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2 mar 2000 · Composition avec exercices d'application : apparent do Soleil ("" lan), 6 varie entre 23° et +23° ; on note que l'amplitude Lu conscrs ant I) = h = 174 OPTIONS PHYSIQUE ET CHIMIE ET PHYSIQUE APPLIQUÉE Celui de gauche est plus réactif vis-à-vis d'une attaque nucléophile (corrigé autre)

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Une porte-fenêtre donnant sur le jardin, vis-à-vis le sévèrement corrigé les délinquants 174 – – N'oubliez pas, n'oubliez jamais que vous m'avez promis d'employer cet argent à devenir honnête l'exercice outré, le travail forcé, éreintez-vous, traînez des blocs, En parlant ainsi, il ne fit point un pas ; il lança sur Jean

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Les réseaux locaux (Local Area Network = LAN) encore appelés réseaux de Alcatel 1696 Metro Span), et dans une transparence totale vis-à-vis de tous Les faces clivées sont recouvertes de couches anti-réfléchissantes afin de Figure IV- 23 : Forme des signaux en sortie du driver avec le fichier de mesures corrigé

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pour sa confiance et sa patience vis-à-vis de mes demandes (ou « exigences » ?) répétées par rapport à l'Ecole Doctorale, et Martine De A , pour ses conseils 

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est raisonnable que la Cour, protectrice de la nation, ait, dans le lan niste de l' universalité de la langue française, tant vis-à-vis des sujets par tion sociale du langage est corrigé chez Marmontel par l'idée d'une circula de Grégoire, qui en montrait l'aspect totalement anti-démocratique (elle (De Beryllo, ch 6)

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LABORATOIRE DE

GLACIOLOGIE

ET GEOPHYSIQUE

DE L'ENVIRONNEMENT

BILAN DE MASSE DE SURFACE ANTARCTIQUE :

T

ECHNIQUES DE MESURE ET ANALYSE CRITIQUE

Olivier MAGAND

Thèse de doctorat de l'Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (Arrêtés ministériels du 5 juillet 1984 et 30 mars 1992) Spécialité : Sciences de la Terre et de l'Univers

Date de Soutenance : 18 mars 2009

Composition du jury :

Catherine CHAUVEL Directrice de Recherche, CNRS/LGCA Présidente du jury Françoise VIMEUX Chargée de Recherche, IRD/LSCE Examinatrice Paul Andrew MAYEWSKI Professeur d'Université, Univ. Maine/CCI Rapporteur Eric MARTIN Ingénieur de Recherche, Météo-France/CNRM Rapporteur Michel FILY Professeur d'Université, UJF/LGGE Co-directeur de thèse Christophe GENTHON Directeur de Recherche, CNRS/LGGE Co-directeur de thèse Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de L'environnement (UMR5183)

Centre National de la Recherche Scientifique

54, rue Molière - Domaine Universitaire

BP 96 - 38402 - Saint Martin d'Hères Cedex (France) i

A Sophie & Inua,

ii Station franco-italienne Dôme C, saison australe 2003-2004 iii

Remerciements

Thanks, Grazie, Gracias, Danke, Obrigado, Todar Rabah, Xiexie... Après Aimer et Aider,

Remercier est sans contexte le troisième plus beau verbe dans toutes les langues. Voici venu le temps

des traditionnels, mais non moins mérités, remerciements qui accompagnent la fin et la validation d'un

travail de doctorat, et du manuscrit qui lui est associé... Mérités, puisque la réalisation d'un doctorat

n'est pas qu'un simple travail individuel, mais la résultante d'une action et d'un soutien collectifs, à la

fois professionnels et personnels. L'Aventure n'est-elle pas plus belle lorsqu'elle est partagée ?

