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).

Les mesures isotopiques de la glace montrent une succession de réchauffements rapides (Dansgaard-Oeschger) pendant la dernière période glaciaire au Groenland. Ils suggèrent aussi une grande variabilité climatique du dernier interglaciaire et de l'entrée en glaciation. Notre travail s'est appuyé sur les développements récents des mesures isotopiques de l'air piégé dans la glace (N2, O2 et Ar) et de la modélisation du névé pour (i) distinguer la variabilité climatique rapide réelle des artéfacts d'écoulement de la glace, (ii) quantifier l'évolution de température au-dessus du Groenland pendant les événements rapides de la dernière période glaciaire et de l'entrée en glaciation, et (iii) étudier les relations de phase entre la dynamique de la température au Groenland et d'autres acteurs du système climatique (teneur en gaz à effet de serre, volume des calottes de glace, végétation, température aux autres latitudes). Nous nous sommes d'abord attachés à définir les limites et précautions associées à la méthode. D'une part, l'analyse isotopique de l'oxygène piégé ne peut être effectuée que sur de la glace de bonne qualité, conservée à -25°C. D'autre part, un ensemble d'études de névé ont permis d'affiner sa représentation et sa modélisation. Malgré la compréhension accrue de la physique du névé, nous montrons, à partir d'une étude de la déglaciation, que des incertitudes sur les caractéristiques de surface (taux d'accumulation, température) limitent l'interprétation climatique actuelle des isotopes de l'azote et de l'argon en Antarctique. La majeure partie de cette thèse est axée sur le Groenland (carottes de GRIP et NorthGRIP). En exploitant conjointement les isotopes de l'air (de l'azote, de l'argon et de l'oxygène), les isotopes de l'eau (de l'oxygène et de l'hydrogène) et un modèle performant de névé, nous pouvons reconstruire le scénario de température en surface du Groenland en éliminant les biais, liés au cycle hydrologique en Atlantique Nord, qui affectent l'interprétation conventionnelle des isotopes de l'eau comme paléothermomètre. Les réchauffements rapides en période glaciaire atteignent jusqu'à 16°C en une centaine d'années. La température au Groenland pendant les événements de Dansgaard-Oeschger se révèle moins stable qu'initialement interprétée d'après les isotopes de l'eau suggérant un lien fort avec l'intensité de la circulation thermohaline via l'atmosphère. A cause d'un mélange de glace, la carotte de GRIP ne permet pas de donner un enregistrement de la dernière période interglaciaire. Néanmoins, l'utilisation conjointe des isotopes de l'oxygène atmosphérique et du méthane piégés dans la glace permet de proposer une séquence discontinue pour le dernier interglaciaire au centre du Groenland. La température y était de 5°C plus importante qu'aujourd'hui mais la glace couvrait encore le centre du Groenland. Le nouveau carottage de NorthGRIP a permis d'obtenir à nouveau de la glace du dernier interglaciaire. Nous montrons que NorthGRIP donne le premier enregistrement continu de l'entrée en glaciation au Groenland et que la glace la plus profonde correspond au milieu du dernier interglaciaire (minimum de volume des glaces). La variabilité climatique rapide est d'abord restreinte à l'Atlantique Nord pendant un premier événement de Dansgaard-Oeschger (DO 25). Dès que le volume des glaces atteint un certain seuil (~ tiers de la différence entre le dernier maximum glaciaire et l'actuel), le deuxième événement de Dansgaard-Oeschger porte la signature typique des événements ponctuant l'ensemble de la période glaciaire.