Documenter la variabilité climatique récente est nécessaire à la compréhension des mécanismes en jeu, associés au rôle du bilan de masse de l’Antarctique pour l’élévation du niveau des mers globale. Les enregistrements issus des carottes peu profondes d’Antarctique sont des données précieuses, complémentaires aux observations instrumentales et satellitaires, pour couvrir en continu l’ensemble du continent. Mesurés le long de ces carottes de glace, les isotopes stables de l’eau sont traditionnellement utilisés pour quantifier les changements passés de la température locale.Cette thèse doctorale a été initiée dans le cadre du programme de l’Agence Nationale de la Recherche ASUMA (“Improving the Accurancy of SUrface Mass balance of Antarctica”), ayant pour objectif de reconstruire et identifier les processus contrôlant la variabilité spatio-temporelle du bilan de masse de surface (BMS) de la Terre Adélie. J’ai utilisé des données d’isotopes stables de l’eau enregistrées dans des carottes de névé, des simulations atmosphériques produites par le modèle atmosphérique de circulation générale de haute résolution ECHAM5-wiso équipé des isotopes stables de l’eau, des réanalyses atmosphériques, des rétro-trajectoires, ainsi que des observations instrumentales satellitaires et de surface.Dans une première partie, j’ai évalué les capacités du modèle ECHAM5-wiso à simuler les températures de l’Antarctique, le BMS, le δ18O et le d-excess (ci-après, d-excess), comme prérequis à l’exploitation du modèle pour interpréter les compositions isotopiques. J’ai développé des diagnostics pour les relations δ18O-température et d-excess- δ18O sur l’ensemble du continent de l’Antarctique, en montrant que les différences issues des pentes des relations δ18O-température spatiales, inter-annuelles et saisonnières. Au sein du groupe de travail international de PAGES (Past Global Changes) Antarctica2k, j’ai utilisé des calibrations établies issues du modèle ECHAM5-wiso pour reconstruire la température de 7 régions d’Antarctique à partir d’une synthèse d’enregistrements de δ18O issus de carottes de glace couvrant les 2 000 dernières années.Dans une seconde partie, de nouveaux enregistrements issus de deux carottes de névé extraites en Terre Adélie, la S1C1 et la TA192A, ont été exploités, couvrant respectivement les périodes 1947-2007 et 1998-2014. Les BMS reconstruits décrivent une grande variabilité spatiale (74,11 ± 14,1 cm w.e. y-1 et 21,8 ± 6,9 cm w.e. y-1 pour la TA192A et la S1C1 respectivement), cohérente avec les données de balise disponibles. En utilisant une base de données mise à jour des isotopes stables de l’eau de l’Antarctique, j’ai montré que les valeurs moyennes isotopiques de Terre Adélie appartiennent à l’intervalle des valeurs côtières de l’Antarctique. Des analyses statistiques montrent une absence de relation entre nos enregistrements avec la température de surface locale à l’échelle inter-annuelle, mais des relations significatives avec des rétro-trajectoires atmosphériques et des simulations isotopiques suggérant que les isotopes de l’eau de la Terre Adélie fournissent des indications de la variabilité de la dynamique atmosphérique et du transport d’humidité, aux échelles saisonnière et inter-annuelle.Les analyses de cette thèse ont été limitées par la quantité d’enregistrements isotopiques disponibles pour la Terre Adélie, ainsi que par le manque de compréhension des effets de dépôt et de post-dépôt. Il est donc nécessaire d’exploiter les nouvelles carottes de névé extraites au cours du programme ASUMA, et d’effectuer en continu des mesures de la composition isotopique des précipitations, de la vapeur d’eau et de la neige de surface de Terre Adélie, en combinaison avec des outils de simulations atmosphériques, tels que des rétro-trajectoires associées à un diagnostic des sources d’humidité, et des modèles atmosphériques de circulation générale et régionaux équipés des isotopes stables de l’eau. / Documenting recent Antarctic climate variability is needed in order to understand the mechanisms at play, associated with the role of Antarctic mass balance for global sea level rise. Proxy records from Antarctic shallow firn cores are precious data, which complement instrumental and remote sensing observations to continuously cover the whole continent. Within these ice cores, water stable isotopes are commonly used to quantify past changes in local temperature.This PhD thesis was initiated within the French Agence Nationale de la Recherche “Improving the Accurancy of SUrface Mass balance of Antarctica” (ASUMA) project, which aims to reconstruct and to identify the processes controlling the spatio-temporal variability of the surface mass balance (SMB) in Adélie Land. I used