Merci tout d'abord à l'ensemble des personnels permanents du LGGE, qu'ils soient

administratifs, informatiques, techniques et scientifiques, ainsi que les doctorants et stagiaires qui font

la vie et les bons moments de ce laboratoire auquel je suis rattaché depuis maintenant près de sept

années, et qui ont tous, à un instant donné, manifesté un soutien à mon égard dans la réalisation et

finalisation de ce travail, au travers de périodes parfois délicates... Je les remercie tous très

chaleureusement. Je tiens notamment à remercier plus particulièrement Olivier A., Jérôme C.,

Patrick G., Emmanuel L., Bruno J., Vincent F., Marie R., Paul D., Eric D., Marie-Christine M. (pour les conseils informatiques) et Jean-Philippe B. (Bonne retraite !!!), pour leur bonne humeur

permanente et leur caractère entier, Maud G, pour son soutien de tous les instants et les discussions

sans fin autour d'un café matinal, , Aurélien D. et Christophe F., pour leur écoute dans les périodes

difficiles et tous les moments (terrain et soirées) partagés, Gilles D., présent depuis peu, et Delphine

S., présente depuis plus longtemps, et dont les oreilles attentives s'avèrent précieuses, Jean-Luc J.,

pour sa confiance et sa patience vis-à-vis de mes demandes (ou " exigences » ?) répétées par rapport à

l'Ecole Doctorale, et Martine De A., pour ses conseils avisés, son exigence et sa vision de la Science.

Un remerciement des plus appuyés à Gerhard K., Ghislain P., et le bientôt (futur proche)

docteur Ludovic B., pour leur patience, leur collaboration, leur disponibilité et leur enthousiasme dans

la réalisation d'une partie des travaux présentés dans ce doctorat. Vous retrouverez leurs noms

associés à la plupart des articles relatés et décrits dans ce manuscrit. Je les remercie pour le partage de

leurs multiples connaissances et visions de notre domaine d'activités. Un Special Thanks pour

Gregory T., ami fidèle de tous les instants, athlète accompli et avec qui je partage cette incroyable

passion des films de série B, que nous nous acharnons à visionner au cinéma, dans des salles

complètement vides, tout en étant capables de philosopher sur la pauvreté de scénarii dont les écrits

tiennent sur une page A4 recto-verso. Chapeau !!! Et que dire du soutien inconditionnel de mes amis les plus proches, hors LGGE ? Un grand

merci à Xavier F., désormais fa n de " bandits manchots » aux USA, mais peut-être prochainement de

retour aux sources (hé, hé...), à Laure A., Séverine B., et Mélanie B. (Clermont forever ?) pour leur

iv

éternelle gentillesse et attention de tous les instants, à Angélique C., pour ses incroyables talents

culinaires (si, si...), à Fabien A., et toute la petite famille, pour toutes nos discussions

transcendantales autour d'une bonne bouteille et d'un BBQ, à Jérôme M., ami de la première heure, et

de toute la petite famille, Virginie, Joan et Pierre, avec qui nous passons d'excellents moments, et

enfin, à Blandine C., Christophe et le petit " Robin Wood », pour leur amitié sincère et profonde, et

pour tout ce qui se cache derrière ce mot... Merci aux membres du jury, Catherine C., Françoise V., Paul M. et Eric M., d'avoir accepté

de consacrer une partie de leur précieux temps à la lecture et à la critique de ce travail qui me tenait

tant à coeur... Petite mention spéciale à Françoise V., avec qui nous partageons, hors science, l'amour

du vignoble (un commentaire, Martine ?), le lèche-vitrines (courage, Pierre) et Pablo N.. Ce doctorat n'aurait également pas vu le jour sans l'assentiment et le soutien perpétuels de

mes deux directeurs de thèse, Michel F. et Christophe G., à qui je dois toute ma gratitude, pour

m'avoir donné (quasi-) entière liberté sur la gestion de ce travail, et qui ont du (et su, avec brio)

apprendre à composer avec un caractère parfois difficile et des retournements de situation parfois

inattendues. Qu'ils sachent en lisant ces mots, que je les considère comme des amis, tout simplement.

Merci à mes parents (bientôt la Quille, alors profitez comme il se doit de cette retraite bien

méritée) et toute ma belle-famille, pour leur présence forte même à distance, leurs encouragements

constants et leur aide lors des moments difficiles, parfois nombreux ces deux dernières années...

