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Antarctica is a major component in Earth’s climate system, as the equator to pole temperature gradient controls the characteristics of the general circulation of the atmosphere. Antarctica is also very useful to understand climate variability, as past climate information preserved in the ice may help extend the short observational records. However, the ice core drilling locations are unevenly spread across the glaciated continent, and the temperature reconstructions from the high elevation East Antarctic plateau suffer from poor temporal resolution, because low snow accumulation hampers our interpretation of water isotopes. Here, we present new temperature reconstructions from the Aurora Basin North (ABN, 77°S, 111°E, 2700 masl) ice core. First, we use the regional atmospheric model MAR to characterize the recent climate at ABN, and show that precipitation events are intermittent, and occur under temperature 2°C warmer than average. The large precipitation events are marked in the snow isotopes with δ18O values on par with summer levels, even during the winter, as attested by snow measurements and the isotope-enabled atmospheric model ECHAM5-wiso. Precipitations are consistently associated with a blocking on the Wilkes Land coast, North-East of ABN, and the blockings are more likely to occur during negative phases of the Southern Annular Mode (SAM), the main mode of variability in the southern hemisphere climate. Consequently, SAM positive phases are marked by cold temperatures at ABN, but not necessarily low δ18O, as precipitations may be weakened. The temperature reconstructed from the δ18O in the 300-m-deep, 2000-year ice core drilled at ABN supports stable conditions, with a temperature remaining within a ± 1°C range. We present a second temperature reconstruction from the same core, based on the inversion of borehole temperature and past firn temperature gradients, estimated with the stable isotope composition of Ar and N2 gases trapped in bubbles. This second temperature reconstruction, representative of changes in the snow, suggests that temperature at ABN was about 3°C colder during two periods of the last 2000 years: from 300 to 550 CE, and from 1000 to 1400 CE. This medieval cold anomaly is concurrent with a positive SAM phase, and could not be identified from the δ18O alone. This work highlights the importance of using multiple proxies to determine past temperature variability in Antarctica, as δ18O may be biased towards warm precipitation events.; L’Antarctique joue un rôle majeur dans le climat de la Terre, car le gradient de température entre l’équateur et les pôles contrôlent la circulation atmosphérique. L’Antarctique est également utile pour comprendre la variabilité du climat, puisque les informations préservées dans la glace peuvent complémenter les observations récentes. Cependant, l’emplacement des forages de carotte de glace sont irrégulièrement répartis sur le continent, et les reconstructions de température sur le plateau Est-Antarctique sont entravées par la faible résolution temporelle résultant d’une trop faible accumulation de neige à haute altitude. Nous présentons ici de nouvelles reconstructions de température à partir de la carotte de glace d’Aurora Basion North (ABN, 77°S, 111°E, 2700 m d’altitude). D’abord, nous utilisons le Modèle Atmosphérique Régional (MAR) pour caractériser le climat récent à ABN, et montrons que les événements de précipitation sont intermittents, et sont marqués par une température 2°C supérieure à la moyenne. Les événements de fortes précipitations sont enregistrés dans les isotopes de l’eau, avec des valeurs de δ18O avoisinant les valeurs estivales, même en hiver, comme l’attestent des mesures dans la neige et le modèle atmosphérique ECHAM5-wiso, qui est équipé avec les isotopes de l’eau. Les précipitations sont systématiquement associées avec un blocage atmosphérique sur la côte de Wilkes Land, au nord-est d’ABN, et ces blocages sont favorisés par les phases négatives du Southern Annular Mode (SAM), le principal mode de variabilité dans le climat de l’hémisphère Sud. Par conséquent, les phases positives du SAM sont marquées par des température froides à ABN, mais pas nécessairement par un δ18O faible, car les précipitations peuvent être réduites. La température reconstruite à partir de la carotte forée à ABN, qui fait 300 m et couvre 2000 ans, reste relativement stable, à ± 1°C de la température moyenne. Nous détaillons une deuxième reconstruction de température faite sur la même carotte, basée sur l’inversion de la température de trou de forage et des anciens gradients de température dans le névé, estimés avec les isotopes stables des gaz Ar et N2 piégés dans les bulles. Cette seconde reconstruction de température révèle deux périodes environ 3°C plus froides à ABN au cours des 2000 dernières années : de 300 à 550 EC, et de 1000 à 1400 EC. Cette anomalie froide médiévale est synchrone avec une phase positive du SAM, et n’a pas pu être identifiée à partir du δ18O seul. Cette étude souligne l’importance d’utiliser plusieurs indicateurs pour déterminer les variations passées de température, car le δ18O pourrait surreprésenter les événements chauds à forte précipitation.

Quaternary glacial-interglacial cycles are recorded in various climatic archives from high to low latitudes. The EPICA Dome C ice core provides a high-resolution record over the last 800 ka of δ18Oatm (i.e. δ18O of atmospheric O2) which combines past variations of the low latitude water cycle and of the biosphere productivity. In absence of annual layer counting, this proxy can be used for orbital dating in association with the June 21st insolation at 65°N to build an ice core chronology. However a lag of 6 ka between the δ18Oatm and the insolation, classically observed during glacial-interglacial terminations, is applied to the entire record during the chronology construction. This lag and the complexity of the δ18Oatm signal are the main reasons why the ice core chronology presents a high 6 ka uncertainty which limits their interpretation, jointly with other paleoclimate archives, in terms of past climate and environmental variations. To solve this issue I have developed a new ice core chronology based on the relation between the δ18Oatm and the δ18Ocalcite of east-asian speleothems, using new isotope measurements allowing for the first time a complete record over the last 800 ka at Dome C. This new chronology reduces the uncertainties compared to the actual ice core chronology strongly based on δ18Oatm and shows a better sequence of events between the high and low latitudes records. Then, I have developed a model to reproduce the isotopic composition of atmospheric O2 to address the lack of quantitative interpretations of this proxy and to check our assumption of synchronicity with the δ18Ocalcite over several climatic cycles. To reproduce the variations of the δ18Oatm, it was necessary to couple the intermediate complexity climate model iLOVECLIM and the vegetation model CARAIB. Finally, the δ18Oatm variations simulated with the new coupled model over several thousand years are in phase with the insolation of the Northern hemisphere (except during Heinrich events) and with low latitudes δ18Ocalcite variations. This can be explained by changes in the low latitude water cycle related to changes in the isotopic composition of meteoric water used by the terrestrial biosphere during photosynthesis.; Le climat du Quaternaire est défini par une succession de périodes glaciaires et interglaciaires enregistrées dans les archives climatiques à différentes latitudes. La carotte de glace d’EPICA Dome C fournit un enregistrement haute résolution sur les derniers 800 ka du δ18Oatm (i.e. δ18O de la molécule d’oxygène de l’air) qui combine les variations passées du cycle hydrologique des basses latitudes et de la productivité de la biosphère. En l’absence du comptage des couches annuelles, ce proxy peut être utilisé comme méthode de datation orbitale des carottes de glace, en lien avec l’insolation au 21 juin à 65°N. Cependant, un décalage de 6 ka entre le δ18Oatm et l’insolation, généralement observé lors des terminaisons glaciaires-interglaciaires, est appliqué sur l’ensemble de l’enregistrement lors de la construction de l’échelle d’âge. Ce décalage et la complexité du signal du δ18Oatm expliquent l’incertitude élevée de 6 ka des carottes de glace, ce qui limite leur interprétation en termes de variations climatiques et environnementales conjointement à d’autres archives. J’ai donc développé une nouvelle chronologie pour les carottes de glace, basée sur le lien entre le δ18Oatm et le δ18Ocalcite des spéléothèmes est-asiatiques, à partir de nouvelles mesures isotopiques permettant d’avoir pour la première fois un enregistrement complet sur les derniers 800 ka à Dome C. Cette nouvelle chronologie permet de réduire les incertitudes par rapport à la chronologie actuelle et d’avoir une meilleure séquence des évènements entre les hautes et basses latitudes. J’ai ensuite développé un modèle simulant la composition isotopique de l’oxygène atmosphérique afin de répondre au manque d’interprétations quantitatives de ce proxy ainsi que pour vérifier son lien avec le δ18Ocalcite sur plusieurs cycles climatiques. Pour modéliser le δ18Oatm nous avons dû coupler le modèle climatique de complexité intermédiaire iLOVECLIM avec le modèle de végétation CARAIB. Le δ18Oatm simulé par le modèle couplé sur plusieurs dizaines de milliers d’années confirme que ses variations sont en phase avec celles de l’insolation de l’hémisphère Nord (hormis lors d’évènements de Heinrich) et avec celles du δ18Ocalcite via des modifications du cycle hydrologique des basses latitudes, impactant la composition isotopique de l’eau de pluie utilisée par la biosphère terrestre lors de la photosynthèse.

