L'air piégé dans les glaces polaires: Contraintes chronologiques et caractérisation de la variabilité climatique rapide

Polar regions are particularly sensitive to the present climate change because of amplification mechanisms at play. Ice cores from Antarctica and Greenland provide precious archives of paleoclimatic variations at these high latitudes but also provide information on environmental changes at lower latitudes. This work takes advantage of information inferred from the air trapped in ice: the elemental and isotopic composition of air (N2, O2, Ar and Kr) and the methane concentration. Our results provide new insights on three different issues: (i) Past dynamic of Antarctic firn. Measurements of krypton isotopes provide direct evidences for the presence of a deep convective zone (20-50m) in the firn at Dome C during glacial periods. Based on nitrogen isotopic profiles ("15N) from EPICA Dronning Maud Land (EDML) and TALDICE ice cores, we suggest that the evolution of the firn structure is mainly controlled by accumulation rate only below a threshold in accumulation defined at 5 ±1.5 cm ice equivalent yr-1. (ii) Ice core dating. We present the first record of #O2/N2 over the EDC ice core covering the period between 300 and 800 ka. Even if we call for cautiousness in the use of this parameter as an orbital dating tool during periods characterized by a low eccentricity, the "O2/N2 is a useful tool to test the current EDC3 chronology. By coupling the isotopic composition of atmospheric oxygen and methane concentration, we synchronise the EDML (Antarctica) and NorthGRIP (Greenland) ice cores between 75 000 and 123 000 years with an associated uncertainty smaller than 400 years. (iii) This common timescale enables us to depict the abrupt climatic variability at the beginning of the last glacial period. We evidence sub-millennial scale climatic variations superimposed to the classical Dansgaard-Oeschger (DO) event succession, i.e. precursor-type peak events preceding some DO events and rebound-type climatic events at the end of the interstadial phase. We demonstrate that the bipolar seesaw pattern between Antarctica and Greenland is at play at a sub-millennial scale. A multi-parametric study on the first abrupt event (DO 25) identified in the NorthGRIP ice core shows that this event characterises the transition between the last interglacial and the onset of the abrupt climatic variability associated with a strong coupling between low and high latitudes. Our results highlight an intimate interplay between millennial-scale variations and long term evolution of the mean climate sate (orbital configuration, ice sheet volume).Les régions polaires sont particulièrement touchées par le changement climatique actuel, en raison des mécanismes d'amplification qui y opèrent. Les forages de glace en Antarctique et au Groenland sont des témoins précieux des variations paléoclimatiques locales et donnent aussi accès à des informations sur les modifications environnementales des latitudes plus basses. Ce travail de thèse repose sur l'obtention d'informations délivrées par l'air progressivement emprisonné sous forme de bulle lors du processus de transformation de la neige en glace : la composition élémentaire et isotopique de l'air (N2, O2, Ar et Kr) et la concentration en méthane. Nos résultats permettent de progresser sur trois aspects différents mais intimement liés : (i) L'évolution passée de la structure des névés en Antarctique. La mesure des isotopes du krypton sur le forage profond de Dome C (EDC pour EPICA Dome C) nous permet de mettre en évidence qu'une zone convective de l'ordre de 20-50 m a pu se développer dans le névé en période glaciaire. L'étude conjointe des profils isotopiques de l'azote ("15N) mesurés sur les forages EPICA Dronning Maud Land (EDML) et TALDICE suggèrent que l'évolution de la structure du névé des deux sites ne répond plus de manière simple aux changements du taux d'accumulation en surface lorsque celui-ci dépasse un seuil de 5 ±1.5 cm eq. glace an- 1. (ii) La datation des forages glaciologiques. Nous avons exploité le premier enregistrement de "O2/N2 produit entre 300 000 et 800 000 ans sur l'air piégé dans la glace de EDC. Alors qu'il semble délicat d'utiliser ce signal pour construire une nouvelle datation par calage orbital de ce forage, en particulier pour les périodes de faible excentricité, le "O2/N2 se révèle être un outil pertinent pour tester les limites et les incertitudes de la datation actuelle du forage (EDC3). L'utilisation conjointe des isotopes de l'oxygène atmosphérique et du méthane nous permet d'établir une synchronisation des forages de EDML (Antarctique) et de NorthGRIP (Groenland) couvrant le début de la dernière période glaciaire (75 000-123 000 ans) avec une incertitude inférieure à 400 ans. (iii) Cette datation relative nous permet de décrire les variations climatiques rapides au début de la dernière période glaciaire au Groenland et en Antarctique. Nous mettons en évidence une variabilité climatique sub-millénaire superposée à la succession classique des évènements de Dansgaard Oeschger, i.e. des évènements précurseurs aux évènements rapides, des rebonds climatiques en fin d'interstade. Nous démontrons que le mécanisme de bascule bipolaire entre le Groenland et l'Antarctique est également opérationnel à l'échelle sub- millénaire. Une étude multiparamétrique sur le premier événement abrupt enregistré dans la glace de NorthGRIP (DO25) montre que cet événement caractérise la transition entre la dernière période interglaciaire et la mise en place d'une variabilité abrupte couplant les hautes et les basses latitudes. L'ensemble de nos résultats établit un lien étroit entre la dynamique climatique rapide à l'échelle millénaire et les composantes à évolution lente qui imposent l'état de base du système climatique (configuration orbitale, volume des glaces)