(exception faite, évidemment, de la naissance du plus beau cadeau au monde : Un petit rayon de soleil

dénommé Inua). Merci à mon frère, Alexis, que je vois peu souvent, mais avec qui je partage bien

plus que les liens du sang. Je pense qu'avec Sophie, tu es la personne qui comprend le mieux ce que ce

doctorat peut représenter, au-delà de l'aspect purement scientifique. Cf. petit retour dix années en

arrière... A chaque membre de cette Grande famille, profitez et jouissez tous " égoïstement et

précieusement » de l'existence : Etre Soi permet d'aider l'Autre. Aux deux Amours de ma vie, à Sophie, pour tout ce que tu représentes pour moi, et pour

toutes les merveilleuses années que nous avons à vivre ensemble, jusqu'à la fin des temps, et à Inua,

le plus beau des présents existentiels, notre petit bonheur sur pattes (à 2 comme à 4). Je vous aime...

" L'Amour, ce n'est pas se regarder l'un l'autre, mais c'est regarder ensemble dans la même direction» Saint-Exupéry " Le couple heureux qui se reconnaît dans l'Amour défie l'Univers et le Temps, il se suffit, il réalise l'Absolu » Simone de Beauvoir " Quand un enfant naît, un père naît aussi » Frederick Buechner v

Résumé

Les zones polaires, et notamment le continent Antarctique, représentent actuellement les

régions mondiales où les changements liés au réchauffement climatique se manifestent de manière

particulière et souvent spectaculaire. Or, notre capacité actuelle à comprendre les modes naturels de la

variabilité climatique dans ces régions, ainsi que les impacts directs ou indirects de l'activité

anthropique sur ces modes, reste encore relativement limitée. Ainsi, la nappe glaciaire Antarctique et

ses composantes (atmosphère, océan, glace de mer) restent encore mal connues et mal représentées

dans les modèles climatiques actuels (MCGA), contribuant notamment à de fortes incertitudes sur les

projections climatiques futures et l'évolution associée du niveau des océans. La poursuite des études

sur l'équilibre ou non (et l'évolution future) du bilan de masse (surface et total) des différents secteurs

du continent Antarctique, par rapport au réchauffement climatique actuel, s'avère donc primordiale.

Dans le cadre de ce manuscrit, je propose de contribuer à réduire les incertitudes du Bilan de Masse de Surface (BMS) Antarctique, permettant d'aborder une optimisation de la cartographie actuelle de ce dernier que ce soit avec les modèles MCGA ou les cartes d'interpolation de BMS : En premier lieu, une revue détaillée et des exemples d'application des principales méthodes

radiochimiques (principes, inconvénients et avantages) permettant les mesures indirectes du BMS dans

les échantillons de neige collectés sur le terrain Antarctique sont présentés. La description de ces outils

particuliers s'ajoute à celle de l'état actuel des connaissances sur l'ensemble des méthodes de mesure

utilisées dans l'étude du BMS en Antarctique, qui font l'objet d'un travail conséquent évoqué dans le

manuscrit ; Dans un second temps, je présente une nouvelle base de données de BMS de terrain, focalisée

sur le secteur 90-180° Est de l'Antarctique et représentative de la période 1950-2005. La nouvelle

compilation, unique en son genre, est construite sur des critères restrictifs de qualité, basés à la fois (a)

sur les caractéristiques, limites et qualités des différentes méthodes de mesures de BMS précédemment

décrites, mais également (b) sur la disponibilité des informations (localisation précise, date de la

mesure, période temporelle couverte par la valeur de BMS, etc.) associées aux données de BMS

existantes. L'application du filtre de qualité sur l'ensemble des valeurs de BMS de terrain disponibles

dans le secteur d'étude 90-180° Est induit une très forte réduction de la densité et de la couverture

spatiale des points de mesure de BMS dans ce secteur, mais introduit en contre-partie une confiance

accrue dans la fiabilité des données conservées par rapport aux compilations préalables exemptes de

contrôle de la qualité. La nouvelle base de données filtrées contient également de nouvelles valeurs de

