O and produced combined DMS and DMSP fluxes more than ten times higher than those observed for summer sea ice. The study conducted on laboratory prepared growing sea ice emphasised the impact of physicochemical processes on the gas signature of growing sea ice and represents a first step towards modelling gas exchanges within sea ice and across its interfaces with the ocean and the atmosphere.<p> / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce travail de thèse est basé sur la mesure du dioxyde de carbone, CO2, et de son isotopologue stable δ13CO2 dans les bulles d'air emprisonnées dans la glace polaire (carotte EPICA Dome C en Antarctique, EDC). On s'intéresse aux transitions rapides entre périodes glaciaires et interglaciaires. Le δ13CO2 permet de départager l'origine du CO2 entre les sources océaniques ou terrestres.<br />Cette étude documente à haute résolution temporelle l'évolution du CO2 et du δ13CO2 pendant les deux dernières déglaciations. La dernière déglaciation est caractérisée par une augmentation en CO2 de 80 ppmv, accompagnée par une diminution en δ13CO2 de 0.6 ‰. Des amplitudes plus importantes sont observées durant la pénultième déglaciation (+110 ppmv CO2, accompagnés pas une diminution en δ13CO2 de 0.9 ‰). <br />Les mesures, interprétées avec deux modèles du cycle du carbone (BOXKIT et BICYCLE) sont cohérentes avec le scénario suivant. Dans un premier temps, un réchauffement de l'hémisphère sud initie une augmentation du CO2 atmosphérique. Ceci entraîne une réorganisation biologique et physique de l'océan austral qui diminue le δ13CO2. Enfin, cette réorganisation se propage vers le nord avec un impact retardé de la biosphère continentale, pendant le Bølling/Allerød (B/A).<br />Ces résultats obtenus pour la première fois dans la carotte EDC, ont permis de proposer un scénario sur les causes des déglaciations. Une série de tests, basée sur des glaces de différentes propriétés a fourni une validation de notre méthode d'extraction.