Variabilité du cycle hydrologique atmosphérique en régions polaires à partir de mesures des isotopes stables de l'eau dans la vapeur, les précipitations et les carottes de névé

Variability of the atmospheric hydrological cycle in polar regions through water stable isotopes measurements in vapor, precipitation and firn cores

• Auteur / Autrice : Christophe Leroy-Dos Santos
• Direction : Amaëlle Landais
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, atmosphère, climat et observations spatiales
• Date : Soutenance le 26/03/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• 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-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Jury : Président / Présidente : Christelle Marlin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexis Berne, Christine Vallet-Coulomb, Elise Folz, Ghislain Picard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexis Berne, Christine Vallet-Coulomb

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie infrarouge

Isotopes stables en écologie

Eau -- Analyse

Régions polaires

Cycle hydrologique

Mots clés libres

Antarctique

Arctique

Isotopes stables de l'eau

Dynamique atmosphérique

Cycle hydrologique

Antarctica

Arctic

Water stable isotopes

Atmospheric dynamic

Hydrological cycle

Résumé

Dans un contexte de réchauffement climatique, appréhender l'évolution de la hausse du niveau des mers est un enjeu majeur. Pour cela un des éléments clefs est de comprendre l'évolution du cycle hydrologique atmosphérique dans les régions polaires qui influence directement le bilan de masse de surface des calottes Arctique et Antarctique (les deux plus gros réservoirs d'eau douce de la planète). Des enregistrements existent grâce aux données satellites depuis 50 ans et quelques rares données météo depuis 70 ans en Antarctique mais ces enregistrements sont trop courts pour étudier les modes de variabilité pluri-annuels ainsi que la différence entre signal anthropique et signal naturel. Pour avoir accès à des enregistrements plus longs, une des meilleures solutions est d'utiliser les traceurs climatiques dans les carottes de névé. La composition isotopique de l'eau dans ces carottes est largement utilisée pour reconstruire les variations de température passée. Cela dit, le lien entre température et composition isotopique n'est pas très bien contraint car de nombreux autres paramètres influencent la composition isotopique de la neige au moment de sa formation (i.e. température, altitude, humidité, origine de la masse d'air) ou après le dépôt de neige en surface (i.e. échange atmosphère-neige, diffusion du signal, sublimation de la neige de surface).L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre le cycle hydrologique atmosphérique et son influence sur la composition isotopique de la vapeur et de la précipitation dans les régions polaires avec en tête l'idée d'améliorer l'interprétation des carottes de névé dans ces régions. Ce travail se décompose en 3 parties.Dans un premier temps, nous avons développé une solution technique qui répondait au défi de la mesure de la composition isotopique de la vapeur toute l'année en région polaire. En effet, l'hiver étant très sec dans ces régions (jusqu'à 10 ppmv à Dome C, l'hiver), l'utilisation d'un analyseur laser Picarro était limité car il est très sensible aux variations d'humidité en dessous de 2000 ppmv. L'hiver est une saison clé dans les régions polaires car elle est synonyme d'une importante variabilité climatique du fait de nombreux évènements synoptiques. Durant cette thèse, la fabrication de 2 prototypes de générateur de très basse humidité (LHLG) a permis de calibrer les analyseurs Picarro sur une gamme de 200 à 2500 ppmv.Ensuite, j'ai analysé la plus longue série de mesures de la composition de la vapeur et de la précipitation jamais effectuée en région polaire: 4,5 années en continu, à 78°N au Svalbard. J'ai montréque le site de mesure était très peu influencé par des processus locaux agissant sur la composition isotopique de la vapeur d’eau. Grâce à cela, j'ai pu attribuer les variations observées, l'hiver, à des évènements synoptique et ainsi attribuer une signature isotopique différente aux masses d'air en fonction de leur origine (Nord Atlantique ou Arctique).Enfin, j'ai installé le nouvel instrument de calibration fabriqué au début de mon doctorat à Dumont D'Urville (DDU), sur la côte en Terre Adélie. Grâce à cela, la première campagne de mesure continue de la composition isotopique de la vapeur à DDU initiée en janvier 2019 est toujours en cours. Je présente ici les 22 premiers mois de ce nouvel enregistrement. Cette série unique permet de documenter la signature isotopique du cycle hydrologique atmosphérique en Terre Adélie toute l'année. J'ai étudié l'influence des vents catabatiques, de la glace de mer et des rivières atmosphériques sur le signal enregistré dans la vapeur. Ces résultats préliminaires ouvrent des perspectives pour l'interprétation des carottes de névé récemment forées dans le cadre du programme ASUMA.

In a global warming context, understanding the evolution of sea level rise is a major challenge. It is key to estimate the evolution of the atmospheric hydrological cycle in the polar regions, which directly influences the surface mass balance of the Arctic and Antarctic ice caps (the two largest freshwater reservoirs on the planet). Records are available from satellite data for the last 50 years and a few rare weather data since the 50's in Antarctica, but these records are too short to study the patterns of interannual variability and the difference between anthropogenic and natural signals. One of the best ways to access longer records is to use climate proxies in snow cores. The water isotopic composition in these cores is widely used to reconstruct past temperature variations. However, the link between temperature and isotopic composition is not very well constrained because many other parameters influence the isotopic composition of snow at the time of its formation (i.e. temperature, altitude, humidity, origin of the air mass) or after snow deposition on the surface (i.e. atmosphere-snow exchange, signal scattering, sublimation of surface snow).The objective of this thesis is to better understand the atmospheric hydrological cycle and its influence on the isotopic composition of vapour and precipitation in polar regions with the idea of improving the interpretation of snow core records in these regions. This work is divided into 3 parts.Firstly, we developed a technical solution to meet the challenge of measuring the vapor isotopic composition all year round in polar regions. Indeed, winter being very dry in these regions (down to 10 ppmv at Dome C in winter), the use of a Picarro laser analyzer is limited because it is very sensitive to humidity variations below 2000 ppmv. Winter is a key season in the polar regions as it is associated with significant climate variability due to numerous synoptic events. During this thesis, the fabrication of 2 prototypes of low humidity level generator (LHLG) allowed the calibration of the Picarro analyzers over a range of 200 to 2500 ppmv.Then, I analyzed the longest series of vapor and precipitation isotopic composition measurements ever performed in a polar region: 4.5 years continuously at 78°N in Svalbard. I showed that the water isotopic composition at this measurement site was unsignificantly influenced by local processes. Thanks to this, I was able to attribute the observed winter variability to synoptic events and thus assign a different isotopic signature to the air masses according to their origin (North Atlantic or Arctic).Finally, I installed the new calibration instrument (LHLG) built at the beginning of my PhD at Dumont D'Urville (DDU), on the coast in Terre Adélie. Thanks to this, the first continuous measurement campaign of the vapor isotopic composition at DDU initiated in January 2019 is still ongoing. I present here the first 22 months of this new record. This unique series makes possible to document the isotopic signature of the atmospheric hydrological cycle in Terre Adélie all year round. I have studied the influence of katabatic winds, sea ice and atmospheric rivers on the signal recorded in the vapor. These preliminary results open perspectives for the interpretation of recently drilled cores from the ASUMA program.