water stable isotopes records from recently drilled shallow firn cores, as well as atmospheric simulations performed with the high resolution atmospheric general circulation model ECHAM5-wiso model, equipped with water stable isotopes, atmospheric reanalyses and back-trajectories, instrumental and remote sensing climate observations.In a first part, I assessed the skills of the ECHAM5-wiso with respect to Antarctic temperature, SMB, δ18O and deuterium excess (hereafter d-excess), as a prerequisite for the exploitation of the model to interpret isotope compositions. I developed Antarctic-wide diagnostics of the δ18O-temperature and d-excess- δ18O relationships, showing differences in the spatial, seasonal and interannual δ18O-temperature slopes. Within the international working group of PAGES (Past Global Changes) Antarctica 2k, I used the calibrations inferred from ECHAM5-wiso to reconstruct temperatures over 7 Antarctic regions from a synthesis of ice core δ18O records spanning the past 2,000 years.In a second part, new water stable isotope records from two firn core drilled in Adélie Land, the S1C1 and the TA192A, were investigated, covering the periods 1947-2007 and 1998-2014 respectively. The reconstructed SMB display a high spatial variability (74.1 ± 14.1 cm w.e. y-1 and 21.8 ± 6.9 cm w.e. y-1 for the TA192A and S1C1 respectively), consistent with Adélie Land stake data. Using an updated database of Antarctic water stable isotope datasets, I showed that the mean isotopic values (δ18O and d-excess) in Adélie Land are in line with the range of Antarctic coastal values. Statistical analyses show no relationship between our records and local surface air temperature, at the inter-annual scale, but significant relationships with atmospheric back-trajectories and isotopic simulations, suggesting that water stable isotopes in Adélie Land provide fingerprints of the variability of atmospheric dynamics and moisture transport, at the seasonal and inter-annual scales.The analyses performed during this PhD thesis have been limited by the few available Adélie Land water stable isotope records, and by the lack of understanding of deposition and post-deposition processes. Further work is thus needed to exploit the new firn cores drilled within the ASUMA project, and to monitor continuously Adélie Land water stable isotopes in precipitation, surface water vapour and surface snow, in combination with tools of atmospheric simulations such as back-trajectory simulations provided with moisture sources diagnostics, as well as water stable isotopes-enabled atmospheric general and regional circulation models.

Au cours de ce travail nous avons dosé par activation neutronique aux neutrons thermiques le chlore, le sodium et le manganèse dans une centaine d'échantillons de névé prélevés en Antarctique de l'Est. Les prélèvements ont été effectués entre la surface et 90 cm de profondeur le long d'un axe côte -intérieur de 830 km. Nous exposons en détail les techniques de prélèvement et d'analyse utilisées ainsi que les méthodes que nous avons employées pour évaluer les contaminations et contrôler la validité de nos résultats. Ce point est particulièrement important étant donné le bas niveau des concentrations que nous avons mesurées (de 700 ppb à 40 ppb pour le chlore qui est un des éléments les plus abondants en Antarctique, et de 2 ppb à 2. 10- 2 ppb pour le manganèse). Après avoir discuté la représentativité des échantillons analysés, nous avons étudié l'influence de différents paramètres (distance à la côte, accumulation, altitude) sur les concentrations en éléments traces. Nous avons ensuite déterminé l'origine des trois éléments que nous avons dosés; nous avons alors accordé une place importante au chlore qui semble exister à l'état particulaire mais aussi en phase gazeuse au dessus de l'Antarctique. Nous avons enfin calculé les taux de déposition du chlore, du sodium et du manganèse au-dessus de l'Antarctique à partir de la relation existant entre l'accumulation et les quantités déposées de ces trois éléments. En utilisant ces résultats et la composition chimique des différentes sources d'aérosols en Antarctique nous avons estimé le bilan des retombées d'origines marine et continentale; pour faire ce calcul, nous avons traité séparément la frange côtière et la partie intérieure du continent. Le s valeurs obtenues (90.10 3 t. an- 1 pour l'apport marin dans la zone côtière, 140.10 3 t. an- 1 pour l'apport marin ainsi que pour l'apport continental dans la zone intérieure) sont du même ordre de grandeur que les rares résultats publiés jusqu'à présent. Un appendice est consacré au dosage de Cl, Mn, Na, Mg et K par activation neutronique dans des échantllions de glace alpine.

