Évolution de la neige et de l’air sous la surface de la calotte glaciaire de l’Antarctique de l’Est

Evolution of snow and air below the surface of the East Antarctic ice sheet

• Auteur / Autrice : Romilly Harris Stuart
• Direction : Amaelle Landais, Patricia Martinerie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 05/12/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de l'environnement d'Île-de-France
• 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
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Géosciences, climat, environnement et planètes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Didier Paillard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Johannes Freitag, Samuel Morin, Rachael Rhodes, Jochen Schmitt
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Johannes Freitag, Samuel Morin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antarctique

Carottes de glace

Gaz rares

Névés

Mots clés libres

Névé

Antarctique

Carotte de glace

Isotopes de gaz inertes

Firn

Antarctica

Ice cores

Inert gas isotopes

Résumé

Les enregistrements de gaz dans les carottes de glace fournissent des informations essentielles sur les variations de la composition de l'atmosphère au cours des derniers 800 ka et sur la chronologie des événements climatiques. Pour déduire avec précision la composition atmosphérique passée, des corrections sont menées pour tenir compte des processus qui modifient la composition des gaz dans le névé avant la formation des bulles. Une compréhension précise de ces processus et de leur dépendance par rapport au site est donc essentielle. Les incertitudes sur les processus de l'air dans le névé compliquent l'interprétation des enregistrements de gaz dans les carottes de glace. Cette thèse vise à contribuer à la compréhension de la dynamique de l'air dans le névé et de la fermeture des pores.Deux sujets principaux sont explorés dans cette thèse. Le premier concerne l'utilisation des enregistrements δ15N-N2 (δ15N) et δ40Ar pour reconstruire les caractéristiques de la colonne de névés telles que sa hauteur et la différence de température entre le haut et le bas du névé. Les études précédentes ont mis en évidence des désaccords entre les reconstructions basées sur les isotopes et celles provenant de modèles physiques pendant les périodes glaciaires et les terminaisons glaciaires sur les sites de l'Antarctique de l'Est. Diverses hypothèses ont été proposées pour expliquer ce décalage entre les modèles et les données, mais il n'y a pas de consensus clair sur la source de l'erreur. Dans cette thèse, nous évaluons notre compréhension de la dynamique de l'air du névé à partir du traceur δ15N, en utilisant de nouvelles mesures provenant de l'échantillonnage annuel de l'air du névé au Dôme C. Il s'agit en particulier d'étudier la façon dont les effets thermiques saisonniers influencent les rapports isotopiques dans le névé peu profond et pour explorer leurs impacts dans la composition des gaz piégés. Nous observons un désaccord entre le modèle et les données en ce qui concerne l'ampleur et la propagation en profondeur des profils d'isotopes thermiques hivernaux dans le névé. Nos observations indiquent un biais saisonnier dans les rapports isotopiques au Dôme C qui devrait être pris en compte pour l'interprétation du δ15N dans la carotte EPICA Dome C.La deuxième partie de cette thèse examine l'utilisation des rapports élémentaires (δO2/N2) pour la datation orbitale des carottes de glace. Cette méthode est cruciale pour la datation des carottes de glace profondes, telles que la nouvelle carotte de glace Beyond EPICA (BEOIC), mais la compréhension incomplète des mécanismes à l'origine de la variabilité de δO2/N2 est une source d'incertitude chronologique. Il est classiquement admis que la variabilité δO2/N2 est principalement due à l'insolation locale. Cependant, en utilisant une compilation de divers enregistrements groenlandais et antarctiques, nous montrons que le δO2/N2 est influencé par la température locale et le taux d'accumulation, en plus de l'insolation. Cette observation incite à poursuivre les recherches sur les mécanismes physiques contrôlant le δO2/N2 dans différentes conditions climatiques.Une dernière étude utilise de nouvelles mesures d'isotopes de gaz inertes, δ15N et δO2/N2 provenant de bulles de glace peu profondes et d'échantillons d'air du névé pour élucider les mécanismes de la variabilité de δO2/N2. Les échantillons proviennent de deux sites contrastés de l'Antarctique de l'Est : D47, un site à forte accumulation, et Little Dome C, un site à faible accumulation. Le LDC présente des valeurs de δO2/N2 nettement plus faibles dans la porosité fermée qu'à D47, tandis que le δO2/N2 est plus enrichi dans la porosité ouverte à D47. Ces observations confirment les résultats de notre étude précédente selon lesquels la température et le taux d'accumulation jouent un rôle clé dans la modulation du δO2/N2.

Ice core gas records provide vital insights into both variations in atmospheric composition over the last 800 ka, and the timing of climatic events. To accurately infer past atmospheric composition, entrapped gases must first be corrected for processes in the firn which modify gas composition prior to bubble formation. Precise understanding of these processes and their site dependence are therefore essential for performing accurate corrections to reduce uncertainties associated with atmospheric reconstructions. While numerous studies have focussed on understanding firn processes, unknowns remain which complicate the interpretation of ice core gas records. The aim of this thesis is to contribute to the field of firn air dynamics and pore closure to reduce uncertainties associated with such reconstructions. Two primary topics are explored to address specific predicaments in ice core sciences. The first concerns the use of δ15N-N2 (δ15N) and δ40Ar records for reconstructing firn column characteristics such as firn column height and firn temperature difference. Despite their usefulness, discrepancies between isotope-based reconstructions and those from physical models are observed during glacial periods East Antarctic sites. Various hypotheses have been proposed to explain this model-data mismatch but there remains no clear consensus on the source of error. In this thesis, we assess our understanding of firn air dynamics, in the context of the δ15N mismatch, using new measurements of δ15N and δ40Ar from year-round firn air sampling at Dome C. We evaluate current understanding of how seasonal thermal effects influence isotope ratios in shallow firn and explore the extent to which seasonal thermal signals will be archived in trapped gases. Consistent with previous findings from South Pole, we observe a discrepancy in magnitude and depth propagation of the winter thermal isotope profiles in the firn which are not captured by the firn air transport model. Our observations indicate a seasonal bias in isotope ratios at Dome C which should be considered for the interpretation of δ15N.Secondly, this thesis examines the use of elemental ratios, specifically, the ratio of O2 to N2 molecules in trapped gases relative to the atmosphere (δO2/N2), for orbital dating. This method is crucial for dating deep, old ice cores, such as the new Beyond EPICA oldest ice core (BEOIC), but an incomplete understanding of the mechanisms driving δO2/N2 variability is a source of chronological uncertainty. It is classically assumed that δO2/N2 variability is driven predominantly by local insolation. However, using a compilation of various Greenlandic and Antarctic records, we show that δO2/N2 is also influenced by local temperature and accumulation rate. This observation motivates further investigation into the physical mechanisms controlling δO2/N2 under different climate conditions with the aim of reducing chronological uncertainties associated with orbital tuning.A final study aims to elucidate the temperature and accumulation rate driven mechanisms of δO2/N2 variability while also revisiting the δ15N model-data mismatch. New measurements of inert gas isotopes, δ15N, and δO2/N2 were obtained from shallow bubble ice and firn air samples over the entire firn column at two contrasting East Antarctic sites: D47, a high-accumulation site, and Little Dome C (1km from BEOIC), a low-accumulation site. We observe substantially lower δO2/N2 in closed porosity at LDC compared to D47, but much stronger enrichment of δO2/N2 in open porosity near close off at D47. These observations support findings from our earlier study that temperature and accumulation rate play a key role in modulating δO2/N2. Additionally, inert gas isotopes help evaluate site-specific factors contributing to the δ15N model-data mismatch, building on findings from our seasonal firn air study.