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The Antarctic Ice Sheet (AIS) is the largest ice sheet on Earth that has known important mass changes during the last 20 kyrs. These changes deform the Earth and modify its gravity field, a process known as Glacial Isostatic Adjustment (GIA). GIA is directly influenced by the mechanical properties and internal structure of the Earth, and is monitored using Global Navigation Satellite System positioning or gravity measurements. However, GIA in Antarctica remains poorly constrained due to the cumulative effect of past and present ice-mass changes, the unknown history of the past ice-mass change, and the uncertainties of the mechanical properties of the Earth. The viscous deformation due to GIA is usually modeled using a Maxwell rheology. However, other geophysical processes employ Andrade (tidal deformation) or Burgers (post-seismic deformation) laws that could result in a more rapid response of the Earth. We investigate the effect of using these different rheology laws to model GIA-induced deformation in Antarctica. Employing the ALMA and TABOO softwares, we use the Love number and Green functions formalism to compute the surface motion and the gravity changes induced by the past and present ice-mass redistributions. We use the elastic properties and the radial structure of the preliminary reference Earth model (PREM) and the viscosity profile given by Hanyk (1999). The deformation is computed for the three rheological laws mentioned above using ICE-6G and elevation changes from ENVISAT (2002-2010) to represent the past and present changesof the AIS, respectively. We obtain that the three rheological laws lead to significant Earth response within a 20 kyrs time interval since the beginning of the ice-mass change. The differences are the largest between Maxwell and Burgers rheologies during the 500 years following the beginning of the surface-mass change. Regarding the response to present changes in Antarctica, the largest discrepancies are obtained in regions with the greatest current melting rates, namely Thwaites and Pine Island Glacier in West Antarctica. Uplift rates computed twelve years after the end ofthe present melting using Burgers and Andrade rheologies are five and two times larger than those obtained using Maxwell, respectively.

The European Alps are among the regions most affected by climate change. Saharan dust constitutes one of the key aerosol types that significantly impact the meteorological hazards, climate, and ecosystemswith both environmental and economic consequences.The French Alps receive a regular flux of Saharan dust every year, and dust events are shown to be one of the most frequent types of episodes with high aerosol concentrations. The episodic nature of Saharan dust events and the spatial variability of deposited dust to snow-covered slopes can cause inter-annual fluctuations and heterogeneity of snowmelt due to dust-induced snow darkening. Moreover, the change of snow albedo can shift the onset of the snowmelt earlier in the spring as well as cause shortening of snow season. This thesis aims at a better understanding of extreme dust events, focusing on deposition processes, over the French Alps during the snow season. In order to assess this aim 3 main questions are addressed:What are the synoptic circulation patterns that determine when dust is transported from the Sahara to the Alps during the alpine snow season?How much do these different weather regimes control where and when dust is deposited to alpine snow?Does high resolution modeling, including aerosol-cloud interactions, improve the representation of dust deposition to snow?First, the identification of extreme dust events over the Alps using 17 years (2003-2020) of CAMS reanalysis data was accomplished. Then the characterisation of the synoptic circulations controlling the temporal and spatial distribution of the identified dust extreme events was conducted using ERA-5 reanalysis data. The derived atmospheric patterns were used for the analysis of their connection with wet and dry deposition fluxes. The occurrence as well as the wet and dry deposition fluxes show an interannual variability for all the different weather regimes. Moreover, our results show that different parts of the French Alps are impacted the most by dust deposition during the extreme outbreaks. The impacted regions on the French Alps depend on the corresponding weather regime, the associated airflow direction, and the topographic features along the airflow pathway over the French Alps. This study gives a basis for a climatological analysis of the spatial and temporal characteristics of extreme dust episodes over the French Alps.Second, the fully online meteorological-chemical-aerosol model WRF-Chem is used to simulate an extreme dust event at the Lautaret pass in the French Alps in late March/early April 2018. The WRF-Chem model is used with three nested domains including the primary dust emissions region in Africa (27~km), a second domain (9~km) that includes Europe, and a third high resolution domain (3~km) over the Alps. The goal of using this setup is to describe the processes at different scales, including long range transport of dust, as well as high resolution meteorology over the complex alpine terrain within the Alps, as they impact aerosol deposition.The model simulations are compared with {em{in situ}} observations at Col du Lautaret, satellite remote sensing (GPM, MODIS/Aqua, CALIPSO/CALIOP VFM mask) and reanalysis data (CAMS, ERA-5). We conclude that predicted mountain meteorology (e.g. precipitation) is better with increased model resolution. This improved meteorology has significant impacts on predicted dry and wet dust deposition to the alpine snowpack. We also show that during this event dry deposition is a key removal process at the western part of the French Alps at low altitudes, while wet deposition dominates over the complex higher altitude mountain terrain. This