Validation et premières applications d'un nouvel instrument optique pour la mesure in-situ des isotopes de l'eau : vers une meilleure compréhension du cycle de l'eau douce

Validation and first applications of a new optical instrument for in-situ measurement of water isotopes: towards a better understanding of the freshwater cycle

• Auteur / Autrice : Axel Wohleber
• Direction : Roberto Grilli
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l’Environnement
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 15/10/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Terre de l’Environnement et des Planètes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Géosciences de l’Environnement (IGE)
• Jury : Président / Présidente : Erik Kerstel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Roberto Grilli, Lucile Rutkowski, Lilian Joly, Jean-Baptiste Sallee
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Lucile Rutkowski, Lilian Joly

Mots clés

Mots clés libres

Instrumentation in situ

Spectroscopie optique

Pervaporation

Cycle de l'eau douce

Interactions océan – ice shelf

Isotopes de l'eau

In situ instrumentation

Optical spectroscopy

Pervaporation

Freshwater cycle

Ocean - ice shelf interactions

Water isotopes

Résumé

L'étude des isotopes a été et est utilisé dans de nombreuses applications scientifiques telles que la datation d'œuvres préhistoriques avec l'isotope radioactif 14C, l'étude du climat passé et présent par la mesure des isotopes stables des gaz à effet de serre tel que le 13CO2. Dans le cadre de cette thèse, l'objectif est de réaliser un instrument permettant l'étude du cycle d’eau et des interactions entre l'océan et les plateformes de glace en mesurant la concentration des isotopologues de l'eau H216O, H217O, H218O et HD16O pour les utiliser comme traceur des masses d'eau. Ce travail de thèse montre le développement, la validation et les premiers tests sur le terrain d'un instrument de mesure compact et autonome utilisé pour réaliser des mesures semi-continues et in situ des déviations isotopiques δD, δ18O et δ17O. Cet instrument repose sur un système d'injection de vapeur d'eau à double entrée basé sur la pervaporation à travers des membranes semi-perméables, et sur l'analyse de la composition de la vapeur d'eau à l'aide d'un spectromètre utilisant une technique de spectroscopie optique appelé Optical Feedback - Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy (OF-CEAS). Il permet d'atteindre des précisions de 0,3 ‰ (2σ) pour les trois déviations isotopiques δD, δ18O et δ17O pour un temps d'intégration de 9 minutes. L'instrument développé durant cette thèse est adapté au suivi des masses d'eau océaniques et à leur transformation liée à la fonte des icebergs et des plateaux glaciaires.

The study of isotopes is used in many scientific applications such as the dating of prehistoric rocks with the radioactive isotope 14C, or the study of past and present climate by measuring the stable isotopes of greenhouse gases such as the 13CO2. The aim of this thesis is to develop an instrument for studying the freshwater cycle and ocean-ice shelves interactions by measuring the concentration of the water isotopologues H216O, H217O, H218O and HD16O for use as water mass tracers. This thesis work shows the development, validation and first field tests of a compact autonomous in situ instrument used to perform semi-continuous measurements of δD, δ18O and δ17O. This instrument relies on a dual-inlet water vapor injection system based on the pervaporation through semi-permeable membranes, and on the water vapor composition analysis using a dedicated optical feedback - cavity enhanced absorption spectrometer (OF-CEAS). It achieves accuracies of 0.3 ‰ (2σ) for the three isotopic deviations δD, δ18O and δ17O with a 9-minutes integration time. The instrument developed during this thesis is suitable for studying ocean water masses and their transformation due to iceberg and ice-shelf melting.