Quaternary glacial-interglacial cycles are recorded in various climatic archives from high to low latitudes. The EPICA Dome C ice core provides a high-resolution record over the last 800 ka of δ18Oatm (i.e. δ18O of atmospheric O2) which combines past variations of the low latitude water cycle and of the biosphere productivity. In absence of annual layer counting, this proxy can be used for orbital dating in association with the June 21st insolation at 65°N to build an ice core chronology. However a lag of 6 ka between the δ18Oatm and the insolation, classically observed during glacial-interglacial terminations, is applied to the entire record during the chronology construction. This lag and the complexity of the δ18Oatm signal are the main reasons why the ice core chronology presents a high 6 ka uncertainty which limits their interpretation, jointly with other paleoclimate archives, in terms of past climate and environmental variations. To solve this issue I have developed a new ice core chronology based on the relation between the δ18Oatm and the δ18Ocalcite of east-asian speleothems, using new isotope measurements allowing for the first time a complete record over the last 800 ka at Dome C. This new chronology reduces the uncertainties compared to the actual ice core chronology strongly based on δ18Oatm and shows a better sequence of events between the high and low latitudes records. Then, I have developed a model to reproduce the isotopic composition of atmospheric O2 to address the lack of quantitative interpretations of this proxy and to check our assumption of synchronicity with the δ18Ocalcite over several climatic cycles. To reproduce the variations of the δ18Oatm, it was necessary to couple the intermediate complexity climate model iLOVECLIM and the vegetation model CARAIB. Finally, the δ18Oatm variations simulated with the new coupled model over several thousand years are in phase with the insolation of the Northern hemisphere (except during Heinrich events) and with low latitudes δ18Ocalcite variations. This can be explained by changes in the low latitude water cycle related to changes in the isotopic composition of meteoric water used by the terrestrial biosphere during photosynthesis.; Le climat du Quaternaire est défini par une succession de périodes glaciaires et interglaciaires enregistrées dans les archives climatiques à différentes latitudes. La carotte de glace d’EPICA Dome C fournit un enregistrement haute résolution sur les derniers 800 ka du δ18Oatm (i.e. δ18O de la molécule d’oxygène de l’air) qui combine les variations passées du cycle hydrologique des basses latitudes et de la productivité de la biosphère. En l’absence du comptage des couches annuelles, ce proxy peut être utilisé comme méthode de datation orbitale des carottes de glace, en lien avec l’insolation au 21 juin à 65°N. Cependant, un décalage de 6 ka entre le δ18Oatm et l’insolation, généralement observé lors des terminaisons glaciaires-interglaciaires, est appliqué sur l’ensemble de l’enregistrement lors de la construction de l’échelle d’âge. Ce décalage et la complexité du signal du δ18Oatm expliquent l’incertitude élevée de 6 ka des carottes de glace, ce qui limite leur interprétation en termes de variations climatiques et environnementales conjointement à d’autres archives. J’ai donc développé une nouvelle chronologie pour les carottes de glace, basée sur le lien entre le δ18Oatm et le δ18Ocalcite des spéléothèmes est-asiatiques, à partir de nouvelles mesures isotopiques permettant d’avoir pour la première fois un enregistrement complet sur les derniers 800 ka à Dome C. Cette nouvelle chronologie permet de réduire les incertitudes par rapport à la chronologie actuelle et d’avoir une meilleure séquence des évènements entre les hautes et basses latitudes. J’ai ensuite développé un modèle simulant la composition isotopique de l’oxygène atmosphérique afin de répondre au manque d’interprétations quantitatives de ce proxy ainsi que pour vérifier son lien avec le δ18Ocalcite sur plusieurs cycles climatiques. Pour modéliser le δ18Oatm nous avons dû coupler le modèle climatique de complexité intermédiaire iLOVECLIM avec le modèle de végétation CARAIB. Le δ18Oatm simulé par le modèle couplé sur plusieurs dizaines de milliers d’années confirme que ses variations sont en phase avec celles de l’insolation de l’hémisphère Nord (hormis lors d’évènements de Heinrich) et avec celles du δ18Ocalcite via des modifications du cycle hydrologique des basses latitudes, impactant la composition isotopique de l’eau de pluie utilisée par la biosphère terrestre lors de la photosynthèse.

Reconstruire les variations passées de notre climat permet de mieux appréhender le fonctionnement de notre système climatique. Les carottes de glace issues des calottes polaires et des glaciers montagneux de haute altitude sont de très bonnes archives climatiques. Les glaciers présents sur les sommets des Andes sud-américaines sont ainsi exploités depuis les années 80. Une dizaine de carottages ont été réalisés depuis l’équateur jusqu’en Patagonie. Ils recouvrent des périodes très différentes allant du dernier siècle, jusqu’à la dernière transition glaciaire-interglaciaire qui débute il y a 21 000 ans. La datation de ces carottes combine un ensemble de méthodes : comptage des cycles saisonniers des éléments chimiques et de la composition isotopique de la glace, analyse de la concentration des éléments radioactifs issus des tests atmosphériques nucléaires au xxe siècle et modélisation de l’écoulement du glacier pour la partie la plus profonde. Le présent article illustre deux résultats intéressants apportés par l’étude de la composition isotopique de ces glaces. Le premier concerne la période du Petit Âge Glaciaire au xviie-xviiie siècle. L’analyse isotopique de la glace de deux carottes prélevées en Bolivie (Illimani) et au Pérou (Quelccaya), couplée à l’étude de l’extension des glaciers au même moment, montre des conditions climatiques légèrement plus humides et plus froides de 1650 à 1780. Le second résultat est déduit de l’analyse isotopique d’une carotte prélevée en Patagonie du Nord (San Valentin) qui recouvre les 120 dernières années. L’enregistrement isotopique suggère que la température dans cette région a progressivement diminué au cours de cette période d’environ 0,2 °C par décennie, venant prolonger une tendance mesurée par les stations météorologiques chiliennes depuis les années 70 malgré un contexte de réchauffement global. The reconstruction of past climate variability offers important information about our climate system. Ice cores extracted from polar ice sheets or from mountainous glaciers are among the most popular climate archives. Ice cores from Andean glaciers in South America have been studied since the 1980’s. Almost ten ice cores have been extracted from the equator to Patagonia. They cover different time periods from the last century to the last glacial-interglacial termination that started 21,000 years ago. Those ice cores are usually dated by using a combination of methods: annual layers counting in both isotopic and chemical ice composition, radionuclides concentration analysis to detect atmospheric nuclear tests during the 20th century and ice flow modeling for the deepest part of those cores. This paper presents two interesting results arising from the isotopic composition of the ice. The first one deals with the isotopic records of Bolivian (Illimani) and Peruvian (Quelccaya) ice cores in regards to the reconstruction of glacier extent during the little ice age in the 17th-18th century. Both approaches suggest a slightly moister and cooler period from 1650 to 1780. The second result arises from the 120-year long isotopic record of an ice core drilled in Patagonia (San Valentin). It suggests that at the regional scale, temperature has regularly decreased of about 0.2 °C per decade, extending the temperature decrease shown by Chilean meteorological data since the 1970’s despite a global warming.

International audience; The reconstruction of past climate variability offers important information about our climate system. Ice cores extractedfrom polar ice sheets or from mountainous glaciers are among the most popular climate archives. Ice cores from Andean glaciersin South America have been studied since the 1980’s. Almost ten ice cores have been extracted from the equator to Patagonia. Theycover different time periods from the last century to the last glacial-interglacial termination that started 21,000 years ago. Those icecores are usually dated by using a combination of methods: annual layers counting in both isotopic and chemical ice composition,radionuclides concentration analysis to detect atmospheric nuclear tests during the 20th century and ice flow modeling for the deepestpart of those cores. This paper presents two interesting results arising from the isotopic composition of the ice. The first one dealswith the isotopic records of Bolivian (Illimani) and Peruvian (Quelccaya) ice cores in regards to the reconstruction of glacier extentduring the little ice age in the 17th-18th century. Both approaches suggest a slightly moister and cooler period from 1650 to 1780. Thesecond result arises from the 120-year long isotopic record of an ice core drilled in Patagonia (San Valentin). It suggests that at theregional scale, temperature has regularly decreased of about 0.2 °C per decade, extending the temperature decrease shown by Chileanmeteorological data since the 1970’s despite a global warming.; Reconstruire les variations passées de notre climat permet de mieux appréhender le fonctionnement de notre système climatique.Les carottes de glace issues des calottes polaires et des glaciers montagneux de haute altitude sont de très bonnes archivesclimatiques. Les glaciers présents sur les sommets des Andes sud-américaines sont ainsi exploités depuis les années 80. Une dizainede carottages ont été réalisés depuis l’équateur jusqu’en Patagonie. Ils recouvrent des périodes très différentes allant du derniersiècle, jusqu’à la dernière transition glaciaire-interglaciaire qui débute il y a 21 000 ans. La datation de ces carottes combine unensemble de méthodes : comptage des cycles saisonniers des éléments chimiques et de la composition isotopique de la glace, analysede la concentration des éléments radioactifs issus des tests atmosphériques nucléaires au XXe siècle et modélisation de l’écoulementdu glacier pour la partie la plus profonde. Le présent article illustre deux résultats intéressants apportés par l’étude de la compositionisotopique de ces glaces. Le premier concerne la période du Petit Âge Glaciaire au XVIIe-XVIIIe siècle. L’analyse isotopique de la glacede deux carottes prélevées en Bolivie (Illimani) et au Pérou (Quelccaya), couplée à l’étude de l’extension des glaciers au mêmemoment, montre des conditions climatiques légèrement plus humides et plus froides de 1650 à 1780. Le second résultat est déduitde l’analyse isotopique d’une carotte prélevée en Patagonie du Nord (San Valentin) qui recouvre les 120 dernières années. L’enregistrementisotopique suggère que la température dans cette région a progressivement diminué au cours de cette période d’environ0,2 °C par décennie, venant prolonger une tendance mesurée par les stations météorologiques chiliennes depuis les années 70 malgréun contexte de réchauffement global.

International audience; Polar ice cores provide exceptional archives of past environmental conditions. The dating of ice cores and the estimation of the age-scale uncertainty are essential to interpret the climate and environmental records that they contain. It is, however, a complex problem which involves different methods. Here, we present IceChrono1, a new probabilistic model integrating various sources of chronological information to produce a common and optimized chronology for several ice cores, as well as its uncertainty. IceChrono1 is based on the inference of three quantities: the surface accumulation rate, the lock-in depth (LID) of air bubbles and the thinning function. The chronological information integrated into IceChrono1 are modeling scenarios of the sedimentation process (accumulation of snow, densification of snow into ice and air trapping, ice flow), ice-and air-dated horizons, ice and air depth intervals with known durations, Δdepth observations (depth shift between synchronous events recorded in the ice and in the air) and finally ice, air or mix stratigraphic links in between ice cores. the inference problem is formulated as a least squares optimisation, implying that all densities of probabilities are assumed to be Gaussian. It is numerically solved using the Levenberg-Marquardt algorithm (thus assuming that the model is almost linear in the vicinity of the solution) and a numerical evaluation of the model's Jacobian. IceChrono1 is freely available under the General Public License v3 open source license.; Les forages polaires fournissent des archives exceptionnelles des conditions climatiques et environnementales passées. Produire une datation robuste des carottes de glace ainsi qu'une estimation de l'incertitude associée est essentiel pour interpréter les enregistrements climatiques et environnementaux qu'elles contiennent. Cependant, c'est une tâche complexe car elle implique d'utiliser différentes méthodes. Dans cet article, nous présentons IceChrono1, un modèle probabiliste qui combine différentes sources d'information chronologique pour produire une datation commune et optimale pour plusieurs carottes de glace, ainsi qu'une estimation de l'incertitude associée. IceChrono1 est basé sur l'inférence de trois quantités : le taux d'accumulation de neige en surface, la profondeur de piégeage de l'air et la fonction d'amincissement. IceChrono1 intègre de multiples informations chronologiques : un scénario modélisé du processus de sédimentation (accumulation de la neige, densification de la neige en glace et piégeage de l'air, écoulement de la glace), des horizons bien datés pour contraindre l'âge de la glace ou l'âge de l'air, des intervalles de profon-deur définis sur la glace ou via des mesures sur l'air piégé dont la durée est connue, des observations du Δprofondeur (le décalage en profondeur entre des événements synchrones enregistrés dans la glace et dans l'air) et finalement des liens stratigraphiques reliant des marqueurs identifiés dans la glace, dans l'air piégé ou dans les deux à la fois entre les carottes de glace. L'inférence est formulée comme un problème d'optimisation aux moindres carrés, impliquant que toutes les densités de probabilités sont supposées gaussiennes. Elle est résolue numériquement en utilisant l'algorithme de Levenberg-Marquardt (supposant ainsi que le modèle est presque linéaire au voisinage de la solution) et une évaluation numérique du Jacobien du modèle. IceChrono1 est librement disponible sous la licence libre GPL v3 (General Public License v3).

