Caractérisation des variations du climat antarctique et du transport d'humidité, à l'échelle glaciaire - interglaciaire, à partir de l'étude de traceurs isotopiques dans les carottes de glace EPICA Dome C et Beyond EPICA

Characterization of Antarctic climate variations and moisture transport on glacial-interglacial timescales using isotope tracers from the EPICA Dome C and Beyond EPICA ice cores

• Auteur / Autrice : Emma Samin
• Direction : Amaelle Landais, Valérie Masson-delmotte
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2024
• 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 - DRF
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Glaces et Continents, Climats et Isotopes Stables (GLACCIOS)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines

Mots clés

Mots clés libres

Carottes de glace

Cycles glaciaires interglaciaires

Paléoclimatologie

Isotopes de l'eau

Calotte polaire

Ice cores

Glacial interglacial cycle

Paleoclimatology

Water isotopes

Ice sheet

Résumé

L'Antarctique est une région du monde particulièrement surveillée dans le contexte actuel du changement climatique résultant des activités humaines. Il est particulièrement important de comprendre les forçages, mécanismes et interactions en jeu expliquant la variabilité du climat, incluant le cycle de l'eau atmosphérique, en Antarctique. Les enregistrements climatiques existants, limités par le nombre de stations météorologiques et leur durée, ne permettent pas de documenter des changements climatiques passés comparables en termes d'amplitude ou de vitesse. Pour adresser cette question, nous proposons dans ce projet de documenter l'évolution climatique de l'Antarctique sur des échelles plus longues en utilisant des carottes de glace sur le plateau Est-Antarctique. En effet, la composition isotopique de l'eau (18O, 17O, 2H) archivée dans la glace accumulée année après année dans les régions polaires est un bon marqueur des variations passées de la température locale. Elle est cependant aussi affectée par la dynamique du cycle de l'eau (par exemple, les conditions d'évaporation de la vapeur d'eau dans les régions sources) et par les processus de dépôt (intermittence des précipitations). Elle permet donc de documenter à la fois le climat local et l'organisation du cycle hydrologique atmosphérique en faisant le lien avec les latitudes plus basses, sources d'humidité. Sur près de 3 km de profondeur, les carottes de glace antarctique permettent de reconstruire le climat sur les derniers 800 000 ans (projet EPICA) et bientôt 1,5 million d'années (projet Beyond EPICA en cours). Dans le cadre de ce projet de thèse, nous proposons d'étudier la combinaison des mesures de d18O, dD et d17O sur les carottes de glace d'EPICA Dome C et Beyond EPICA à haute résolution sur des événements climatiques de grande amplitude et/ou rapides autour de la dernière période interglaciaire, il y a environ 125 000 ans. Cette période est particulièrement importante à étudier, car elle correspond à la dernière période de temps où le niveau de température à la surface de la Terre était plus élevé qu'actuellement, du fait de la configuration de l'orbite de la Terre et de son axe d'inclinaison, notamment dans les régions polaires, conduisant à un recul des calottes de glace, et un haut niveau marin. Néanmoins, les mécanismes et rétroactions conduisant aux fortes anomalies isotopiques enregistrées pour cette période en Antarctique restent mal compris, de même que les relations entre changement d'état moyen et changement de variabilité. De nombreuses données sont déjà disponibles sur la carotte EPICA Dome C (d18O, dD) mais, à cause d'effets locaux affectant la composition isotopique de la neige (redistribution liée au vent et à l'état de surface, échanges de vapeur d'eau entre la neige et l'atmosphère), combiner les données de deux carottes de glace permet de séparer ces effets locaux du signal climatique régional. D'autres données pourront être exploitées dans la thèse en fonction de l'évolution du projet, notamment des mesures de méthane pour mieux caractériser les événements rapides ou de composition isotopique du N2 atmosphérique pour contraindre les variations de température locale. Il sera aussi possible de faire le lien avec la modélisation et notamment les simulations issues de modèles de climat équipés des isotopes de l'eau. Le/la candidat(e) devra avoir une formation de base en physique / chimie et/ou géosciences avec un goût pour le travail analytique, la qualité des mesures, et l'étude du climat. Une pratique préalable de langage simple de programmation (par exemple python, R ou matlab) sera appréciée. Ce projet implique beaucoup de collaborations au niveau national et international (communauté des carottes de glace) et du travail en équipe.

Antarctica is a region of the world under particular scrutiny in the current context of climate change resulting from human activities. It is particularly important to understand the forcings, mechanisms and interactions at play explaining climate variability, including the atmospheric water cycle, in Antarctica. Existing climate records, limited by the number of meteorological stations and their duration, do not document past climate changes that are comparable in terms of amplitude or speed. To address this issue, we propose in this project to document Antarctic climate evolution on longer time scales using ice cores on the East Antarctic Plateau. Indeed, the isotopic composition of water (18O, 17O, 2H) archived in ice accumulated year after year in polar regions is a good marker of past local temperature variations. However, it is also affected by the dynamics of the water cycle (e.g. water vapor evaporation conditions in source regions) and by deposition processes (precipitation intermittence). It therefore documents both the local climate and the organization of the atmospheric hydrological cycle, making the link with lower latitudes, sources of humidity. At a depth of almost 3 km, Antarctic ice cores enable us to reconstruct the climate over the last 800,000 years (EPICA project) and soon 1.5 million years (Beyond EPICA project underway). As part of this thesis project, we propose to study the combination of d18O, dD and d17O measurements on the EPICA Dome C and Beyond EPICA high-resolution ice cores on large-amplitude and/or rapid climate events around the last interglacial period, some 125,000 years ago. This period is particularly important to study, as it corresponds to the last period of time when the Earth's surface temperature level was higher than at present, due to the configuration of the Earth's orbit and its axis of inclination, notably in the polar regions, leading to a retreat of the ice caps, and a high sea level. Nevertheless, the mechanisms and feedbacks leading to the high isotope anomalies recorded for this period in Antarctica remain poorly understood, as do the relationships between mean state change and variability change. A great deal of data is already available from the EPICA Dome C core (d18O, dD), but because of local effects affecting the isotopic composition of snow (redistribution linked to wind and surface conditions, water vapour exchanges between snow and atmosphere), combining data from two ice cores makes it possible to separate these local effects from the regional climate signal. Other data may be used in the thesis as the project develops, notably methane measurements to better characterize rapid events, or atmospheric N2 isotopic composition to constrain local temperature variations. It will also be possible to make the link with modelling, in particular simulations from climate models equipped with water isotopes. The candidate should have a basic training in physics/chemistry and/or geosciences, with a taste for analytical work, the quality of measurements, and the study of climate. Previous experience of a simple programming language (e.g. python, R or matlab) will be appreciated. This project involves a lot of national and international collaboration (ice core community) and teamwork.