study provides a basis for understanding the processes and uncertainties on modeling dust deposition events over mountains at different resolutions., Les Alpes européennes font partie des régions les plus touchées par le changement climatique.Les Alpes françaises reçoivent chaque année un flux régulier de poussières sahariennes, et les événements de poussières s'avèrent être l'un des types d'épisodes les plus fréquents générant des concentrations d'aérosols élevées. La nature épisodique des événements de poussière saharienne et la variabilité spatiale de la poussière déposée sur les pentes enneigées peuvent provoquer des fluctuations interannuelles et une hétérogénéité de la fonte des neiges en raison de l'obscurcissement de la neige induit par la poussière. Cette thèse vise à mieux comprendre les événements extrêmes de poussière, en se concentrant sur les processus de dépôt sur la neige sur les Alpes. Afin d'évaluer cet objectif, 3 questions principales sont abordées :Quels sont les schémas de circulation synoptique qui déterminent quand la poussière est transportée du Sahara vers les Alpes pendant la saison de neige alpine ?Dans quelle mesure ces différents régimes météorologiques contrôlent-ils où et quand la poussière se dépose sur la neige alpine ?La modélisation à haute résolution, incluant les interactions aérosol-nuage, améliore-t-elle la représentation du dépôt de poussière sur la neige ?Dans un premier temps, l'identification des événements extrêmes de poussière sur les Alpes a été réalisée en utilisant 17 années (2003-2020) de données de réanalyse CAMS. Ensuite, la caractérisation des circulations synoptiques contrôlant la distribution temporelle et spatiale des événements extrêmes de poussière identifiés a été effectuée à l'aide des données de réanalyse ERA-5. Les modèles atmosphériques dérivés ont été utilisés pour l'analyse de leur lien avec les flux de dépôts humides et secs. L'occurrence ainsi que les flux de dépôts humides et secs montrent une variabilité interannuelle pour tous les différents régimes météorologiques. De plus, nos résultats montrent que différentes parties des Alpes françaises sont touchées par les dépôts de poussière lors des épisodes extrêmes. Cette étude donne une base pour une analyse climatologique des caractéristiques spatiales et temporelles des épisodes extrêmes de poussière sur les Alpes françaises.Deuxièmement, le modèle météorologique-chimique-aérosol entièrement en ligne WRF-Chem a été utilisé pour simuler un événement de poussière extrême au col du Lautaret dans les Alpes françaises fin mars/début avril 2018. Le modèle WRF-Chem a été utilisé avec trois domaines imbriqués comprenant la région primaire d'émission de poussière en Afrique (27~km), un deuxième domaine (9~km) qui inclut l'Europe, et un troisième domaine à haute résolution (3~km) sur les Alpes. L'objectif de cette configuration est de décrire les processus à différentes échelles, y compris le transport à longue distance de la poussière, ainsi que la météorologie à haute résolution sur le terrain alpin complexe des Alpes, car ils ont un impact sur le dépôt d'aérosols.Les simulations du modèle sont comparées aux observations {em{in situ}} au Col du Lautaret, à la télédétection par satellite (GPM, MODIS/Aqua, CALIPSO/CALIOP VFM mask) et aux données de réanalyse (CAMS, ERA-5). Nous concluons la prédiction de la météorologie de montagne (par exemple, les précipitations) est meilleure avec une résolution accrue du modèle. Cette amélioration de la météorologie a un impact significatif sur la prévision des dépôts de poussières sèches et humides sur le manteau neigeux alpin. Nous montrons également que pendant cet événement, le dépôt sec est un processus d'élimination clé dans la partie ouest des Alpes françaises à basse altitude, tandis que le dépôt humide domine sur le terrain montagneux complexe de plus haute altitude. Cette étude fournit une base pour comprendre les processus et les incertitudes de la modélisation des événements de dépôt de poussière sur les montagnes à différentes résolutions.

Ce manuscrit d’Habilitation à Diriger des Recherches présente une mise en perspective épistémologique et méthodologique de l’utilisation des nucléides cosmogéniques en Sciences de la Terre, le bilan de mon activité scientifique depuis 2002, ainsi que mes projets scientifiques futurs. Il est découpé en 4 chapitres :Chapitre 1 - Introduction : parcours scientifique et CV Chapitre 2 - Les nucléides cosmogéniques : éléments épistémologiques et techniquesCette partie présente 120 ans des progrès scientifiques sur la description des particules cosmiques, les nucléides cosmogéniques et la manière de les utiliser en sciences de la Terre. J’y présente aussi les méthodes actuelles les plus établies pour utiliser les nucléides cosmogéniques en géomorphologie. Chapitre 3 - Résumé de mes travaux de recherche.Mon activité de recherche, polyvalente et pluridisciplinaire, a consisté à développer et utiliser les nucléides cosmogéniques pour résoudre des questions scientifiques en paléoclimatologie et géomorphologie et ainsi améliorer notre connaissance des interactions entre les enveloppes superficielles fluides (atmosphère, cryosphère, hydrosphère) et la Terre solide. Les résultats les plus importants de mon activité de recherche se résument ainsi : •Amélioration significative de la précision des géochronomètres cosmogéniques par le développement des techniques d’analyses de l’3He et du 10Be, la calibration des taux de production en haute altitude, et la mise au point d’un nouveau paléoaltimètre basé sur les nucléides cosmogéniques. •Mise au point des calculateurs en ligne CREp - pour le calcul des âges d’exposition : http://crep.crpg.cnrs-nancy.fr/ - et BASINGA pour le calcul des taux d’érosion. •En couplant une méthode originale associant datation par les nucléides cosmogéniques et modélisation numérique, nous avons caractérisé le retrait des glaciers tropicaux depuis le dernier maximum glaciaire, il y a 20 000 ans. Nos résultats mettent évidence l’amplification altitudinale du refroidissement au Dernier Maximum Glaciaire dans certaines régions (Hawaii), mais aussi permettent de comprendre le rôle des précipitations sur les fluctuations glaciaires, qui se superposent aux variations de températures (Andes Tropicales). •En développant l’analyse des nucléides cosmogéniques dans les séries sédimentaires (Tianshan, Himalaya, Méditerranée), nous avons montré que les fluctuations climatiques n’ont eu qu’un impact limité sur l’érosion, que ce soit au cours du refroidissement Pléistocène, mais aussi lors des fluctuations des cycles glaciaires-interglaciaires du Quaternaire.Chapitre 4 - Projets de recherches pour la période 2021-2025