BMS, issues de récentes campagnes de terrain (projets ITASE, RAE et ANARE), et qui satisfont aux

critères de qualité définis. Ce travail montre que l'utilisation sans discrimination de données de BMS

de terrain peu fiables peut grandement affecter la validation, au temps présent, du BMS par les modèles MCGA et par-là même entacher la fiabilité des projections climatiques futures ; vi Enfin, dans un troisième et dernier temps, trois travaux dans lesquels la nouvelle base de données contrôlées de BMS a été utilisée sont présentés et montrent :

(i) que dans le secteur Antarctique 90-180° Est, l'application du filtre de qualité sur les données de

BMS de terrain collectées dans les hauts plateaux Antarctique peut significativement modifier

l'appréhension que la communauté glaciologique a, de la capacité des modèles climatiques à

représenter les précipitations et le BMS dans ces secteurs ;

(ii) que l'utilisation des rapports normalisés des températures de brillance mesurées en polarisations

verticales et horizontales du rayonnement micro-onde émis à 6.9 GHz par le manteau neigeux de

surface (cf. carte interpolée de BMS par Arthern and others, 2006) est totalement inadaptée dans les

secteurs Antarctique soumis à l'action des processus de fonte/regel (25% de la surface du continent)

pour la représentation du BMS. Autrement dit, les travaux présentés induisent que les valeurs

interpolées de BMS extraites de la carte de (Arthern and others, 2006) dans les secteurs soumis aux

processus de fonte/regel ne sont pas exploitables ;

(iii) des simulations du climat Antarctique, et par-là même du BMS, pour les périodes 1981-2000 et

2081-2100 via le modèle de circulation générale atmosphérique LMDZ-4, développé initialement par

l'IPSL et modifié par (Krinner and others, 1997) pour les études Antarctiques. La qualité de la

simulation du BMS Antarctique à l'état présent est attestée en comparant les résultats du modèle avec

les données de BMS de terrain sélectionnées selon les critères restrictifs de qualité précédemment

citées. En réponse au changement climatique, les résultats du modèle, en fonction des forçages de

conditions océaniques appliquées (températures de surface, étendue de la glace de mer, etc.) suggèrent

une augmentation du BMS Antarctique (de +32 à +44 kg m -2 an -1 ) au cours des 100 prochaines années,

correspondant à une contribution négative à l'évolution du niveau marin, à savoir une diminution de ce

dernier comprise entre 1.05 et 1.50 mm an -1

à l'horizon 2100.

vii

Abstract

The study of the cryosphere, which is one of the main active component in the global climate system, including global sea level, represents a major interest in the understanding of the current climatic changes. The polar zones are, at the moment, the world areas where the climatic changes

appear in a spectacular way, and this reinforces the necessity of a better understanding of the total and

surface mass balance of the ice sheets. Indeed, the Antarctic mass balance (surface and total), is not

well known yet and is not correctly represented in current climatic models; this matter of fact contributes to strong uncertainties about future climate projection as well as associated potential contribution on sea level change. As a consequence, the continuation of studies on total and surface mass balance (and future change) in the different Antarctic regions, in response to the actual (and future climate), appears essential. In the framework of the present manuscript, I propose to reduce uncertainties in the Antarctic surface mass balance (SMB) estimates, inducing the possibility to optimize the reconstruction of the accumulation parameter over the continent with atmospheric general circulation (climatic) models and interpolation maps of in situ observations. Firstly, detailed descriptions (principles, advantages and problems) of radiochemical methods (radiochronology and time horizon markers) applied to SMB measurement in snow/firn/ice samples

collected during field campaigns in Antarctica, as well as few concrete applications of these tools, are

presented. A review, providing an overview of the other various measurement techniques used for the

SMB determination in Antarctica, the related difficulties and limitation of data interpretation for each

of them, is also shown in the manuscript. Secondly, I present a new compilation of field SMB data in the 90-180° East Antarctic sector from the early 1950s to nowadays. From our knowledge, the new suggested SMB data set is unique

because quality-controlled. Indeed, to build this compilation, I define quality criteria based 1) on an

up-to-date review and quality rating of the various SMB measurement methods as well as 2) on essential information (location, dates of measurements, time period covered by the SMB values,

primary data sources) related to each SMB data. I apply these criteria to all available SMB values in

the 90-180° East Antarctic sector. This application results in a new set of observed SMB values for the