International audience; Polar ice cores provide exceptional archives of past environmental conditions. The dating of ice cores and the estimation of the age-scale uncertainty are essential to interpret the climate and environmental records that they contain. It is, however, a complex problem which involves different methods. Here, we present IceChrono1, a new probabilistic model integrating various sources of chronological information to produce a common and optimized chronology for several ice cores, as well as its uncertainty. IceChrono1 is based on the inference of three quantities: the surface accumulation rate, the lock-in depth (LID) of air bubbles and the thinning function. The chronological information integrated into IceChrono1 are modeling scenarios of the sedimentation process (accumulation of snow, densification of snow into ice and air trapping, ice flow), ice-and air-dated horizons, ice and air depth intervals with known durations, Δdepth observations (depth shift between synchronous events recorded in the ice and in the air) and finally ice, air or mix stratigraphic links in between ice cores. the inference problem is formulated as a least squares optimisation, implying that all densities of probabilities are assumed to be Gaussian. It is numerically solved using the Levenberg-Marquardt algorithm (thus assuming that the model is almost linear in the vicinity of the solution) and a numerical evaluation of the model's Jacobian. IceChrono1 is freely available under the General Public License v3 open source license.; Les forages polaires fournissent des archives exceptionnelles des conditions climatiques et environnementales passées. Produire une datation robuste des carottes de glace ainsi qu'une estimation de l'incertitude associée est essentiel pour interpréter les enregistrements climatiques et environnementaux qu'elles contiennent. Cependant, c'est une tâche complexe car elle implique d'utiliser différentes méthodes. Dans cet article, nous présentons IceChrono1, un modèle probabiliste qui combine différentes sources d'information chronologique pour produire une datation commune et optimale pour plusieurs carottes de glace, ainsi qu'une estimation de l'incertitude associée. IceChrono1 est basé sur l'inférence de trois quantités : le taux d'accumulation de neige en surface, la profondeur de piégeage de l'air et la fonction d'amincissement. IceChrono1 intègre de multiples informations chronologiques : un scénario modélisé du processus de sédimentation (accumulation de la neige, densification de la neige en glace et piégeage de l'air, écoulement de la glace), des horizons bien datés pour contraindre l'âge de la glace ou l'âge de l'air, des intervalles de profon-deur définis sur la glace ou via des mesures sur l'air piégé dont la durée est connue, des observations du Δprofondeur (le décalage en profondeur entre des événements synchrones enregistrés dans la glace et dans l'air) et finalement des liens stratigraphiques reliant des marqueurs identifiés dans la glace, dans l'air piégé ou dans les deux à la fois entre les carottes de glace. L'inférence est formulée comme un problème d'optimisation aux moindres carrés, impliquant que toutes les densités de probabilités sont supposées gaussiennes. Elle est résolue numériquement en utilisant l'algorithme de Levenberg-Marquardt (supposant ainsi que le modèle est presque linéaire au voisinage de la solution) et une évaluation numérique du Jacobien du modèle. IceChrono1 est librement disponible sous la licence libre GPL v3 (General Public License v3).

Au cours des 40 dernières années, la recherche sur les carottes de glace a produit des résultats de référence pour l’évolution de la température polaire et de la composition atmosphérique au cours des 800 000 dernières années sur les échelles de temps orbitales et millénaires. Plus récemment, des progrès ont été faits dans la datation cohérente des carottes de glace en intégrant des marqueurs stratigraphiques et une méthode d’analyse bayésienne. Ces progrès permettent de compiler facilement les différents enregistrements issus des carottes de glace. Les avancées récentes dans l’analyse et la datation des carottes de glace ont permis de mieux documenter le déphasage entre augmentation de température et augmentation de concentration de dioxyde de carbone dans l’atmosphère. Lors des deux dernières déglaciations, il est maintenant établi que les augmentations initiales de concentration atmosphérique en dioxyde de carbone et température antarctique sont synchrones à ± 200 ans. Les mesures à haute résolution dans les carottes de glace et les efforts de datation relative entre Groenland et Antarctique permettent d’étudier les processus à l’œuvre lors de la variabilité millénaire de la dernière période glaciaire. En plus du phénomène de bascule bipolaire, il a été mis en évidence récemment une variabilité climatique régionale en Antarctique lors de ces événements millénaires. Enfin, les carottes de glace apportent aussi des informations pertinentes pour l’étude du système couplé climat – calotte de glace dans un contexte de température plus élevée. Les reconstructions récentes du dernier interglaciaire à partir des carottes de glace groenlandaises indiquent en effet une température d’environ 8°C plus élevée qu’à l’actuel au Groenland. Unique results have been obtained from ice core research over the last 40 years documenting the evolution of polar temperature and atmospheric composition at millennial and orbital timescales over the last 800 000 years. Recent progresses on coherent ice core dating integrated stratigraphic markers as well as a bayesian method. This led to an easy compilation of various ice core records. Moreover, new measurements in polar ice cores and dating improvements enabled one to quantify the phasing between temperature and CO2 concentration in atmosphere. Initial rises in CO2 concentration and Antarctic temperature are synchronous over the last two deglaciations within ± 200 years. High resolution measurements in ice cores and efforts in relative dating between Greenland and Antarctic have led to an accurate description of the millennial variability of the last glacial period: in addition to the bipolar seesaw mechanism, a regional climate variability has been evidenced in Antarctica. Finally, ice cores are also very useful to document the ice sheet – climate system in a warmer world. Recent reconstructions inferred from Greenland ice cores indeed suggest that the temperature of the last interglacial was 8°C warmer than today in Greenland.

Polar ice has proved to be a very valuable way to access Earth’s volcanism history, and a large number of volcanic reconstructions are based on ice-core analysis. Reconstructions are fed into climate forcing models in order to estimate volcanic cooling effect, resulting from the interactions between volcanic sulfuric acid aerosols and incident solar radiations. In this type of reconstruction, determining the potential impact of an eruption is a key step. It usually relies on the identification of its signal in both polar caps (bipolar signal). This wide spatial distribution indeed reflects a significant residence time in the stratosphere, and thus a sizable impact on climate. However, ice cores offer an interesting alternative to this method: the analysis of volcanic sulfates reveals a mass independent fractionation of sulfur (S-MIF) in the aerosols formed in the stratosphere, allowing us to discriminate between low climatic impact (tropospheric) and high climatic impact eruptions (stratospheric). Studying the unusual isotopic signature of stratospheric aerosols simultaneously allows for constraining photochemical mechanisms responsible for this anomaly (Δ33S ≠ 0), which are currently only partially identified. In 2010-2011, 5 100m-cores were drilled at Dome C, Antarctica in order to reconstruct a history of stratospheric volcanic over the past 2500 years, by the isotopic method. Drilling 5 replicate cores, 1 m apart, allowed us to study various aspects of the reconstruction.Firstly, we were able to assess the sulfate deposition variability on a local scale, and therefore the statistical representativeness of a single core in a volcanic reconstruction. Sulfate concentration analysis of the 5 cores reveals that local scale variability, essentially attributed to snow drift and surface roughness at Dome C, can lead to a non-exhaustive record of volcanic events if a single core is used; on average 30% of the volcanic events are missing per core, and the uncertainty on the volcanic flux (up to 60%) is substantial.Secondly, our detailed analysis (temporal resolution of each eruption) has allowed us to more accurately describe the stratospheric S-MIF signature. Implications on current atmospheric chemistry are evaluated through the set of trends obtained in our samples. We used a simple model implemented with fractionation factors available in the literature to account for the isotopic pattern observed on volcanic sulfate deposition. Through this tool, we evaluated the respective proportions of the different mechanisms assumed to take part in the oxidation process (mass dependent vs. mass independent processes, self-shielding vs. spectral isotopic effect) needed to reproduce natural data, in the current state of experimental knowledge.Finally, the systematic analysis of the isotopic composition (Δ33S) in volcanic events has allowed us to establish a history of the stratospheric volcanism recorded in Dome C in the last 2600 years. Through the isotopic method, in most cases we confirmed the tropical origin of volcanic events as reported in the literature. Discrepancies hinted at high latitude stratospheric events, but the synchronization between North and South Pole records recently established is not questioned. The results also validate the use of the isotopic method to identify stratospheric eruptions in a glacial record., La glace polaire est sans nul doute la meilleure archive dont nous disposons en terme de paléo volcanisme. Les reconstructions du volcanisme passé se basant sur l’analyse des carottes de glace sont nombreuses. Elles alimentent notamment les modèles de forçage climatique, dans le but d’estimer l’effet refroidissant du volcanisme, dû aux interactions entre aérosols d’acide sulfuriques d’origine volcanique, et le rayonnement solaire incident. Dans ce type de reconstruction, l’un des paramètres-clés pour déterminer l’impact potentiel d’une éruption, est l’identification de son signal sur les deux calottes polaires (signal bipolaire). Cette large répartition spatiale traduit en effet un temps de résidence significatif dans la stratosphère, et donc, un impact climatique important. Les carottes de glace offrent pourtant une alternative intéressante à cette méthode : l’analyse du soufre des sulfates volcaniques révèle la présence d’anomalies isotopiques (Δ33S ≠ 0) dans les aérosols d’origine stratosphérique, permettant la discrimination entre éruptions de faible impact (troposphériques) et éruptions de fort impact (stratosphériques). L’étude de la signature isotopique atypique des aérosols stratosphériques permet en parallèle de contraindre les mécanismes photochimiques à l’origine de cette anomalie, qui ne sont que partiellement identifiés à ce jour. En 2010-2011, 5 carottes de névé de 100m de long ont été collectées à Dôme C, Antarctique, dans le but de reconstruire une histoire du volcanisme stratosphérique des 2500 dernières années, par la méthode isotopique. Le forage de 5 carottes identiques, à 1 m les unes des autres, nous a permis d’étudier différents aspects de la reconstruction.Premièrement, nous avons pu évaluer la variabilité du dépôt de sulfate à l’échelle locale, et donc, la représentativité statistique d’une seule carotte vis à vis d’une reconstruction volcanique. L’analyse des concentrations de sulfate révèle qu’une importante variabilité locale, associée principalement au déplacement de la neige par le vent, pouvait entraîner un enregistrement non exhaustif des évènements volcaniques (en moyenne 30% d’évènements manquants, par carotte) et une variabilité conséquente du flux archivé (jusqu’à 60%).En second lieu, le niveau de détail de nos analyses (résolution temporelle de chaque éruption) nous a permis de décrire plus précisément la signature des processus indépendants de la masse à l’œuvre dans la stratosphère. Les résultats obtenus ne permettent pas de clore le débat concernant le mécanisme photochimique à l’origine de l’anomalie, mais ils contraignent la signature stratosphérique de façon robuste, notamment en définissant les tendances isotopiques (Δ36S vs. Δ33S et Δ33S vs. δ34S). Les implications de ces contraintes sur la chimie atmosphérique actuelle sont discutées à travers l’utilisation d’un modèle simple ; nous évaluons les paramètres requis, en particulier les proportions des différentes voies d’oxydation stratosphériques (dépendantes et indépendantes de la masse), pour reproduire nos résultats.Enfin, l’analyse systématique de la composition isotopique (Δ33S) des évènements volcaniques nous a permis d’établir un historique du volcanisme stratosphérique enregistré à Dôme C au cours des 2600 dernières années. Nos résultats confirment majoritairement l’origine tropicale (stratosphérique) des évènements identifiés comme tels dans la littérature, et suggèrent le caractère stratosphérique (unipolaire) de quelques éruptions de haute latitude. Les résultats ne remettent pas en question la synchronisation des enregistrements bipolaires récemment établis, et valident l’utilisation de la méthode isotopique pour l’identification des éruptions stratosphériques dans un enregistrement glaciaire.