Quantifying the mass balance of the Antarctic Ice Sheet (AIS), and the resulting sea level rise, requires an understanding of inter-annual variability and associated causal mechanisms. This has become more complex and challenging in the backdrop of global climate change. Very few studies have been exploring the influence of climate anomalies on the AIS and only a vague estimate of its impact is available. Usually changes to the ice sheet are quantified using observations from space-borne altimetry and gravimetry missions. In this study, we use data from Envisat (2002 to 2010) and Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) (2002 to 2016) missions to estimate monthly elevation changes and mass changes, respectively. Similar estimates of the changes are made using weather variables (surface mass balance (SMB) and temperature) from a regional climate model (RACMO2.3p2) as inputs to a firn compaction (FC) model. Using the firn compaction model we were able to model the transformation of snow into glacial ice and hence estimate changes in the elevation of the ice sheet using climate parameters.Elevation changes estimated from different techniques are in good agreement with each other across the AIS especially in West Antarctica, Antarctic Peninsula, and along the coasts of East Antarctica. Inter-annual height change patterns are then extracted using for the first time an empirical mode decomposition followed by a reconstruction of modes. These signal on applying least square method revealed a sub-4-year periodic signal in the all the three distinct height change patterns. This was indicative of the influence of the El Niño Southern Oscillation (ENSO), a climate anomaly that alters, among other parameters, moisture transport, sea surface temperature, precipitation, in and around the AIS at similar frequency by alternating between warm and cold conditions. But there existed altering periodic behavior among inter annual height change patterns in the Antarctic Pacific (AP) sector which was found possibly by the influence of multiple climate drivers, like the Amundsen Sea Low (ASL) and the Southern Annular Mode (SAM). A combined analysis of the three distinct estimates using a PCA (principal component analysis) along the coast revealed similar findings. Height change anomaly also appears to traverse eastwards from Coats Land to Pine Island Glacier (PIG) regions passing through Dronning Maud Land (DML) and Wilkes Land (WL) in 6 to 8 years. This is indicative of climate anomaly traversal due to the Antarctic Circumpolar Wave (ACW) which propagates anomalies through the Southern Ocean in 8 to 10 years. Altogether, inter-annual variability in the SMB of the AIS is found to be modulated by multiple competing climate anomalies., Quantifier le bilan de masse de l’Antarctique et son impact en termes de niveau de la mer, demande une bonne compréhension de la variabilité interannuelle ainsi que de ces causes. Ceci est devenu plus crucial dans le cadre du réchauffement climatique. Très peu d’études ont été faites sur l’influence des anomalies climatiques sur le comportement de l’Antarctique et sur l’évaluation de leurs impacts. Les variations de volume ou de masse de l’Antarctique sont en majorité basées sur l’altimétrie ou la gravimétrie spatiales. Dans cette thèse, nous utilisons les données des missions d’Envisat (2002 to 2010) et de Grace (2002 to 2016) afin de restituer respectivement les variations de volume et de masse de la calotte. Nous utilisons aussi les données issues du modèle de climat RACMO2.3p2 afin de forcer notre modèle de compaction. Ce modèle nous permet à la fois d’évaluer la transformation de neige en glace et de corriger les variations d’élévation mesurées par altimétrie.Les variations de hauteur estimées par ces différentes techniques sont en bon accord les unes avec les autres, particulièrement en Antarctique de l’Ouest, sur la Péninsule et le long de la côte de l’Antarctique de l’Est. Les variations interannuelles sont extraites en utilisant un modèle de décomposition modale empirique (emd). Une étude par moindre carré met en évidence un signal de périodicité proche de 4 ans sur les données issues de l’altimétrie, de la gravimétrie et du modèle Racmo. Ceci semble indiquer une influence de phénomène El Niño, lequel influe sur différents paramètres comme le transport de l’humidité, la température de surface de l’océan, les précipitations autour de l’Antarctique en alternant des périodes froides et des périodes chaudes. Mais d’autres oscillations semi-périodiques peuvent aussi avoir un impact sur la variabilité Antarctique. Citons l’Amundsen Sea Low (ASL) ou le Southern Annular mode (SAM).Une analyse en composante principale combinant nos trois estimations de hauteur met en évidence des structures similaires. Les anomalies de hauteur semblent circuler dans le sens des aiguilles d’une montre de Coasts Land (CL) vers Pine Island (PIG) en passant par Dronning Maud Land (DML) et Wilkes Land (WL) à une fréquence comprise entre 6 et 8 ans. Ceci suggère une anomalie climatique due à l’onde circumpolaire (ACW) qui se propage à travers l’océan austral en 8 à 10 ans. En résumé, la variabilité interannuelle du bilan de masse Antarctique est modulée par différentes anomalies climatiques.