1950-2005 time period with strong reduction in density and coverage but also expectedly reduced

inaccuracies and uncertainties compared to other compilations. The quality-controlled SMB data set also contains new results from recent field campaigns (ITASE, RAE and ANARE projects) which

comply with the defined quality criteria. A comparative evaluation of climate model results against the

quality-controlled updated SMB data set and other widely used ones illustrates that Antarctic SMB studies are significantly affected by the quality of field SMB values used as reference. viii Finally, I present different works in which the new quality-controlled SMB data set has been applied and used. These studies show: (i) that differences between model results and field SMB data in high Antarctic plateau are much

reduced when the in situ SMB reports used to evaluate the models are filtered through quality control

criteria and less reliable reports are subsequently left out. We thus argue that, although not necessarily

unsupported, model biases and their interpretations in terms of clear-sky versus synoptic precipitation

on the Antarctic plateau may have been overstated in the past. To avoid such misleading issues, it is

important that in situ SMB reports of insufficient or un-assessed reliability are discarded even if this is

at the cost of a strong reduction of spatial sampling and coverage;

(ii) that using a carefully screened subset of accumulation measurements in the 90°-180°E sector, we

observe a reasonable agreement with microwave-based accumulation map (cf. Arthern and others,

2006) in the dry-snow regions, but large discrepancies in the coastal regions where melt occurs during

summer. Using an emission microwave model, we explain the failure of microwave sensors to retrieve

accumulation by the presence of layers created by melt/re-freeze cycles. We then conclude that regions

potentially affected by melting should be masked-out in microwave-based interpolation schemes; (iii) high-resolution (60 km) atmospheric general circulation model simulations of the Antarctic climate for the periods 1981-2000 and 2081-2100 realized by the LMDZ-4 model, initially developed by IPSL and modified by Krinner and others (1997) for Antarctic studies. Our analysis focuses on the

surface mass balance change and its impact on global eustatic sea level. We assess the quality of the

simulated present-day SMB by comparing with the new quality-controlled SMB data set in the 90-

180° E sector, as well as SMB in situ data in other Antarctic regions complying with the defined

quality criteria. Following the sea surface conditions applied in the model runs, the simulated Antarctic SMB increases between 32 and 44 mm water equivalent per year in the next century corresponding to a sea level decrease between 1.05 and 1.5 mm year -1 by the end of the twenty-first century. ix

Table des matières

Liste des tableaux xiii

Liste des figures

xvii

Liste des abréviations

xxi

Glossaire de glaciologie et climatologie

xxv

Glossaire de radiochimie

xxix

1. Introduction au bilan de masse de surface en Antarctique de l'Est 1

1.1 Contexte général de l'étude 1

1.2 Bilan de masse de l'Antarctique 7

1.2.1 Caractéristiques physiques générales du continent Antarctique

7

1.2.2 Bilan de masse Antarctique (surface et net) : Théorie et méthodes d'estimation

14

1.2.2.1 Définitions et notions

14

1.2.2.2 Méthodes d'estimation

17

1.2.3 Etat et évolution actuels du bilan de masse de l'Antarctique

19

1.2.3.1 Péninsule Antarctique

19

1.2.3.2 Antarctique de l'Ouest

20

1.2.3.3 Antarctique de l'Est

21

1.3 Synthèse et objectifs de la thèse 23

1.4 Références bibliographiques 30

2. Méthodes radioactives pour la détermination du bilan de masse de

surface 39

2.1 Introduction 39

2.2 Méthodes radioactives : Etat de l'art (théorie et processus) 42

2.2.1 Outils radiochimiques naturels 42

2.2.1.1 Plomb-210

42

2.2.1.2 Transport atmosphérique : De la source au continent Antarctique

45

2.2.1.3 Quelle(s) information(s) donne-t'il sur le continent Antarctique ?

47
a) Calcul du taux d'accumulation : principes de base 47
b) Modèles de calcul de taux d'accumulation sans remaniement 48
c) Limites d'utilisation et procédures de choix 51
x d) Exemples de profils de 210