Polar ice has proved to be a very valuable way to access Earth’s volcanism history, and a large number of volcanic reconstructions are based on ice-core analysis. Reconstructions are fed into climate forcing models in order to estimate volcanic cooling effect, resulting from the interactions between volcanic sulfuric acid aerosols and incident solar radiations. In this type of reconstruction, determining the potential impact of an eruption is a key step. It usually relies on the identification of its signal in both polar caps (bipolar signal). This wide spatial distribution indeed reflects a significant residence time in the stratosphere, and thus a sizable impact on climate. However, ice cores offer an interesting alternative to this method: the analysis of volcanic sulfates reveals a mass independent fractionation of sulfur (S-MIF) in the aerosols formed in the stratosphere, allowing us to discriminate between low climatic impact (tropospheric) and high climatic impact eruptions (stratospheric). Studying the unusual isotopic signature of stratospheric aerosols simultaneously allows for constraining photochemical mechanisms responsible for this anomaly (Δ33S ≠ 0), which are currently only partially identified. In 2010-2011, 5 100m-cores were drilled at Dome C, Antarctica in order to reconstruct a history of stratospheric volcanic over the past 2500 years, by the isotopic method. Drilling 5 replicate cores, 1 m apart, allowed us to study various aspects of the reconstruction.Firstly, we were able to assess the sulfate deposition variability on a local scale, and therefore the statistical representativeness of a single core in a volcanic reconstruction. Sulfate concentration analysis of the 5 cores reveals that local scale variability, essentially attributed to snow drift and surface roughness at Dome C, can lead to a non-exhaustive record of volcanic events if a single core is used; on average 30% of the volcanic events are missing per core, and the uncertainty on the volcanic flux (up to 60%) is substantial.Secondly, our detailed analysis (temporal resolution of each eruption) has allowed us to more accurately describe the stratospheric S-MIF signature. Implications on current atmospheric chemistry are evaluated through the set of trends obtained in our samples. We used a simple model implemented with fractionation factors available in the literature to account for the isotopic pattern observed on volcanic sulfate deposition. Through this tool, we evaluated the respective proportions of the different mechanisms assumed to take part in the oxidation process (mass dependent vs. mass independent processes, self-shielding vs. spectral isotopic effect) needed to reproduce natural data, in the current state of experimental knowledge.Finally, the systematic analysis of the isotopic composition (Δ33S) in volcanic events has allowed us to establish a history of the stratospheric volcanism recorded in Dome C in the last 2600 years. Through the isotopic method, in most cases we confirmed the tropical origin of volcanic events as reported in the literature. Discrepancies hinted at high latitude stratospheric events, but the synchronization between North and South Pole records recently established is not questioned. The results also validate the use of the isotopic method to identify stratospheric eruptions in a glacial record.; La glace polaire est sans nul doute la meilleure archive dont nous disposons en terme de paléo volcanisme. Les reconstructions du volcanisme passé se basant sur l’analyse des carottes de glace sont nombreuses. Elles alimentent notamment les modèles de forçage climatique, dans le but d’estimer l’effet refroidissant du volcanisme, dû aux interactions entre aérosols d’acide sulfuriques d’origine volcanique, et le rayonnement solaire incident. Dans ce type de reconstruction, l’un des paramètres-clés pour déterminer l’impact potentiel d’une éruption, est l’identification de son signal sur les deux calottes polaires (signal bipolaire). Cette large répartition spatiale traduit en effet un temps de résidence significatif dans la stratosphère, et donc, un impact climatique important. Les carottes de glace offrent pourtant une alternative intéressante à cette méthode : l’analyse du soufre des sulfates volcaniques révèle la présence d’anomalies isotopiques (Δ33S ≠ 0) dans les aérosols d’origine stratosphérique, permettant la discrimination entre éruptions de faible impact (troposphériques) et éruptions de fort impact (stratosphériques). L’étude de la signature isotopique atypique des aérosols stratosphériques permet en parallèle de contraindre les mécanismes photochimiques à l’origine de cette anomalie, qui ne sont que partiellement identifiés à ce jour. En 2010-2011, 5 carottes de névé de 100m de long ont été collectées à Dôme C, Antarctique, dans le but de reconstruire une histoire du volcanisme stratosphérique des 2500 dernières années, par la méthode isotopique. Le forage de 5 carottes identiques, à 1 m les unes des autres, nous a permis d’étudier différents aspects de la reconstruction.Premièrement, nous avons pu évaluer la variabilité du dépôt de sulfate à l’échelle locale, et donc, la représentativité statistique d’une seule carotte vis à vis d’une reconstruction volcanique. L’analyse des concentrations de sulfate révèle qu’une importante variabilité locale, associée principalement au déplacement de la neige par le vent, pouvait entraîner un enregistrement non exhaustif des évènements volcaniques (en moyenne 30% d’évènements manquants, par carotte) et une variabilité conséquente du flux archivé (jusqu’à 60%).En second lieu, le niveau de détail de nos analyses (résolution temporelle de chaque éruption) nous a permis de décrire plus précisément la signature des processus indépendants de la masse à l’œuvre dans la stratosphère. Les résultats obtenus ne permettent pas de clore le débat concernant le mécanisme photochimique à l’origine de l’anomalie, mais ils contraignent la signature stratosphérique de façon robuste, notamment en définissant les tendances isotopiques (Δ36S vs. Δ33S et Δ33S vs. δ34S). Les implications de ces contraintes sur la chimie atmosphérique actuelle sont discutées à travers l’utilisation d’un modèle simple ; nous évaluons les paramètres requis, en particulier les proportions des différentes voies d’oxydation stratosphériques (dépendantes et indépendantes de la masse), pour reproduire nos résultats.Enfin, l’analyse systématique de la composition isotopique (Δ33S) des évènements volcaniques nous a permis d’établir un historique du volcanisme stratosphérique enregistré à Dôme C au cours des 2600 dernières années. Nos résultats confirment majoritairement l’origine tropicale (stratosphérique) des évènements identifiés comme tels dans la littérature, et suggèrent le caractère stratosphérique (unipolaire) de quelques éruptions de haute latitude. Les résultats ne remettent pas en question la synchronisation des enregistrements bipolaires récemment établis, et valident l’utilisation de la méthode isotopique pour l’identification des éruptions stratosphériques dans un enregistrement glaciaire.