The way in which water flows in the subglacial environment exerts a major control on ice-bed mechanical coupling, which strongly defines glacier sliding speeds. Today our understanding on the physics of the subglacial hydrology network is limited because of the scarcity of field measurements that yield a partial representation of the heterogeneous subglacial environment. The aim of my PhD work is to use passive seismology to help overcome common observational difficulties and quantify the evolution of the subglacial hydrology network pressure conditions and its configuration. Recent works show that subglacial turbulent water flow generates seismic noise that can be related to the associated hydrodynamics properties. These analyses were conducted over a limited period of time making it unclear whether such approach is appropriate to investigate seasonal and diurnal timescales, I.e. when subglacial water flow influences the most glacier dynamics. In addition, previous studies did not consider spatial changes in the heterogeneous drainage system, and until now, almost no study has located seismic noise sources spatially scattered and temporally varying. In this PhD work I address those seismological-challenges in order to resolve the subglacial hydrology dynamics in time and space.We acquired a 2-year long continuous dataset of subglacial-water-flow-induced seismic power as well as in-situ measured glacier basal sliding speed and subglacial water discharge from the Glacier d'Argentière (French Alps). I show that a careful investigation of the seismic power within [3-7] Hz can characterize the subglacial water flow hydrodynamics from seasonal to hourly timescales and across a wide range of water discharge (from 0.25 to 10 m3/sec). Combining such observations with adequate physical frameworks, I then inverted the associated hydraulic pressure gradient and hydraulic radii. I observed that the seasonal dynamics of subglacial channels is characterized by two distinct regimes. At low discharge, channels behave at equilibrium and accommodate variations in discharge mainly through changes in hydraulic radius. At a high discharge rate and with pronounced diurnal water-supply variability, channels behave out of equilibrium and undergo strong changes in the hydraulic pressure gradient, which may help sustain high water pressure in cavities and favor high glacier sliding speed over the summer.We then conducted a one-month long dense seismic-array experiment supplemented by glacier ice-thickness and surface velocity measurements. Using this unique dataset, I developed a novel methodology to overcome the challenge of locating seismic noise sources spatially scattered and temporally varying. Doing so, I successfully retrieve the first two-dimensional map of the subglacial drainage system as well as its day-to-day evolution. Using this map, I characterize when and where the subglacial drainage system is distributed through connected cavities, which favour rapid glacier flow versus localized through a channelized system that prevents rapid glacier flow. In addition, I also use high frequency seismic ground motion amplitude to study glacier features such as crevasses, thickness or ice anisotropy in a complementary way to what is traditionally done with seismic phase analysis.The first outcome of this cross-boundary PhD work is that one can analyse passive seismic measurements to retrieve the temporal evolution of subglacial channels pressure and geometry conditions over a complete melt-season. The second is that dense seismic array measurements can be used to resolve the subglacial drainage system spatial configuration and observe the switch from distributed to localized subglacial water flow. Such advances open the way for studying similar subglacial process on different sites and in particular in Greenland and Antarctica. This also concerns numerous sub-surface environment that host similar process such as volcanoes, karst, and landslides., La façon dont l'eau s'écoule sous les glaciers joue un rôle majeur dans le couplage mécanique glace-roche qui définit les vitesses d’écoulement des glaciers. Aujourd'hui, notre compréhension de la physique de l'hydrologie sous-glaciaire est limitée et incertaine en raison de la rareté des mesures de terrain, qui ne représentent que partiellement l’hétérogénéité de l’environnement sous-glaciaire. L'objectif de mon doctorat est d'utiliser la sismologie passive pour surmonter les difficultés observationnelles et quantifier l’évolution des conditions de pression et de la configuration du réseau d’hydrologie sous glaciaire. De récents travaux montrent que l'écoulement turbulent d'eaux sous-glaciaire génère du bruit sismique dont l’étude donne accès aux propriétés hydrodynamique associées. Ces analyses ont été menées sur une courte période et il n’est pas certains qu’elles soient appropriées à l’étude de l’hydrologie sous-glaciaire sur les échelles de temps les plus représentative de son influence sur la dynamique glaciaire (saisonnières et diurnes). De plus, ces études ne considèrent pas de changements dans la configuration des réseaux hydrologique et il existe peu d’étude ayant localisé des sources de bruit sismique spatialement éparses et temporellement variables. Dans ce doctorat, j'aborde ces défis sismologiques afin de résoudre la dynamique de l'hydrologie sous-glaciaire.Nous avons acquis sur le glacier d'Argentière (Alpes) un jeu de données continu sur 2 ans permettant d’évaluer la puissance sismique induite par les flux d'eau sous-glaciaire et de la comparer à des mesures de la vitesse de glissement basale et du débit d'eau sous-glaciaire. Je montre que l'étude de la puissance sismique à [3-7] Hz donne accès aux propriétés l'hydrodynamique des flux d'eau sous-glaciaires sur des échelles de temps tant saisonnière qu’horaire et sur une gamme de débits de 0.25 à 10 m3/sec. Avec un cadre physique adéquat j'inverse, de ces observations, les gradients de pression et rayons hydrauliques associés et identifie une dynamique saisonnière des chenaux sous-glaciaire. À faible débit, les chenaux se comportent à l'équilibre et s'adaptent aux variations de débit par des changements de rayon hydraulique. À fort débit et forte variabilité diurne en apport d'eau, les chenaux se comportent hors équilibre et subissent de fortes variations du gradient de pression hydraulique qui maintiennent de fortes pression d'eau dans les cavités et favorisent des vitesses de glissement élevées.Nous avons mené une expérience d'un mois avec un réseau sismique dense, complétée par des mesures d'épaisseur et de vitesse de surface du glacier. Sur cette base j'ai développé une méthodologie pour relever le défi de localiser des sources de bruit sismique spatialement éparses et temporellement variables. Ce faisant, j'ai obtenu une carte du système de drainage sous-glaciaire ainsi que son évolution journalière. J’ai pu ainsi observer quand et où ce système est distribué à travers des cavités connectées et favorise le glissement du glacier ou alors localisé à travers des chenaux et limite le glissement. Parallèlement, je montre que l’analyse de l’amplitude sismique permets d’étudier les crevasses, les variations d’épaisseur ou l’anisotropie de manière complémentaire aux analyses de phase sismique.Le premier résultat de ce travail transdisciplinaire est que la sismique passive peut être utiliser pour quantifier l'évolution temporelle des conditions de pression et de géométrie des chenaux sous-glaciaires sur une saison de fonte complète. Le second est qu’un réseau sismique dense peut être utiliser pour résoudre la configuration spatiale du drainage sous-glaciaire et la transition d'un réseau distribué à un réseau localisé. Ces avancées ouvrent à l’étude de tel processus sur d’autre sites tels les calottes Groenlandaise et Antarctique mais aussi à l’étude d’écoulements au sein de systèmes géophysiques tels les volcans, les karts ou les glissements de terrain.

