Variabilité climatique récente de l'Antarctique: apports des enregistrements issus de carottes de névé

par Sentia Goursaud

Projet de thèse en Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement


Sous la direction de Michel Legrand et de Valérie Masson-delmotte.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Terre, Univers, Environnement , en partenariat avec Institut des Géosciences de l'Environnement (laboratoire) depuis le 01-10-2015 .


  • Résumé

    La caractérisation et la compréhension des mécanismes responsables de la variabilité récente du climat en Antarctique restent délicates, en particulier du fait de la faible couverture spatiale et temporelle des enregistrements météorologiques. Le transport atmosphérique d'humidité joue également un rôle important pour les précipitations, soit sous forme d'évènements de précipitations neigeuses, soit sous forme de condensation de « poussières de diamant » se produisant en l'absence de nébulosité, sur le plateau central. Les enregistrements des isotopes stables de l'eau et de la composition chimique des aérosols issus des carottes de glace sont donc indispensables pour connaitre la variabilité récente du climat et du cycle de l'eau antarctique tant spatialement que temporellement, ainsi que pour caractériser les sources d'humidité. Dans les régions côtières de faible altitude, le transport atmosphérique se fait en effet essentiellement depuis les zones océaniques voisines, tandis qu'un transport de plus longue distance et à haute altitude est responsable du transport d'humidité vers le plateau central antarctique ; ces différences ont une signature dans la composition chimique des aérosols (par exemple, l'abondance de sodium issu d'aérosols marins) et dans la composition isotopique de l'eau (dans les paramètres de second ordre, excès en deutérium ou en oxygène 17). Le cœur du travail de thèse va porter sur l'obtention d'enregistrements de référence issus de l'analyse à haute résolution de plusieurs carottes de glace superficielles de différents sites entre Dôme C et la côte antarctique. La combinaison de plusieurs carottes sur un même site permettra de caractériser le rapport signal sur bruit, et d'améliorer la détection du signal de dépôt atmosphérique par rapport à la variabilité post-dépôt (liée à l'érosion par le vent, au métamorphisme de la neige de surface, et aux processus de diffusion isotopique). Des analyses très fines (chaque centimètre) seront produites sur la période des derniers 50 ans, dans l'optique de combiner les informations issues des carottes de glace avec le cadre des réanalyses atmosphériques et d'exploiter les dépôts de poussières volcaniques (Mt Agung) pour renforcer la précision des datations. Des enregistrements couvrants les derniers 100 à 200 ans seront d'abord acquis avec une résolution de l'ordre de 1 à 2 mesures par an, et pourront être affinées par des évènements spécifiques, comme le signal suivant les éruptions volcaniques majeures. Le doctorant participera au développement et la mise en œuvre d'un système d'analyse en flux continu permettant d'échantillonner continûment les carottes de glace, couplé à un spectromètre laser pour l'analyse de la composition isotopique de l'eau. Les enregistrements des dépôts d'aérosols dans les carottes de glace seront confrontés aux observations effectuées à Dumont d'Urville et Concordia (échantillonnage à l'échelle de la semaine) pour rechercher la signature associée à l'intrusion de masses d'air chaudes d'origine océanique. Les résultats seront confrontés à des calculs de rétrotrajectoires permettant d'identifier l'origine des masses d'air et de l'humidité telles qu'elles transportent, à des calculs de composition isotopique effectués le long de ces trajectoires à l'aide d'un modèle isotopique simple et enfin aux résultats de modèles de circulation générale de l'atmosphère intégrant les isotopes stables de l'eau. Cette thèse permettra de mieux comprendre les processus atmosphériques contrôlant l'excès en deutérium et la composition chimique des aérosols, et, vice-versa, de combiner les mesures de ces paramètres dans les carottes de glace pour caractériser la variabilité spatiale et temporelle du transport d'humidité et d'aérosols. Une attention particulière sera portée sur les relations entre ces paramètres et les variations d'extension de la glace de mer côtière. En effet, des études récentes effectuées en Arctique suggèrent que l'humidité formée en bord de glace de mer est associée à un fractionnement cinétique élevé, et une signature via un excès en deutérium élevé, ce qui remet en cause les interprétations antérieures de ce paramètre. Le doctorant évaluera donc la validité de cette théorie pour l'Antarctique.

  • Titre traduit

    Recent climatic variability of Antarctica: contribution of the records from firn cores


  • Résumé

    The characterisation and the comprehension of the mechanisms which are responsible for the recent variability of the climate in Antarctica remain unclear, especially because of the spatial and temporal low cover of the meteorological recordings. The atmospheric transport of humidity plays also an important role for the precipitations, either as events of snowy precipitations, or as condensation of “diamond dust” occurring when there is no cloud covering, over the central plateau. Therefore, recordings of stable water isotopes and the chemical composition of the aerosols from ice cores are necessary to know the recent variability of the climate and the water cycle of Antarctica spatially and temporally, and to characterize the sources of humidity. In the coastal regions of low altitude, the atmospheric transport comes essentially from the neighbouring oceanic zones, whereas a transport of longer distance and higher altitude is responsible for the transport of humidity towards the central plateau of Antarctica; these differences have a signature in the chemical composition of aerosols (for instance, the abundance of sodium from the marine aerosols) and the isotopic composition of water (parameters of the second order: deuterium excess and 17Oexcess) . The main work of this thesis will cover the recordings of references obtained from the high resolution analysis of several superficial ice cores from different sites between Dôme C and the Antarctic coast. The combination between different ice cores on a same site will make it possible to characterize the signal-to-noise ratio and to improve the detection of the signal of atmospheric deposition compared to the post-deposition variability (linked to the wind erosion, the metamorphism of the surface snow, and the isotopic diffusion). Some very fine analyses (every centimetre) will be processed over the 50 last years, in order to combine the information from the ice cores with the atmospheric reanalyses and to exploit the deposition of volcanic dust (Mt Agung) to enhance the precision of the dates. Recordings covering the last 100 to 200 last years will be first obtained with a 1 to 2 measures a year resolution, and will be refined by specific events, like the signal following the major volcanic eruptions. The PhD student will participate to the development and the implementation of a continuous flow analysis system allowing to continuously sample the ice cores, coupled with a laser spectrometer to analyses the isotopic composition of water. The recordings of the deposition of aerosols in the ice cores will be checked with the observations processed in Dumont d'Urville and Concordia (samples at the scale of week) to find the signature associated with the intrusion of warm air mass from the ocean. Results will be compared with back-trajectories analyses allowing identifying the origin of air masses and the humidity they transport. They will also be compared to simulated isotopic compositions along the trajectories thanks to a simple isotopic model. Finally, they will be compared with results from water isotope-enabled atmospheric general circulation models. The thesis will allow to better understand the atmospheric processes controlling the deuterium excess and the chemical composition of aerosols, and to combine the measures of these parameters in the ice cores to characterize the spatial and temporal variability of the transport of humidity and aerosols. A particular attention will be focused on the relations between the parameters and the variations over the extension of the coastal sea ice. Indeed, recent results processed in Arctic suggest that the humidity formed by the sea ice is associated with a high kinetic fractionation, and a signature via a high deuterium excess, which calls into question the previous interpretations of this parameter. Therefore, the PhD student will evaluate the validity of this theory applied to Antarctica.