Greenland ice core have revealed the occurrence of rapid climatic instabilities during the last glacial period, known as Dansgaard-Oeschger (DO) events, while marine cores from the North Atlantic have evidenced layers of ice rafted debris deposited by icebergs melt, caused by the collapse of Northern hemisphere ice sheets, known as Heinrich events. The imprint of DO and Heinrich events is also recorded at mid to low latitudes in different archives of the northern hemisphere. A detailed multi-proxy study of the sequence of these rapid instabilities is essential for understanding the climate mechanisms at play.Recent analytical developments have made possible to measure new paleoclimate proxies in Greenland ice cores. In this thesis we first contribute to these analytical developments by measuring the new innovative parameter 17O-excess from ice at LSCE (Laboratoire des Sciences du Climatet de l'Environnement, France). At the Centre for Ice and Climate (CIC, Denmark) we contribute to the development of a protocol for absolute referencing of methane gas isotopes, and making full air standard with known concentration and isotopic composition of methane (d13C and d2H).Then, air (d15N-N2) and water stable isotope measurements from four Greenland deep ice cores (GRIP, GISP2, NGRIP and NEEM) are investigated over a series of Dansgaard– Oeschger events (DO 8, 9 and 10). Combined with firn modeling, d15N data allow us to quantify abrupt temperature increases for each drill site (1 sigma = 0.6°C for NEEM, GRIP and GISP2, 1.5°C for NGRIP). Our data show that the magnitude of stadial–interstadial temperature increase is up to 2°C larger in central (GRIP, GISP2) and central-North (NGRIP) Greenland than in northwest Greenland (NEEM). The same spatial pattern is seen for accumulation increases. This pattern is coherent with climate simulations in response to reduced sea-ice extent in the Nordic seas.Finally, we develop a multi-proxy approach to identify in polar ice cores the fingerprint of Heinrich Events and apply it to Heinrich events 4 and 5, occurring during GS-9 and GS-13 respectively. Our multi-proxy study evidences non-synchronous climate changes between Greenland and the mid-latitudes during GS-9 and GS-13. It opens new paths for parallel investigation of different marine, terrestrial and ice core climate archives.; Les carottes de glace groenlandaises ont révélé l’occurrence d'instabilités climatiques rapides lors de la dernière période glaciaire, ou événements de Dansgaard-Oeschger (DO). Parallèlement les carottes de sédiment marin de l'Océan Atlantique Nord ont mis en évidence des couches de débris glaciaires, déposés lors de la fonte des icebergs déchargés par la désintégration des calottes glaciaires de l'hémisphère nord, ou événements de Heinrich. La trace des DO et des événements de Heinrich est également enregistrée aux latitudes moyennes à basses dans différentes archives climatiques de l'hémisphère nord. Une étude multi-marqueurs détaillée de la séquence de ces instabilités rapides est essentielle pour comprendre les mécanismes climatiques en jeu.Les développements analytiques récents ont rendu possible la mesure de nouveaux marqueurs paléoclimatiques dans les carottes de glace du Groenland. Dans cette thèse, nous contribuons tout d'abord à ces développements analytiques en mesurant le nouveau paramètre climatique 17O-excess de la glace au LSCE (Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement, France). Au Centre pour la Glace et le Climat (CIC, Danemark) nous contribuons au développement d'un protocole expérimental pour le référencement de la mesure des isotopes du méthane dans l'air et à la réalisation d'un mélange de gaz de référence pour la composition isotopique du méthane (d13C et d2H).Ensuite, des mesures d'isotopes stables de l'air (d15N du N2) et de l'eau de quatre forages profonds groenlandais (GRIP, GISP2, NGRIP et NEEM) sont réalisés sur une séquence climatique continue (DO 8, 9 et 10). Combinées avec la modélisation du névé, les données de d15N nous permettent de quantifier les augmentations rapides de la température pour chaque puits de forage (1 sigma = 0.6°C pour NEEM, GRIP et GISP2, 1.5°C pour NGRIP). Nos données montrent que l'augmentation de température est jusqu'à 2°C plus grande au Groenland central (GRIP, GISP2) et au centre-nord (NGRIP) qu'au nord-ouest (NEEM). Les augmentations de précipitations neigeuses suivent la même structure. Cette structure est cohérente avec les scénarios de modélisation climatique de réduction de l'étendue de glace de mer dans les Mers Nordiques. Enfin, nous développons une approche multi-marqueurs afin d'identifier dans les carottes de glace polaires la trace des événements de Heinrich et nous l'appliquons aux événements de Heinrich 4 et 5, se produisant pendant les stadiaires GS-9 et GS-13, respectivement. Notre étude multi-marqueurs met en évidence des changements climatiques non synchrones entre le Groenland et les latitudes moyennes lors des GS-9 et GS-13. Ceci initie et encourage de nouvelles approches pour l'investigation de différentes archives climatiques d'origine marine, terrestre et glaciaire.

The polar ice cores, in addition to improving our understanding of the climate, give access to beryllium-10 (10Be) fallout, an isotope of cosmogenic origin created by the interaction of Galactic Cosmic Rays with the upper atmosphere. Its production rate depends on the intensity of the primary cosmic rays, which are modulated by solar activity and the Earth's magnetic field. 10Be therefore provides information on these two parameters. It has allowed, among others, the improvement of ice cores chronologies thanks to absolute stratigraphic markers linked to remarkable events of the geomagnetic field as the Laschamp excursion or the Brunhes-Matuyama reversal.EPICA Dome C (75° 06' S, 123° 21' E) is a 3270~m ice core drilled in East Antarctica. It offers a complete climate record over the last 800 000 years (kyr BP). In the framework of the PhD, 2200 10Be samples were measured between 2384 m (269 kyr BP) and 2627 m (355 kyr BP) deep. This continuous sequence provides, on the one hand, the opportunity to study the solar activity during the interglacial period of the Marine Isotope Stage (MIS) 9.3, where the resolution reaches ~20 years. Our results contrast with those during the Holocene, with the noted absence of the de Vries cycle (210 years) in our 10Be profile. On the other hand, this sequence allowed us to verify that the classical estimate of snow accumulation obtained by the dating models of ice cores is correct to within 20% during the succession of glacial – interglacial cycles.These measurements were combined with those previously performed under the responsibility of Grant Raisbeck (publication in preparation). This allows to dispose of a continuous and detailed profile (resolution: 20 to 250 years) between 200 and 800 kyr BP on the EPICA Dome C ice core. The observed 10Be flux variations compare well with changes in the intensity of the geomagnetic field recorded in marine sediments. From this observation, it is possible to propose a synchronization of these profiles in order to place them on a common age scale. The observed phase shifts between the rise of temperature in Antarctica (increase of D at EDC) and the rise of global sea level (decrease of marine 18O from marine sediments) do not exceed 3200, except at the Termination VII. The low resolution of the 18O records from marine sediments makes it difficult to analyze the phase shifts. The obtained results encourage to analyze more recent periods around Termination II, including the Blake and Iceland Basin geomagnetic excursions. Indeed, this would allow to constrain more strongly the synchronization between the paleomagnetic signal in marine sediments and the 10Be flux at EDC.; Les glaces polaires, en plus d'améliorer notre compréhension du climat, donnent accès aux retombées de béryllium-10 (10Be), isotope d'origine cosmogénique formé par l'interaction du rayonnement cosmique et des hautes couches de l'atmosphère. Son taux de production dépend de l'intensité du rayonnement cosmique primaire, qui est modulé par l'activité solaire et le champ magnétique terrestre. Le 10Be contient donc des informations sur ces deux paramètres. Il a permis, entre autres, l'amélioration des chronologies des carottes de glace grâce à des marqueurs stratigraphiques absolus liés à des évènements remarquables du champ géomagnétique comme l'excursion de Laschamp ou l'inversion de Brunhes-Matuyama.EPICA Dome C (75° 06' S, 123° 21' E) est une carotte de glace de 3270 m de long forée en Antarctique Est. Elle offre un enregistrement climatique complet durant les 800 000 dernières années (kyr BP). Dans le cadre de cette thèse, 2200 échantillons de 10Be ont été mesurés entre 2384 m (269 kyr BP) et 2627 m (355 kyr BP) de profondeur. Cette séquence continue offre, d'une part, la possibilité d'étudier l'activité solaire durant la période interglaciaire du Stade Isotopique Marin (MIS) 9.3, où la résolution atteint ~20 ans. Nos résultats contrastent avec ceux durant l'Holocène, avec l'absence remarquée du cycle de de Vries (210 ans) dans notre profil de 10Be. D'autre part, cette séquence nous a permis de vérifier que l'estimation classique de l'accumulation de neige obtenue par les modèles de datation de carottes de glace est correcte à 20% près lors de la succession des cycles glaciaires – interglaciaires.Ces mesures ont été combinées avec celles précédemment effectuées sous la responsabilité de Grant Raisbeck (publication en préparation). Ceci permet de disposer d'un profil continu et détaillé (résolution de 20 à 250 ans) entre 200 et 800 kyr BP sur la carotte de glace EPICA Dome C. Les variations de flux de 10Be observées se comparent bien aux changements d'intensité du champ géomagnétique enregistrés dans les sédiments marins. À partir de cette observation, il est possible de proposer une synchronisation de ces profils afin de les placer sur une échelle d'âge commune. Les déphasages observés entre l'augmentation de température en Antarctique (augmentation du D à EDC) et la hausse du niveau marin global (baisse du 18O marin des archives sédimentaires) n'excèdent pas 3200 ans excepté à la Terminaison VII. La faible résolution des enregistrements de 18O dans les sédiments marins rend l'analyse des déphasages délicate. Les résultats obtenus encouragent à analyser des périodes plus récentes autour de la Terminaison II, incluant les excursions géomagnétiques de Blake et d'Iceland Basin. Ceci permettrait en effet de contraindre plus fortement la synchronisation entre le signal paléomagnétique dans les sédiments marins et le flux de 10Be à EDC.