The European Alps are among the most affected regions in the world by climate change, displaying some of the strongest glacier retreat rates. Long-term interactions between society, mountain ecosystems and glaciers in the region raise important questions on the future evolution of glaciers and their derived environmental and socioeconomical impacts. In order to correctly assess the regional response of glaciers in the French Alps to climate change, there is a need for adequate modelling tools. In this work, we explore new ways to tackle both glacier evolution and glacio-hydrological modelling at a regional scale. Glacier evolution modelling has traditionally been performed using empirical or physical approaches, which are becoming increasingly challenging to optimize with the ever growing amount of available data. Here, we present, to our knowledge, the first effort ever to apply deep learning (i.e. deep artificial neural networks) to simulate the evolution of glaciers. Since both the climate and glacier systems are highly nonlinear, traditional linear mass balance models offer a limited representation of climate-glacier interactions. We show how important nonlinearities in glacier mass balance are captured by deep learning, substantially improving model performance over linear methods.This novel method was first applied in a study to reconstruct annual mass balance changes for all glaciers in the French Alps for the 1967-2015 period. Using climate reanalyses, topographical data and glacier inventories, we demonstrate how such an approach can be successfully used to reconstruct large-scale mass balance changes from observations. This study also offered new insights on how glaciers evolved in the French Alps during the last half century, confirming the rather neutral observed mass balance rates in the 1980s and displaying a well-marked acceleration in mass loss from the 2000s onwards. Important differences between regions are found, with the Mont-Blanc massif presenting the lowest mass loss and the Chablais being the most affected one. Secondly, we applied this modelling framework to simulate the future evolution of all glaciers in the region under multiple (N=29) climate change scenarios. Our estimates indicate that most ice volume in the region will be lost by the end of the 21st century independently from future climate scenarios. We predict average glacier volume losses of 74%, 80% and 88% under RCP 2.6 (n=3), RCP 4.5 (n=13) and RCP 8.5 (n=13), respectively. By the end of the 21st century the French Alps will be largely ice-free, with glaciers only remaining in the Mont-Blanc and Pelvoux massifs., Les Alpes européennes sont parmi les régions du monde les plus touchées par le changement climatique, avec des taux de recul des glaciers parmi les plus élevés. Les interactions à long terme entre la société, les écosystèmes de montagne et les glaciers de la région soulèvent d'importantes questions sur l'évolution future des glaciers et les impacts environnementaux et socio-économiques qui en découlent. Afin d'évaluer correctement la réponse régionale des glaciers des Alpes françaises au changement climatique, il est nécessaire de disposer d'outils de modélisation adéquats. Dans ce travail, nous explorons de nouvelles façons d'aborder à la fois l'évolution des glaciers et la modélisation glacio-hydrologique à l'échelle régionale. La modélisation de l'évolution des glaciers a traditionnellement été réalisée à l'aide d'approches empiriques ou physiques, dont l'optimisation est de plus en plus difficile compte tenu de la quantité croissante de données disponibles. Ici, nous présentons, à notre connaissance, le premier effort jamais entrepris pour appliquer l'apprentissage profond (i.e. des réseaux neuronaux artificiels profonds) pour simuler l'évolution des glaciers. Comme les système climatique et glaciaire sont tous deux fortement non linéaires, les modèles traditionnels linéaire de bilan de masse offrent une représentation limitée des interactions entre le climat et les glaciers. Nous montrons comment des non-linéarités importantes liées au bilan de masse des glaciers sont capturées par une méthode d'apprentissage profond, ce qui améliore considérablement les performances des modèles par rapport aux méthodes linéaires.Cette nouvelle méthode a été appliquée pour la première fois dans une étude visant à reconstruire les changements annuels du bilan de masse de tous les glaciers des Alpes françaises pour la période 1967-2015. En utilisant des réanalyses climatiques, des données topographiques et des inventaires de glaciers, nous démontrons comment une telle approche peut être utilisée avec succès pour reconstruire les changements de bilan de masse à grande échelle à partir d'observations. Cette étude a également apporté de nouveaux éclairages sur l'évolution des glaciers dans les Alpes françaises au cours du dernier demi-siècle, confirmant les taux de bilan de masse observés plutôt neutres dans les années 1980 et montrant une accélération bien marquée de la perte de masse à partir des années 2000. On constate des différences importantes entre les régions, le massif du Mont-Blanc présentant la perte de masse la plus faible et le Chablais étant le plus touché. Ensuite, nous avons appliqué ce cadre de modélisation pour simuler l'évolution future de tous les glaciers de la région selon de multiples scénarios de changement climatique (N=29). Nos estimations indiquent que la plupart du volume de glace dans la région sera perdue d'ici la fin du XXIe siècle, indépendamment des scénarios climatiques futurs. Nous prévoyons des pertes moyennes de volume des glaciers de 74%, 80% et 88% dans le cadre des scénarios RCP 2.6 (n=3), RCP 4.5 (n=13) et RCP 8.5 (n=13), respectivement. D'ici la fin du XXIe siècle, les Alpes françaises seront en grande partie libres de glace, avec des glaciers ne subsistant que dans les massifs du Mont-Blanc et du Pelvoux.