L'air interstitiel extrait du névé de 4 sites polaires nous a donné accès à des échantillons atmosphériques âgés jusqu'à une centaine d'années en quantité suffisante pour l'analyse de la composition isotopique du CH4, considéré comme le second gaz responsable de l'effet de serre induit par l'Homme. L'optimisation d'un dispositif expérimental particulièrement sensible (CF-IRMS) nous a ainsi permis de mesurer le rapport 13CH4/12CH4 d'échantillons d'air pompé à diverses profondeurs du névé dont les résultats, sur 2 des 4 sites étudiés, sont en remarquable concordance avec les rapports mesurés par une autre méthode (TDLAS) au sein du MPI de Mayence (Allemagne). A partir des profils obtenus dans le névé, et grâce à l'utilisation récursive d'un modèle physique de transport diffusif des gaz à travers le névé, nous avons alors pu reconstruire un historique probable du rapport 13CH4/12CH4 dans l'atmosphère au cours du dernier siècle. La contrainte ainsi apportée sur l'évolution du bilan atmosphérique du CH4 nous a permis de confirmer l'hypothèse existante d'une responsabilité primordiale des sources d'origine anthropique dans l'augmentation de 150 % de la teneur en CH4 de l'atmosphère depuis la révolution industrielle. Nous avons également utilisé cette contrainte afin de valider, à travers l'utilisation d'un modèle atmosphérique global, la pertinence de l'hypothèse d'une réduction de 20 % de la capacité oxydante de l'atmosphère depuis 1885. Par ailleurs, une collaboration avec le PSSRI de l'Université d'Open (Royaume-Uni) nous a permis de reprendre la mise au point d'une technique de mesure du rapport CH3D/CH4 dans l'air, que nous avons tenté d'appliquer aux échantillons provenant de 2 des 4 sites déjà considérés en 13C/12C. Enfin, nous avons mis au point et testé avec succès une méthode sensible d'extraction et d'analyse du CH4 de l'air contenu dans les glaces polaires, qui pourra par conséquent être mise en oeuvre pour l'analyse de l'air pré-industriel.

Le mercure est un métal toxique émis dans l'environnement par des sources naturelles et anthropiques. Le cycle naturel de ce polluant, a fortiori la réponse des écosystèmes à ces perturbations par l'Homme, est encore mal quantifié. L'air des névés polaires constitue une archive de la composition passée de l'atmosphère qui permet d'améliorer la connaissance du cycle du mercure. En juillet 2009, à NEEM, Groenland du Nord, nous avons mesuré les concentrations en mercure élémentaire gazeux dans l'air du névé entre 30 et 76 mètres de profondeur, et, grâce à des travaux de modélisation des processus de diffusion, reconstruit les concentrations atmosphériques en Hg° depuis les années 1950, à une échelle spatiale représentative de l'Arctique. Le signal reconstruit présente des concentrations maximales dans les années 1970, synchrones avec le maximum d'émissions anthropiques supposé, puis une décroissance très peu marquée, suggérant une persistance de cette contamination dans l'Arctique. Le plateau antarctique revêt également un intérêt paléoenvironnemental dans la perspective de caractériser l'impact des perturbations anthropiques aux hautes latitudes sud. Néanmoins, la réactivité du mercure dans cette région est méconnue, et sa caractérisation est nécessaire. Nous avons mené une campagne de mesure en janvier 2009 sur le site de Dôme C, Antarctique de l'Est et observé une réactivité marquée du mercure dans la basse troposphère et dans l'air interstitiel du manteau neigeux, mettant en évidence l'existence de processus d'oxydation puissants dans ces deux matrices. De fortes concentrations en mercure ont aussi été mesurées dans la neige de surface.