The polar ice cores, in addition to improving our understanding of the climate, give access to beryllium-10 (10Be) fallout, an isotope of cosmogenic origin created by the interaction of Galactic Cosmic Rays with the upper atmosphere. Its production rate depends on the intensity of the primary cosmic rays, which are modulated by solar activity and the Earth's magnetic field. 10Be therefore provides information on these two parameters. It has allowed, among others, the improvement of ice cores chronologies thanks to absolute stratigraphic markers linked to remarkable events of the geomagnetic field as the Laschamp excursion or the Brunhes-Matuyama reversal.EPICA Dome C (75° 06' S, 123° 21' E) is a 3270~m ice core drilled in East Antarctica. It offers a complete climate record over the last 800 000 years (kyr BP). In the framework of the PhD, 2200 10Be samples were measured between 2384 m (269 kyr BP) and 2627 m (355 kyr BP) deep. This continuous sequence provides, on the one hand, the opportunity to study the solar activity during the interglacial period of the Marine Isotope Stage (MIS) 9.3, where the resolution reaches ~20 years. Our results contrast with those during the Holocene, with the noted absence of the de Vries cycle (210 years) in our 10Be profile. On the other hand, this sequence allowed us to verify that the classical estimate of snow accumulation obtained by the dating models of ice cores is correct to within 20% during the succession of glacial – interglacial cycles.These measurements were combined with those previously performed under the responsibility of Grant Raisbeck (publication in preparation). This allows to dispose of a continuous and detailed profile (resolution: 20 to 250 years) between 200 and 800 kyr BP on the EPICA Dome C ice core. The observed 10Be flux variations compare well with changes in the intensity of the geomagnetic field recorded in marine sediments. From this observation, it is possible to propose a synchronization of these profiles in order to place them on a common age scale. The observed phase shifts between the rise of temperature in Antarctica (increase of D at EDC) and the rise of global sea level (decrease of marine 18O from marine sediments) do not exceed 3200, except at the Termination VII. The low resolution of the 18O records from marine sediments makes it difficult to analyze the phase shifts. The obtained results encourage to analyze more recent periods around Termination II, including the Blake and Iceland Basin geomagnetic excursions. Indeed, this would allow to constrain more strongly the synchronization between the paleomagnetic signal in marine sediments and the 10Be flux at EDC.; Les glaces polaires, en plus d'améliorer notre compréhension du climat, donnent accès aux retombées de béryllium-10 (10Be), isotope d'origine cosmogénique formé par l'interaction du rayonnement cosmique et des hautes couches de l'atmosphère. Son taux de production dépend de l'intensité du rayonnement cosmique primaire, qui est modulé par l'activité solaire et le champ magnétique terrestre. Le 10Be contient donc des informations sur ces deux paramètres. Il a permis, entre autres, l'amélioration des chronologies des carottes de glace grâce à des marqueurs stratigraphiques absolus liés à des évènements remarquables du champ géomagnétique comme l'excursion de Laschamp ou l'inversion de Brunhes-Matuyama.EPICA Dome C (75° 06' S, 123° 21' E) est une carotte de glace de 3270 m de long forée en Antarctique Est. Elle offre un enregistrement climatique complet durant les 800 000 dernières années (kyr BP). Dans le cadre de cette thèse, 2200 échantillons de 10Be ont été mesurés entre 2384 m (269 kyr BP) et 2627 m (355 kyr BP) de profondeur. Cette séquence continue offre, d'une part, la possibilité d'étudier l'activité solaire durant la période interglaciaire du Stade Isotopique Marin (MIS) 9.3, où la résolution atteint ~20 ans. Nos résultats contrastent avec ceux durant l'Holocène, avec l'absence remarquée du cycle de de Vries (210 ans) dans notre profil de 10Be. D'autre part, cette séquence nous a permis de vérifier que l'estimation classique de l'accumulation de neige obtenue par les modèles de datation de carottes de glace est correcte à 20% près lors de la succession des cycles glaciaires – interglaciaires.Ces mesures ont été combinées avec celles précédemment effectuées sous la responsabilité de Grant Raisbeck (publication en préparation). Ceci permet de disposer d'un profil continu et détaillé (résolution de 20 à 250 ans) entre 200 et 800 kyr BP sur la carotte de glace EPICA Dome C. Les variations de flux de 10Be observées se comparent bien aux changements d'intensité du champ géomagnétique enregistrés dans les sédiments marins. À partir de cette observation, il est possible de proposer une synchronisation de ces profils afin de les placer sur une échelle d'âge commune. Les déphasages observés entre l'augmentation de température en Antarctique (augmentation du D à EDC) et la hausse du niveau marin global (baisse du 18O marin des archives sédimentaires) n'excèdent pas 3200 ans excepté à la Terminaison VII. La faible résolution des enregistrements de 18O dans les sédiments marins rend l'analyse des déphasages délicate. Les résultats obtenus encouragent à analyser des périodes plus récentes autour de la Terminaison II, incluant les excursions géomagnétiques de Blake et d'Iceland Basin. Ceci permettrait en effet de contraindre plus fortement la synchronisation entre le signal paléomagnétique dans les sédiments marins et le flux de 10Be à EDC.

Atmospheric aerosols play an important role on the radiative properties of the atmosphere. They are also key factors for air quality and public health in polluted areas. As a result of the strong decrease of SO2 emissions over the last three decades, organic aerosol now represents a more important part of atmospheric aerosol. The nature of this organic fraction is complex and until now less than a half of it has been chemically identified. Water Soluble HUmic LIke Substances (HULISWS) are an important contributor to water soluble organic aerosol with a mass fraction ranging from 20 to 50%. The aim of this work is to design a method to measure HULISWS in ice cores. The application of this method to an ice core extracted at the col du Dôme (4250 m, Mont-Blanc massif, France) enables to investigate changes in HULISWS over Europe since 1920. The study of their concentrations and specific absorbance in ice core samples reveals well-marked differences in the sources of HULISWS depending on the season. In winter, HULISWS are primarily emitted by wood burning, their specific absorbance is high and their concentrations are low and remained stable over the 20th century. In summer, HULISWS are producted from biogenic precursors by secondary processes, their specific absorbance is lower and their concentrations higher than in winter. Summer concentrations of HULISWS were stable between 1920 and 1950, and have increased from 1951 to 1970. This recent trend probably results from an increase of volatile organic compounds emissions by the biosphere., Les aérosols atmosphériques jouent un rôle important à la surface de la Terre. Ils influencent les propriétés radiatives de l'atmosphère et représentent des composés importants pour les questions de qualité de l'air et de santé publique dans les régions polluées. Suite à la forte diminution de la pollution soufrée survenue au cours des trois dernières décennies, l'aérosol organique représente maintenant une part importante de l'aérosol atmosphérique. Cette fraction a une nature complexe et jusqu'à présent, moins de la moitié de ses constituants chimiques ont été identifiés. La fraction soluble des HUmic LIke Substances (HULISWS) représente une des familles importantes de l'aérosol organique soluble avec une contribution en masse comprise entre 20 et 50%. L'objectif de cette thèse est de développer une méthode de mesure des HULISWS dans la glace. L'étude de ces archives environnementales, ici une carotte de glace extraite au col du Dôme (4250 m, massif du Mont-Blanc, France), permet de remonter aux concentrations en HULISWS en Europe au cours de la période 1920-1988. L'étude des concentrations et de l'absorbance spécifique des HULISWS dans la carotte de glace a permis d'identifier deux sources distinctes suivant la saison et de suivre leur évolution au cours du XXème siècle. Les HULISWS sont issus de la combustion du bois en hiver, leur absorbance est forte et leurs concentrations sont faibles et stables tout au long du XXème siècle. En été, les HULISWS sont formés par des processus secondaires ayant pour précurseurs des espèces biogéniques organiques, leur absorbance spécifique est plus faible qu'en hiver et leurs concentrations plus fortes. Les teneurs estivales en HULISWS montrent une stabilité entre 1920 et 1950 puis une tendance à l'augmentation entre 1951 et 1970 associée vraisemblablement à une augmentation des émissions de composés organiques volatils depuis la biosphère.

Although tropical and subtropical South America play an important role in atmospheric global and hemispheric chemistry due to the coexistence of big reservoirs with large-scale atmospheric patterns, exchanges between tropics and higher latitudes have remained poorly documented. During the last few decades, the study of past climate and atmospheric composition has benefited greatly by information provided by ice core analysis. In the Southern Hemisphere, a large amount of data is now available from polar ice cores and more recently from ice cores recovered in the Andes. Despite a few studies on climate reconstruction, there is a lack of information on past atmospheric composition in Southern mid-latitudes, in terms of both natural variability and anthropogenic impact. This work is based on the analysis of a 122 m ice core extracted from a high altitude site in the Northern Patagonian Icefield (Monte San Valentin 46◦ 35′ S, 73◦ 19′ W, summit at 4032 m.a.s.l., drilling plateau at 3723 m.a.s.l.). Besides high-resolution measurements of mineral and organic ions, a study of the precipitation events likely to influence the site was conducted in order to provide a basis for the interpretation of the ice archive. The selected site registers precipitation events of marine and continental origin. We have demonstrated that marine primary and biogenic contributions are not synchronous and they are very likely underrepresented along the ice archive due to the effect of accumulation processes. Contrary to sea salt, a significant part of marine biogenic aerosol is associated with a complex and diluted continental fingerprint. The continental imprint was studied in terms of background trends and major events involving combustion processes, urban pollution, volcanic and soil emissions. This set of mixed sources is responsible for almost half of the total sulfate input. This important and ubiquitous sulfate concentration is related to that of nitrate and chloride and its understanding in terms of sources and transport needs further research. A comparison of our records with documented volcanic eruptions and Patagonian settlement periods allowed us to propose a few dating horizons, although an accurate dating of the entire core has not been possible so far. Background trends of continental species do not show any trend that can be clearly associated with an anthropogenic influence, except for ammonium, which increases likely in response to fertilizer consumption after ca. 1960., Au cours des dernieères décennies, l′ étude des paléoenvironnements de l′ Hemisphere Sud s′ est développée avec les informations fournies par l′ analyse des carottes de glace polaires et plus récemment à partir des carottes de glace prélevées dans les Andes. Bien que les zones tropicales et subtropicales de l′ Amérique du Sud jouent un rôle ma jeur dans la chimie atmosphérique globale en raison de l′ existence de réservoirs importants, les échanges entre l′ équateur et les hautes latitudes sud restent encore peu documentés. Même si d′ autres archives apportent des informations sur le climat passé, il existe peu de données de la composition atmosphérique des moyennes latitudes de l′ Hémisphère Sud, aussi bien en termes de variabilité naturelle que d′ impact anthropique. Ce travail est basé sur l′ analyse d'une carotte de glace de 122 m extraite d′ un site d′ altitude en Patagonie (Monte San Valentin 46◦ 35′ S, 73◦ 19′ O, 3723 m). Outre l′ établissement de profils à haute résolution des ions minéraux et organiques obtenus par chromatographie ionique, nous avons réalisé une étude des précipitations susceptibles d′ influencer le site, fournissant ainsi une base pour l′ interprétation de l′ archive de glace. Ce site se caractérise par l′ enregistrement d′ événements à caractère marin et continental. Nous avons démontré que, sur ce glacier, les contributions marines primaires et secondaires ne sont pas synchrones et qu′ elles sont très probablement sousreprésentées dans le profil en raison de processus d'accumulation. Contrairement au sel de mer, une partie importante des aérosols biogéniques marins est associée à un apport influencé par des contributions continentales diluées. L′ apport continental est complexe : il est composé d′ événements ponctuels de combustion, de retombées volcaniques et d′ émissions par les sols. Il correspond à presque la moitié de la quantité totale de sulfate déposé. Cette contribution importante et omniprésente de sulfate est associée au nitrate et au chlorure, mais mieux cerner son origine nécessiterait des recherches plus poussées. La comparaison de notre archive glaciochimique avec des éruptions volcaniques datées et le début de la colonisation en Patagonie nous a permis de proposer quelques repères pour la datation de la carotte, qui reste à ce jour encore incertaine. Enfin, aucune tendance anthropique claire n′ a été décelée à partir de l′ évolution du bruit de fond des espèces continentales, excepté l′ ammonium, lui pouvant être mis en relation avec l′ utilisation croissante d′ engrais après les années 1960.