International audience

International audience; Nature has been continuously sampling the atmosphere at the surface of Antarctica throughout the ages. Atmospheric gases trapped in Antarctic ice provide the most direct record of past changes in greenhouse gas levels during the past 800,000 years. The best-documented and reliable trace-gas records are for CO 2 and CH 4, and Antarctic ice is the key player in recording past atmospheric CO 2 . They are archives of the past and a window to present and future of the interplay between greenhouse gases and climate. We discuss the pioneering work of glaciologists measuring CO 2 in the air extracted from Antarctic ice, which confirmed Arrhenius’ prediction about the role of atmospheric carbon dioxide in ice age climate. We detail here how the ice core record has been progressively extended to 4 and then to 8 glacial-interglacial cycles, i.e. over the last 800,000 years. The Antarctic ice record highlights the tight coupling between atmospheric CO 2 and Antarctic climate on the timescales of glacial-interglacial cycles for the entire 800,000 year interval. This close linkage suggests that glacial-interglacial variations of CO 2 explain a large fraction of glacial-interglacial climate changes observed in the Antarctic ice record, which is consistent with modelling results. We present more recent works showing a near synchronous phasing between Antarctic temperature and CO 2 during the last deglaciation and pinpointing the important role of oceanic circulation in both heat transport and CO 2 outgassing. We also explore shortly the prospect for investigating Antarctic ice older than one million years to document what isoften called the enigma of the Mid-Pleistocene transition around one million years ago.

International audience

Hailstone structures have been studied for over a century, but so far mainly by manual optical means. This paper presents new texture and microstructure data (i.e. crystal lattice orientations, grain sizes and shapes) measured with an Automatic Ice Texture Analyzer (AITA) which gives access to high spatial and angular resolutions. The hailstones show two main characteristics; (i) they are structured with several concentric layers composed of alternating fine equi-axed grains and coarse elongated and radially oriented grains, (ii) they show two texture types with c-axes oriented either parallel or perpendicular to 5 the radial direction. Such textures are compared with the ones observed in lake S1 and S2 ices, respectively. The S1 texture type (with c-axes parallel to the columnar crystals that grew in the radial direction) may result from epitaxial growth from a polycrystalline embryo, while S2 texture (c-axes in the plan perpendicular to the column direction) may result from the growth from an embryo made of large crystals with only one or few crystallographic orientations. Owing to these high resolution measurements of both microstructure and texture, we are able to come back to a long-term discussion concerning the growth 10 mechanisms of large hailstones and clarify the main processes at play.

Within mountain permafrost regions, rock glaciers refer to periglacial formations composed of a mixture of rock debris of varying size and frozen materials at depth. Among them, active rock glaciers exhibit surface displacement velocities of the order of m/year, reflecting deep-seated deformation dynamics governed by thermo-hydro-mechanical processes. Thus, their contribution to the sediment transfer that can be mobilized in torrential flows may be substantial, as well as the emerging natural risks linked to their destabilization. In support of kinematic monitoring, geotechnical and geophysical methods can be used to investigate a rock glacier at depth, but remain punctual and discontinuous. On the other hand, environmental seismology methods, already applied to landslide monitoring, allow continuous seismic recordings, reporting the state of the subsurface; the aim of this thesis is therefore to apply these passive seismic techniques to the monitoring of rock glaciers.Two active sites have thus been instrumented for several years: the Gugla rock glacier (Valais, Switzerland) and the Laurichard rock glacier (Hautes-Alpes, France). Several methods were applied to these seismic data: ambient noise correlation, microseismicity and spectral analysis. In general, the relative variation of the surface wave velocity (dv/v) shows significant seasonal variations: it reaches a maximum at the end of winter, before dropping during spring melt and reaching a minimum in summer. Similarly, the resonance frequencies specific to rock glaciers, that have been picked within the spectral content of the seismic ambient noise, follow the same seasonal pattern. We interpret these observations as the effect of freeze-thawing processes on the averaged stiffness of the rock glacier.In order to model the variation in the elastic parameters of the medium due to this freezing process, we used a three-phase Biot-Gassmann poroelastic model, considering the rock glacier as a solid porous matrix with pores filled with liquid water or ice. The parameters of the model were constrained by the results of active geophysical surveys carried out in summer at each of the sites. The observed variables (dv/v and resonance frequencies) have then been modelled by comparison of dispersion curves and modal analysis, respectively. The results are consistent with the observations, thus improving the quantification and localization of seasonal freezing and thawing processes within rock glaciers.Similarly, the decorrelation (Kd) of the ambient noise cross-correlations, as well as the daily variability of the spectral power density, increase sharply during melting periods. These observations make it possible to better date and locate liquid water infiltration within the porous matrix.In parallel with modelling of physical processes, an empirical approach defining alert thresholds can also be adopted, towards the integration of this seismic monitoring of rock glaciers into early warning systems., Au sein des régions de permafrost de montagne, les glaciers rocheux désignent des formations périglaciaires composées d’un mélange de débris rocheux de granulométrie variable et de matériaux gelés en profondeur. Parmi eux, les glaciers rocheux actifs présentent des vitesses de déplacement de surface de l’ordre du m/an, témoignant d’une dynamique de déformation en profondeur régie par des processus