Thèse soutenue

La composition des isotopes stables de l’eau sur le plateau Est Antarctique : mesure à basse température de la composition de la vapeur, utilisation comme un traceur atmosphérique et implication pour les études paléoclimatiques

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Auteur / Autrice : Mathieu Casado
Direction : Amaëlle LandaisSamir KassiErik Kerstel
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Océan, atmosphère, climat et observations spatiales
Date : Soutenance le 06/09/2016
Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1991-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....) - Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble) - Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement [Gif-sur-Yvette] / LSCE - Laboratoire Interdisciplinaire de Physique [Saint Martin d’Hères] / LIPhy
établissement de préparation de la thèse : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
Jury : Président / Présidente : Christophe Colin
Examinateurs / Examinatrices : Liliane Merlivat, Patrice Cacciani
Rapporteurs / Rapporteuses : Gerhard Krinner, Philippe Ricaud

Résumé

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Les carottes de glace permettent de reconstruire le climat du passé, à partir entre autre de la composition isotopique de l’eau (δ18O, δ17O et δD). Sur le plateau Est Antarctique, les températures très froides et les faibles accumulations permettent de remonter le plus loin dans le passé (jusqu’à 800 000 ans) mais compliquent l’interprétation du signal isotopique. Premièrement, les reconstructions des variations de température dans les carottes de glace à partir des isotopes de l’eau se basent sur des modèles pour décrire l'évolution de la composition isotopique de la vapeur et de la phase condensée le long du cycle de l’eau. Ces modèles, qui ont été développés au cours des dernières décennies, reposent sur la connaissance de coefficients du fractionnement isotopique associé à chaque transition de phase et sur des hypothèses pour représenter la micro-physique des nuages.Lors de la formation de flocons de neige à basse température, 2 types de fractionnements isotopiques doivent être pris en compte : le fractionnement isotopique à l'équilibre, associé à la transition de phase vapeur-glace et le fractionnement isotopique cinétique lié aux différentes diffusivités des différents isotopes. A basse température, les déterminations des coefficients du fractionnement du fractionnement à l’équilibre présentent d’importantes différences et n’ont jamais pu être mesurées à des températures inférieures à -40°C. Or la température moyenne annuelle à Dome C est de -54°C atteignant jusqu’à -85°C l’hiver. Les diffusivités des différents isotopes quant à elles n’ont jamais été mesurées à des températures inférieures à 10°C. Toutes ces lacunes résultent dans des incertitudes importantes sur le lien entre la composition isotopique et la température dans des conditions comme celles du Plateau Est Antarctique.De plus, dans ces conditions froides et arides, les processus physiques qui affectent la composition isotopique de la neige après la déposition des flocons deviennent importants compte tenu du faible apport annuel de précipitation. Pour estimer l’impact de ces processus de post-déposition sur la composition isotopique, il est nécessaire de bien caractériser le fractionnement isotopique à l’interface neige/atmosphère pour des températures allant jusqu’à -90°C.Afin d’améliorer les reconstructions quantitatives de température l’étude des processus affectant la composition isotopique de la glace à très basse température est donc primordiale. Dans cette optique, ma thèse a été à l’interface entre les études de processus au laboratoire et en Antarctique et le développement instrumental afin de pouvoir réaliser des mesures isotopiques encore inédites, en particulier à très basse humidité. D’un côté, j'ai développé d’un nouveau spectromètre infrarouge aux performances bien au-delà des instruments commerciaux. En effet, la fréquence du laser est stabilisée par rétroaction optique par une cavité ultra-stable jusqu’à un niveau de stabilité de l’ordre du hertz. La lumière est ensuite injectée dans une cavité CRDS hautes performances avec une sensibilité de 10-13 cm-1.Hz-1/2. Ceci permet de mesurer la composition isotopique avec une précision inférieure au ppm.En parallèle, des expériences au laboratoire ont permis de renforcer les connaissances sur les processus affectant les isotopes de l’eau, en particulier le fractionnement lié à la transition de phase vapeur - glace et le fractionnement cinétique lié aux différentes diffusivités des différents isotopes en modélisant le fractionnement lié à la diffusion près d’un point froid. Enfin, durant une campagne en Antarctique, j’ai pu réaliser parmi les premières mesures de la composition isotopique de la vapeur et de la glace en Antarctique et appliquer les modèles physiques des processus à des données de terrain. Ces mesures montrent que le cycle de sublimation/condensation contribue de manière importante à la composition isotopique de la neige sur le plateau Est Antarctique.