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).

Ce travail de thèse est centré sur l'analyse des compositions isotopiques de la glace (_18O et _D) de deux nouvelles carottes de glace longues provenant des régions subtropicale et tempérée des Andes. La première carotte, longue de 42 m, a été extraite en 2003 au col du glacier Coropuna au Pérou (72°39'W, 15°32'S, 6080 m) et la deuxième de 122 m au sommet du glacier San Valentin au Chili (46°35'S, 73°19'W, 3750m) en 2007. L'étude a porté sur la représentativité du signal isotopique comme archive du climat sur le dernier siècle, correspondant à la totalité de la carotte du Coropuna et les 70 premiers mètres au San Valentin, dans deux régions climatiques différentes. Nous avons observé que les enregistrements des signaux isotopiques sont affectés par des processus de post-dépôt. Au col du Coropuna, le signal est lissé par homogénéisation en dessous de 3 m de profondeur à cause de la percolation d'eau de fonte et de la diffusion isotopique via un flux de vapeur, et aucune interprétation climatique n'est possible à partir du signal isotopique. Au sommet du San Valentin, les vents forts, présents toute l'année, érodent et/ou redistribuent la majorité des précipitations annuelles en créant certainement des hiatus sur une voire plusieurs années ou, au contraire, des dépôts exceptionnels de plusieurs mètres. Ces conditions rendent l'identification des cycles isotopiques annuels difficile et aucune relation entre les isotopes et les paramètres climatiques n'a pu être établie en raison d'une datation très incertaine. (Résumé d'auteur)

The comparison of two shallow ice cores recovered in 1999 and 2000 from the same place on Chimborazo summit glacier revealed the influence of the coincident Tungurahua volcanic eruption on their stable isotope and chemical records. The surface snow melting and water percolation induced from the ash deposition caused a preferential elution and re-localization of certain ionic species, while the stable isotope records were not very affected. Additionally, the comparison of the ionic amount and some selected ratios preserved along the ice core column reports under which processes the chemical species are introduced in the snow pack, as snow flake condensation nuclei, by atmospheric scavenging or by dry deposition. This preliminary study is essential for the interpretation of the deep Chimborazo ice core, or for other sites where surrounding volcanic activity may disturb the glaciochemical records.

Mme Dorthe Dahl-Jensen, examinatrice, M. Jean Jouzel, directeur de these, M. Hervé Letreut, examinateur, Mme Valérie Masson-Delmotte, Co-directrice de thèse M. Dominique Raynaud, rapporteur M. Alain Saliot, president du jury M. Jakob Schwander, rapporteur; The water isotopes records from Greenland ice cores depict a succession of rapid warmings (Dansgaard-Oeschger) during the last glacial period. The records corresponding to the last interglacial and the glacial inception suggest as well a highly variable climate. We use here a recently developed method to perform isotopic measurements of the air trapped in the ice (N2, O2 and Ar) combined to firn modelling to (i) separate the true climatic variability from ice stratigraphic disturbance, (ii) quantify the temperature changes in Greenland during Dansgaard-Oeschger events and the glacial inception, and (iii) give a phasing between Greenland temperature evolution and other climatic parameters (Greenhouse gases concentration, ice sheet volume, vegetation, other latitude temperature). We first define the limits and precautions associated to the method. On the one hand, the isotopic composition of trapped oxygen can only be performed on ice conserved below -25°C to have a high precision. On the other hand, firn studies have enabled us to improve its description and modelling. However, even if we better understand the firn dynamic, uncertainties remain on the surface parameters (temperature, accumulation rate). The climatic interpretation of nitrogen and argon isotopes in Antarctica ice cores must consequently remains cautious as we show it on a deglaciation. We then essentially concentrate on Greenland (GRIP and NorthGRIP ice cores). The combination of air isotopes (nitrogen, argon, oxygen), water isotopes (oxygen, hydrogen) and a powerful firn model enables us to reconstruct the surface temperature evolution and to get rid of any bias due to the hydrological cycle in North Atlantic (the water isotopes can not be used as a quantitative paleothermometer). The amplitude of rapid warmings during the last glacial period is up to 16°C in ~100 years. The Greenland temperature over the Dansgaard-Oeschger events is less stable than initially suggested by the water isotopes hence highlighting the strong amplification of the thermohaline circulation variations by the atmosphere processes. Because of ice mixing, the GRIP ice core fails in giving a continuous record of the last interglacial period. The combination of oxygen isotopes and methane in the air trapped in the ice permits us to reconstruct a discontinuous sequence for the last interglacial in central Greenland. The temperature was 5°C warmer than today but ice was still there. The new NorthGRIP ice core contains ice from the last interglacial too. We show that NorthGRIP depicts the first Greenland continuous record for the glacial inception (the deepest part of the ice core can be dated to the middle of the last interglacial with ice volume minimum). The rapid climatic variability is first restricted to North Atlantic during a first Dansgaard-Oeschger event (DO event 25). When the ice volume is up to a certain threshold (~one third of the last glacial maximum/today difference), the second event depicts the classical signature of the Dansgaard-Oeschger events over the glacial period.; Les mesures isotopiques de la glace montrent une succession de réchauffements rapides (Dansgaard-Oeschger) pendant la dernière période glaciaire au Groenland. Ils suggèrent aussi une grande variabilité climatique du dernier interglaciaire et de l'entrée en glaciation. Notre travail s'est appuyé sur les développements récents des mesures isotopiques de l'air piégé dans la glace (N2, O2 et Ar) et de la modélisation du névé pour (i) distinguer la variabilité climatique rapide réelle des artéfacts d'écoulement de la glace, (ii) quantifier l'évolution de température au-dessus du Groenland pendant les événements rapides de la dernière période glaciaire et de l'entrée en glaciation, et (iii) étudier les relations de phase entre la dynamique de la température au Groenland et d'autres acteurs du système climatique (teneur en gaz à effet de serre, volume des calottes de glace, végétation, température aux autres latitudes). Nous nous sommes d'abord attachés à définir les limites et précautions associées à la méthode. D'une part, l'analyse isotopique de l'oxygène piégé ne peut être effectuée que sur de la glace de bonne qualité, conservée à -25°C. D'autre part, un ensemble d'études de névé ont permis d'affiner sa représentation et sa modélisation. Malgré la compréhension accrue de la physique du névé, nous montrons, à partir d'une étude de la déglaciation, que des incertitudes sur les caractéristiques de surface (taux d'accumulation, température) limitent l'interprétation climatique actuelle des isotopes de l'azote et de l'argon en Antarctique. La majeure partie de cette thèse est axée sur le Groenland (carottes de GRIP et NorthGRIP). En exploitant conjointement les isotopes de l'air (de l'azote, de l'argon et de l'oxygène), les isotopes de l'eau (de l'oxygène et de l'hydrogène) et un modèle performant de névé, nous pouvons reconstruire le scénario de température en surface du Groenland en éliminant les biais, liés au cycle hydrologique en Atlantique Nord, qui affectent l'interprétation conventionnelle des isotopes de l'eau comme paléothermomètre. Les réchauffements rapides en période glaciaire atteignent jusqu'à 16°C en une centaine d'années. La température au Groenland pendant les événements de Dansgaard-Oeschger se révèle moins stable qu'initialement interprétée d'après les isotopes de l'eau suggérant un lien fort avec l'intensité de la circulation thermohaline via l'atmosphère. A cause d'un mélange de glace, la carotte de GRIP ne permet pas de donner un enregistrement de la dernière période interglaciaire. Néanmoins, l'utilisation conjointe des isotopes de l'oxygène atmosphérique et du méthane piégés dans la glace permet de proposer une séquence discontinue pour le dernier interglaciaire au centre du Groenland. La température y était de 5°C plus importante qu'aujourd'hui mais la glace couvrait encore le centre du Groenland. Le nouveau carottage de NorthGRIP a permis d'obtenir à nouveau de la glace du dernier interglaciaire. Nous montrons que NorthGRIP donne le premier enregistrement continu de l'entrée en glaciation au Groenland et que la glace la plus profonde correspond au milieu du dernier interglaciaire (minimum de volume des glaces). La variabilité climatique rapide est d'abord restreinte à l'Atlantique Nord pendant un premier événement de Dansgaard-Oeschger (DO 25). Dès que le volume des glaces atteint un certain seuil (~ tiers de la différence entre le dernier maximum glaciaire et l'actuel), le deuxième événement de Dansgaard-Oeschger porte la signature typique des événements ponctuant l'ensemble de la période glaciaire.