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.

Cette étude concerne le Glacier de La Mer de Glace et du Tacul . Une prospection séismique , des travaux de topographie ont permis d' approcher la dynamique du glacier, d'étudier la glace et le névé , la structure du glacier .

Il est maintenant admis que les activités humaines, de par l'ampleur qu'elles ont atteinte depuis l'ère industrielle, sont susceptibles de modifier le climat terrestre (IPCC, 1996). Les paléodonnées climatiques et les modèles d'évolution climatique démontrent que les calottes polaires sont particulièrement sensibles aux changements climatiques globaux. De plus elles sont susceptibles de jouer un rôle important mais inconnu à ce jour, sur le niveau des mers. Le terme positif du bilan de masse des calottes polaires est l'accumulation de neige, le terme négatif est constitué par l'écoulement de la glace vers les océans. La taille des calottes polaires et de leur environnement hostile limitent la quantité de données de terrain disponibles. Seule la télédétection satellitaire est en mesure de fournir des informations sur des échelles géographiques aussi grandes que celles de l'Antarctique ou de l'Arctique et d'en effectuer un suivi régulier dans le temps. Mais 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. C'est donc en préalable à l'établissement de ces relations, qu'il est nécessaire de développer des modèles de réflectance de la neige (thèse C. Leroux 1996) prenant en compte les caractéristiques physiques et optiques de la neige, et des modèles d'émissivité micro-ondes (thèse S. Surdyck 1993) qui fournissent des informations de volume sur la morphologie du manteau neigeux. Le manteau neigeux est caractérisé par plusieurs paramètres physiques qui dépendent de la profondeur : la température, la densité, la taille et la forme des grains principalement. Il est alors indispensable d'établir une paramétrisation robuste et simple 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 qui va permettre d' établir ces relations et qui va permettre un traitement automatique d'un grand nombre de données indépendamment de l'observateur. Un autre problème glaciologique, du névé 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'age 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'age de la glace, par conséquent, elle nécessite la connaissance de la différence d'age entre les gaz et la glace lors de la fermeture des pores. A la fermeture des pores, le calcul de l'age de la glace nécessite un modèle de densification et celui de l'age des gaz un modèle de transport dans le névé (thèse L. Amaud 1997). Ces deux modélisations seront pleinement exploitées uniquement si la densité à la fermeture des pores est connue avec précision, d'où le développement d'un troisième modèle physique de la fermeture des pores dans le névé polaire. Les carottages réalisés depuis quelques années dans les régions centrales de l'Antarctique et du Groenland permettent d'obtenir des données expérimentales essentielles pour caractériser le névé polaire. Seul le traitement automatique des images issues de ces données est capable de fournir les paramètres de structure introduits dans les modèles de densification, de fermeture des pores, et de diffusion des gaz. Un autre aspect étudié au Laboratoire de Glaciologie est l'augmentation de la taille moyenne des cristaux de glace (ou grains) avec la profondeur ou l'age de la glace. Ce grossissement des cristaux a été décrit dans la littérature glaciologique (Gow 1969, 1971 et 1975 ; Narita et al. 1978 ; Duval et Lorius 1980 ;A11ey et al. 1982 ; Duval 1985 ; Alley et Bentley 1988). Les analyses des lames minces de glace permettant de déterminer ces lois de grossissement des grains, jusqu'à présent manuelles vont maintenant être réalisées automatiquement par traitement d'images 2D. L'augmentation de la taille moyenne ne représente qu'un seul paramètre des modifications de la microstructirre de la glace liées au grossissement normal des grains. L'utilisation du traitement d'image appliqué à l'étude de ces microstructures va permettre l'observation et l'analyse de ces microstructures en terme d'évolution des distributions de taille et en terme d'évolution de la topologie des grains.