Pb à Vostok et Dôme C 53

2.2.2 Outils radiochimiques artificiels

56

2.2.2.1 Essais nucléaires atmosphériques de 1945 à nos jours

56

2.2.2.2 Historique des moratoires et traités

60
a) " Moratoire volontaire » et traité Antarctique de 1959 60
b) Traité d'interdiction partielle des essais nucléaires 60
c) Traité sur la limitation des essais souterrains d'armes nucléaires 61
d) Traité sur les explosions nucléaires à des fins pacifiques 61
e) Traité d'interdiction complète des essais nucléaires 61

2.2.2.3 Genèse des produits radioactifs artificiels

62
a) Bombe à fission où bombe A 62
b) Bombe à fission-fusion où bombe H 63
c) Particules radioactives artificielles 64

2.2.2.4 Dispersion atmosphérique et retombées

65

2.2.2.5 Quelle(s) information(s) donnent-t'ils sur le continent Antarctique ?

68
a) Radio-isotopes d'intérêt pour l'étude de l'accumulation de neige 69
b) Historique des retombées / dépôts en Antarctique : exemple de Pôle Sud 72
c) Limites d'utilisation 76

2.3 Méthodes radioactives : Principes et détection au LGGE 78

2.3.1 Préparation des échantillons et géométrie de comptage 78

2.3.2 Laboratoire semi enterré pour la mesure de la radioactivité

79

2.3.2.1 Description générale

79

2.3.2.2 Aménagements spéciaux

81

2.3.3 Spectromètre gamma co-axial à très bas niveau avec dispositif anti-Compton

82

2.3.3.1 Principes de base de la spectrométrie gamma

82

2.3.3.2 Description du spectromètre gamma coaxial HP type N

85

2.3.3.3 Performances analytiques

86
a) Bruit de fond 86
b) Calibration et efficacité(s) de comptage 87
c) Activité Minimale Détectable (AMD) 88

2.3.4 Multi compteur alpha/bêta à bas niveau

89

2.3.4.1 Principes de base du comptage à gaz de type proportionnel

89

2.3.4.2 Description du multi compteur alpha/bêta

90

2.3.4.3 Performances analytiques

91
xi a) Bruit de fond 92 b) Calibration et efficacité(s) de comptage 92
c) Activité Minimale Détectable (AMD) 95

2.4 Exemples d'application pour l'estimation du BMS 96

2.4.1 Application en Antarctique de l'Est avec le programme ITASE 96

2.4.2 Application dans les Andes avec le programme SanVallor

99

2.4.2.1 Forage test de 2005 100

2.4.2.2 Forage 2007

102

2.4.3 Autres utilisations : Sédiments lacustres et réservoirs atmosphériques

104

2.5 Références bibliographiques 106

3. Analyse de données de bilan de masse de surface et contrôle qualité 113

3.1 Problématique 113

3.2 Description de l'étude 120

3.2.1 Notions de contrôle qualité et base de données terrain de bilan de masse de surface 120

3.2.2 Présentation de l'article I

121

3.3 Article I 123

3.4 Informations complémentaires 137

3.4.1 Distribution en valeurs du bilan de masse de surface dans les compilations S1/S2 137

3.4.2 Sensibilité du bilan de masse de surface à l'échantillonnage spatial

141

3.4.2.1 Méthode de rééchantillonnage aléatoire 142

a) Principe et procédure 142
b) Applications, résultats et hypothèses 143

3.4.2.2 Méthode de comparaison des moyennes (test d'hypothèses) 148

a) Principe et procédure 148
b) Applications, résultats et hypothèses 151

3.4.2.3 Synthèse des méthodes 156

3.4.3 Couverture temporelle des compilations S1 et S2

158

3.5 Références bibliographiques 160

4. Applications de la compilation de données filtrées de bilan de masse de

surface 163

4.1 Introduction 163

4.2 Présentation de l'article II 165

xii

4.2.1 Résumé succinct de la problématique et principaux résultats 165

4.2.2 Article II

170

4.3 Présentation de l'article III 177

4.3.1 Résumé succinct de la problématique et principaux résultats

177

4.3.2 Article III

181

4.3.3 Travaux complémentaires dans les régions avec forte interaction atmosphère-neige

189

4.4 Présentation de l'article IV

196
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