Mme Dorthe Dahl-Jensen, examinatrice, M. Jean Jouzel, directeur de these, M. Hervé Letreut, examinateur, Mme Valérie Masson-Delmotte, Co-directrice de thèse M. Dominique Raynaud, rapporteur M. Alain Saliot, president du jury M. Jakob Schwander, rapporteur; The water isotopes records from Greenland ice cores depict a succession of rapid warmings (Dansgaard-Oeschger) during the last glacial period. The records corresponding to the last interglacial and the glacial inception suggest as well a highly variable climate. We use here a recently developed method to perform isotopic measurements of the air trapped in the ice (N2, O2 and Ar) combined to firn modelling to (i) separate the true climatic variability from ice stratigraphic disturbance, (ii) quantify the temperature changes in Greenland during Dansgaard-Oeschger events and the glacial inception, and (iii) give a phasing between Greenland temperature evolution and other climatic parameters (Greenhouse gases concentration, ice sheet volume, vegetation, other latitude temperature). We first define the limits and precautions associated to the method. On the one hand, the isotopic composition of trapped oxygen can only be performed on ice conserved below -25°C to have a high precision. On the other hand, firn studies have enabled us to improve its description and modelling. However, even if we better understand the firn dynamic, uncertainties remain on the surface parameters (temperature, accumulation rate). The climatic interpretation of nitrogen and argon isotopes in Antarctica ice cores must consequently remains cautious as we show it on a deglaciation. We then essentially concentrate on Greenland (GRIP and NorthGRIP ice cores). The combination of air isotopes (nitrogen, argon, oxygen), water isotopes (oxygen, hydrogen) and a powerful firn model enables us to reconstruct the surface temperature evolution and to get rid of any bias due to the hydrological cycle in North Atlantic (the water isotopes can not be used as a quantitative paleothermometer). The amplitude of rapid warmings during the last glacial period is up to 16°C in ~100 years. The Greenland temperature over the Dansgaard-Oeschger events is less stable than initially suggested by the water isotopes hence highlighting the strong amplification of the thermohaline circulation variations by the atmosphere processes. Because of ice mixing, the GRIP ice core fails in giving a continuous record of the last interglacial period. The combination of oxygen isotopes and methane in the air trapped in the ice permits us to reconstruct a discontinuous sequence for the last interglacial in central Greenland. The temperature was 5°C warmer than today but ice was still there. The new NorthGRIP ice core contains ice from the last interglacial too. We show that NorthGRIP depicts the first Greenland continuous record for the glacial inception (the deepest part of the ice core can be dated to the middle of the last interglacial with ice volume minimum). The rapid climatic variability is first restricted to North Atlantic during a first Dansgaard-Oeschger event (DO event 25). When the ice volume is up to a certain threshold (~one third of the last glacial maximum/today difference), the second event depicts the classical signature of the Dansgaard-Oeschger events over the glacial period.; Les mesures isotopiques de la glace montrent une succession de réchauffements rapides (Dansgaard-Oeschger) pendant la dernière période glaciaire au Groenland. Ils suggèrent aussi une grande variabilité climatique du dernier interglaciaire et de l'entrée en glaciation. Notre travail s'est appuyé sur les développements récents des mesures isotopiques de l'air piégé dans la glace (N2, O2 et Ar) et de la modélisation du névé pour (i) distinguer la variabilité climatique rapide réelle des artéfacts d'écoulement de la glace, (ii) quantifier l'évolution de température au-dessus du Groenland pendant les événements rapides de la dernière période glaciaire et de l'entrée en glaciation, et (iii) étudier les relations de phase entre la dynamique de la température au Groenland et d'autres acteurs du système climatique (teneur en gaz à effet de serre, volume des calottes de glace, végétation, température aux autres latitudes). Nous nous sommes d'abord attachés à définir les limites et précautions associées à la méthode. D'une part, l'analyse isotopique de l'oxygène piégé ne peut être effectuée que sur de la glace de bonne qualité, conservée à -25°C. D'autre part, un ensemble d'études de névé ont permis d'affiner sa représentation et sa modélisation. Malgré la compréhension accrue de la physique du névé, nous montrons, à partir d'une étude de la déglaciation, que des incertitudes sur les caractéristiques de surface (taux d'accumulation, température) limitent l'interprétation climatique actuelle des isotopes de l'azote et de l'argon en Antarctique. La majeure partie de cette thèse est axée sur le Groenland (carottes de GRIP et NorthGRIP). En exploitant conjointement les isotopes de l'air (de l'azote, de l'argon et de l'oxygène), les isotopes de l'eau (de l'oxygène et de l'hydrogène) et un modèle performant de névé, nous pouvons reconstruire le scénario de température en surface du Groenland en éliminant les biais, liés au cycle hydrologique en Atlantique Nord, qui affectent l'interprétation conventionnelle des isotopes de l'eau comme paléothermomètre. Les réchauffements rapides en période glaciaire atteignent jusqu'à 16°C en une centaine d'années. La température au Groenland pendant les événements de Dansgaard-Oeschger se révèle moins stable qu'initialement interprétée d'après les isotopes de l'eau suggérant un lien fort avec l'intensité de la circulation thermohaline via l'atmosphère. A cause d'un mélange de glace, la carotte de GRIP ne permet pas de donner un enregistrement de la dernière période interglaciaire. Néanmoins, l'utilisation conjointe des isotopes de l'oxygène atmosphérique et du méthane piégés dans la glace permet de proposer une séquence discontinue pour le dernier interglaciaire au centre du Groenland. La température y était de 5°C plus importante qu'aujourd'hui mais la glace couvrait encore le centre du Groenland. Le nouveau carottage de NorthGRIP a permis d'obtenir à nouveau de la glace du dernier interglaciaire. Nous montrons que NorthGRIP donne le premier enregistrement continu de l'entrée en glaciation au Groenland et que la glace la plus profonde correspond au milieu du dernier interglaciaire (minimum de volume des glaces). La variabilité climatique rapide est d'abord restreinte à l'Atlantique Nord pendant un premier événement de Dansgaard-Oeschger (DO 25). Dès que le volume des glaces atteint un certain seuil (~ tiers de la différence entre le dernier maximum glaciaire et l'actuel), le deuxième événement de Dansgaard-Oeschger porte la signature typique des événements ponctuant l'ensemble de la période glaciaire.

Dans les carottes de glace de l'Illimani, extraites en 1999 dans les Andes boliviennes grâce à l'unité GREAT ICE de l'IRD et analysées les années suivantes au LGGE, le signal chimique a montré une forte saisonnalité, avec des pics de concentration plus importants en saison sèche qu'en saison humide. Une série d'expériences de terrain a été organisée pour tenter de comprendre les mécanismes de formation de ces pics et donc notamment pour étudier les processus de dépôt des impuretés atmosphériques dans ces régions. Une approche pluridisciplinaire s'appuyant sur trois types de donnés acquises au cours des années 2000 à 2003 a été adopté. Il s'agit de données météorologiques et de résultats d'analyses de la composition chimique de la neige déposée sur le glacier ainsi que de celle d'aérosols collectés en un site d'altitude voisin. Les analyses chimiques on été réalisées par chromatographie ionique et de ce fait concernent uniquement la fraction soluble. L'étude des phénomènes d'archivage glaciaire montre que, le dépôt se fait par des précipitations de neige abondantes et peu concentrées en saison humide alors qu'en saison sèche il s'agit d'un mélange de dépôt sec d'origine terrigène et de précipitations peu fréquentes mais fortement concentrées. Contrairement à d'autres sites andins, la sublimation se produisant en saison sèche n'est pas le mécanisme principal de formation des pics. La sublimation concentre bien certains ions en surface mais son effet n'est sensible que si les couches sous-jacentes sont elles-mêmes déjà relativement concentrées. Les quantités ioniques déposées sont conservées, sauf pour certaines espèces, en particulier l'acétate, pour lesquels on a pu observer des pertes significatives. On se pose la question du rôle de l'érosion du signal par le vent et de son importance. Au niveau des aérosols, il existe une saisonnalité dans la contribution des apports amazoniens avec un signal des feux de biomasse marqué chez les espèces organiques en fin de saison sèche. (résumé d'auteur)

Biomass burning plays a pivotaI role on atmospheric chemistry by serving as a source of many important trace gases such as reactive compounds (CO, hydrocarbons, organic acids, NH3, NOx) , greenhouse gases (CO2, CH4, N2O), and of course combustion aerosols. This study is principally based on two types of measurements: (1) -Boreal in-plume composition above Canada (ABLE-3B carnpaign: The Arctic Boundary Layer Expedition)-; (2) -Analyses performed along ice cores coming from Greenland which provide a unique record of precipitation chemistry reflecting the atmospheric composition at the time of deposition. They indicate simultaneous enhancement of formic and acetic acids and the formation of ammonium formate . Such sporadic features were attributed to biomass burning events-. A comparison between (1) and (2) indicates a characteristic chemical evolution during the plume ageing. The main goal of this study is to explain the signature of boreal biomass burning in ice cores, and to discern chemical phenomena that govern the plumes ageing. We used a meteorological model, and developed a box model of gas phase and aqueous phase chemistry: we introduce a pH calculation of the clouds droplets, a new solver, and we update, modify, and complete the chemical mechanism. Our results show that air masses are transported from North America to Greenland on a typical time scale of 5 days, with any cloud event, and a chemical equilibrium is reached rapidly. Above Greenland, chemical species are incorporated in the aqueous phase. Aqueous chemistry has a negligible impact on our results, and the gas-water-ice phase transfer phenomena are mostly responsible for the difference in chemical signature between fire plumes and the ice core records. We explain how our model results were extrapolated to concentrations in ice. We determine important physico-chemical parameters related to the incorporation of chemical species in the ice., Les feux de biomasse ont un impact important sur l'atmosphère car ils émettent de grandes quantités de composés réactifs (CO, hydrocarbures, acides organiques, NH3, NOx), de gaz à effet de serre (C02, CH4, N20), et d'aérosols. Cette étude est principalement basée sur 2 types de mesures: (1) la composition chimique de panaches de feu du Canada et de l'Alaska (campagne ABLE-3B : The Arctic Boundary Layer Expedition) ; (2) l'analyse chimique des carottes de glaces du Groenland qui fournit un enregistrement unique des précipitations reflétant la composition atmosphérique au moment de la déposition. Ces mesures indiquent des augmentations simultanées d'acide formique et d'acide acétique, ainsi que la présence du formiate d'ammonium. Ces pics sporadiques ont été attribués à des événements de feu de biomasse. La comparaison de (1) et (2) suggère une évolution chimique caractéristique au cours des 5 jours de transport des panaches de feu entre l'Amérique du Nord et le Groenland. Le but de cette étude est d'expliquer la signature des feux de biomasse boréaux enregistrée dans la glace, et de discerner quels sont les processus chimiques qui gouvernent le vieillissement des panaches de feu. Nous avons utilisé un modèle météorologique, et développé un modèle de chimie atmosphérique traitant une chimie gazeuse et aqueuse : élaboration d'un calcul de pH des gouttelettes d'eau nuageuse, induction d'une nouvelle méthode mathématique, puis, mise à jour, modification, et élargissement du schéma réactionnel. Les résultats montrent que les panaches de feux observés au-dessus du Canada ont atteint un équilibre chimique après leur formation en quelques heures ou quelques jours. La chimie aqueuse a une influence négligeable sur les résultats et se sont les transferts de phase gaz-eau-glace qui permettent d'expliquer les mesures de la glace. Nous expliquons comment nous avons extrapolé nos résultats de modélisation à ceux dans la glace, et comment nous avons déterminé des paramètres physico-chimiques importants concernant l'incorporation des composés chimiques dans la glace.