thermo-hydro-mécaniques. Ainsi, leur rôle dans l’apport de sédiments mobilisables en laves torrentielles peut être important, de même que les risques naturels émergents liés à leur déstabilisation. En soutien du suivi cinématique, les méthodes géotechniques et géophysiques permettent d’investiguer en profondeur un glacier rocheux, mais restent ponctuelles et discontinues. En revanche, les méthodes de sismologie environnementale, déjà éprouvées pour la surveillance de glissements de terrain, permettent d’enregistrer des données sismiques continues rendant compte de l’état de la subsurface ; l’objet de cette thèse est donc d’appliquer ces techniques de sismique passive à la surveillance des glaciers rocheux.Deux sites actifs ont donc été instrumentés pendant plusieurs années : le glacier rocheux de Gugla (Valais, Suisse) et celui du Laurichard (Hautes-Alpes, France). À partir des données sismiques recueillies, plusieurs méthodes leur ont été appliquées : corrélation de bruit de fond, microsismicité, analyse spectrale. De façon générale, la variation relative de la vitesse de propagation des ondes de surface (dv/v) montre des variations saisonnières significatives : celle-ci atteint un maximum en fin d’hiver, avant de chuter lors de fonte printanière et d’atteindre un minimum en période estivale. De même, les fréquences de résonance propres aux glaciers rocheux, repérées au sein du contenu spectral du bruit de fond sismique, suivent un même régime saisonnier. Nous interprétons ces observations comme l’effet du processus de gel et de dégel sur la rigidité globale du glacier rocheux.Afin de modéliser la variation des paramètres élastiques du milieu due à ce processus de gel, nous avons utilisé un modèle poro-élastique de Biot-Gassmann à trois phases, assimilant le glacier rocheux à un matrice poreuse solide dont les pores sont remplis d’eau liquide ou de glace. Les paramètres du modèle ont été contraints par les résultats des prospections de géophysique active réalisées en été sur chacun des sites. Les grandeurs observables (dv/v et fréquences de résonance) ont ensuite été modélisées, respectivement par comparaison de courbes de dispersion et analyse modale par éléments finis. Les résultats sont en adéquation avec les observations, améliorant ainsi la quantification et la localisation des phénomènes de gel et de dégel saisonniers au sein des glaciers rocheux.De même, la décorrélation (Kd) des intercorrélations de bruit de fond, de même que la variabilité journalière de la densité de puissance spectrale, augmentent fortement lors des épisodes de fonte. Ces observations permettent alors de mieux dater et localiser l’infiltration d’eau liquide au sein de la matrice poreuse.En parallèle de la modélisation des processus physiques, une approche empirique définissant des seuils d’alerte peut également être adoptée, permettant d’intégrer la surveillance sismologique des glaciers rocheux dans des systèmes d’alerte opérationnels.

Beyond their iconic role of climate change, mountain glaciers can be considered as Earth’ essential component and natural “climate-meter”. Despite their small spatial coverage (0.5% of emerged land), mountain glaciers contribute as high as 30% of the observed sea-level rise. In some regions, they are considered as essential issues because of their importance in terms of potable water, agriculture, hydroelectricity or natural hazards. A small share is however monitored in situ (20°) in the in situ datasets. Our study also revealed heterogeneous inter-annual variability across the European Alps, partially explained by the climatic context of the studied sub-regions, thanks to the analysis of climate reanalysis data.We developed a second method to derive the annual and summer SMBs from albedo maps, computed from MODIS images. With an application on 30 glaciers in the French Alps, this work opened the way toward a regional application of this method, in order to estimate both annual and summer SMBs.By performing regional applications on different glacierized regions, we developed and validated methods capable of deriving the annual and summer SMBs of individual mountain glaciers at regional scale, from optical remote sensing data. These data could then be used to (1) assess the impact of peculiar climatic conditions onto mountain glaciers; (2) investigate possible meteorological conditions driving the documented glacier fluctuations; (3) calibrate and validate glacio-hydrological models used to estimate the current and future contributions of mountain glaciers to the hydrological functioning of mountain catchments and to sea level rise., Au-delà de leur rôle d’icône du changement climatique, les glaciers de montagne sont une composante essentielle de notre planète. Ils sont, de plus, de véritables « climat-mètres » naturels. Malgré leur faible superficie (0.5% des terres émergées), les glaciers de montagne contribuent à hauteur de 30% à la hausse du niveau des mers. Dans certaines régions, ils constituent de véritables enjeux quant à l’eau potable, l’agriculture, la production hydroélectrique ou les aléas glaciaires. Peu sont en revanche instrumentés (20°) dans les mesures in situ. Notre étude sur les Alpes Européennes a de plus permis d’identifier une variabilité interannuelle hétérogène sur cette région, en partie expliquée par des contextes climatiques différents grâce à l’utilisation de données issues de ré-analyses.Le développement d’une autre méthode a permis, à partir de l’analyse de carte d’albédo issues du capteur MODIS, de caractériser le bilan de masse de surface annuel et estival de 30 glaciers dans les Alpes françaises. Cette étude ouvre la porte à l’utilisation de cette méthode pour l’analyse du bilan annuel et saisonnier à l’échelle régionale.Ce travail a permis, à travers des applications dans différentes régions englacées, de développer et valider des méthodes capables, à partir d’images satellites optiques, d’estimer le bilan de masse de surface annuel et saisonnier de glaciers de montagne à l’échelle de régions entières. Ces estimations peuvent ensuite être utilisées pour : (1) étudier l’impact du climat local sur les glaciers de montagne ; (2) d’investiguer de possibles conditions météorologiques favorisant les fluctuations observées ; (3) calibrer et valider les modèles glacio-hydrologiques utilisés pour estimer les contributions actuelles et futures des glaciers de montagne au fonctionnement hydrologique des bassins versants et à l'élévation du niveau des mers.

International audience

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As they contain air from past atmospheres, ice cores are unparalleled climate paleo-archives. The study of the gases enclosed in ice cores from the arid region of East Antarctica allows to infer the past compositions of the atmosphere back to 800,000 years ago. Gases are trapped during the compaction of the snow deposited on top of the ice sheet. In the near-surface snow, also referred to as firn, the interstitial porous network shrinks until it eventually pinches and traps gases in the ice. However, the very process of gas trapping has impacts on the gas signals recorded in ice cores. The interpretation of gas records requires to characterize how ice core and atmospheric signals differ. The aim of this PhD is to study two effects altering ice core gas records, namely gas layered trapping that creates stratigraphic irregularities and firn smoothing that removes fast variability from the record. A specific focus is put on low-accumulation East Antarctic ice cores.This inquiry starts with the multi-tracer study of a firn core drilled at the Lock-In site, East Antarctica. The results show that the bottom of the firn can be seen as a stack of heterogeneous strata that densify following the same porous network evolution with density. In this vision, the stratification simply reflects the fact that some strata are in advance (or late) in their densification, but that pore closure happens in a similar fashion in all strata. This notably means that all strata contain nearly similar amounts of gases, as supported by direct measurements. High-resolution chemistry data indicate that denser strata are characterized by a high liquid conductivity, suggesting that deep firn stratification is due the impurity-induced preferential densification.This knowledge is then used to explain abrupt spikes observed in ice core methane records. For this PhD we rely on 6 new high-resolution methane records, measured in several East Antarctic ice cores at IGE. We show that the abrupt variations are layering artifacts due to stratigraphic irregularities caused by dense firn strata closing in advance. A simple model is developed to simulate the irregular occurrence of layering artifacts.A novel technique is proposed to estimate the age distributions of gases in ice cores, that are responsible for the smoothing of fast atmospheric variations. It can notably be applied to glacial records, and for the first time provides quantitative insights on the smoothing of very low-accumulation records. Our results show that in East Antarctica, the firn smoothing is weakly sensitive to the accumulation rate, meaning that more information than previously thought is preserved.Finally, we present the development of a new type of micro-mechanical firn model. Its ambition is to simulate the evolution of the porous network of a firn stratum. Such a model could be used to better constrain the enclosure of gases in polar ice under glacial conditions., Les carottes de glace sont des archive climatiques sans équivalents : les gaz contenus dans la glace de la région aride de l'Antarctique de l'Est permettent de reconstruire les compositions atmosphériques au cours des derniers 800 000 ans. Les gaz sont piégés pendant la compaction de la neige tombée sur l'inlandsis. Dans la neige en surface, aussi appelée névé, le réseau poreux interstitiel diminue jusqu'au pincement des pores qui piègent définitivement les gaz dans la glace. Cependant, le processus même de piégeage des gaz impacte l'enregistrement des signaux mesurés dans les carottes. L'interprétation de ces signaux demande de caractériser en quoi ils diffèrent de l'atmosphère passée. Le but de cette thèse est d'étudier deux effets altérant les enregistrements gaz des carottes, le piégeage par couches qui crée des irrégularités stratigraphiques et le lissage qui retire la variabilité rapide de l’enregistrement. Une attention particulière est portée sur les glaces de l'Antarctique de l'Est.Ce travail démarre avec l'étude multi-traceurs d'une carotte de névé forée au site de Lock-In en Antarctique de l'Est. Les résultats montrent que le bas du névé est un empilement hétérogène de strates se densifiant suivant une même évolution de leur réseau poreux. La stratification reflète simplement que certaines strates sont en avance (ou retard) dans leur densification, mais la fermeture des pores est similaire dans toutes les strates. Notamment, les strates contiennent toutes des quantités similaires de gaz, comme le montrent des mesures directes. Des mesures de chimie à haute-résolution montrent que les strates denses ont une haute conductivité liquide, suggérant que la stratification profonde du névé est due à une densification préférentielle induite par des impuretés.Ces connaissances sont appliquées pour étudier des variations centimétriques mesurées dans les signaux méthane des carottes de glace. Pour cette thèse, nous utilisons 6 nouveaux signaux méthane à haute résolution, mesurés dans des carottes d'Antarctique de l'Est à l'IGE. On montre que ces variations sont des artefacts dus aux irrégularités stratigraphiques causées par des strates denses se fermant en avance. Un modèle est proposé pour simuler la présence irrégulière de ces artefacts.Une nouvelle méthode est proposée pour estimer la distribution en âge des gaz dans les carottes, qui à l'origine du lissage des variations atmosphériques rapides. Elle peut être appliquée aux carottes de la dernière période glaciaire, et donne pour la première fois des indications quantitatives sur le lissage des signaux dans les carottes à très faible accumulation. Nos résultats montrent qu'en Antarctique de l'Est, le lissage est peu sensible au taux d'accumulation, et que plus d'information que prévu est préservée lors du piégeage.Enfin, nous présentons le développement d'un nouveau type de modèle micro-mécanique du névé. Son but est de simuler l'évolution des pores dans une strate de névé. Un tel modèle pourrait être utilisé pour contraindre le piégeage des gaz dans la glace, dans des conditions de période glaciaire.

International audience; Recent investigations have shown that the continental shelf west of Ireland contains sedimentary landforms recording occupation by grounded, lobate ice sheet margins that extended from Ireland during at least the last glacial cycle. This paper reviews some of the offshore evidence of past glacial events available from high-resolution bathymetry, 2D/3D seismic datasets (Fig. 1), and shallow sediment cores providing information on the sedimentology, rheology and age of glacigenic stratigraphic units. The available data suggest that the continental shelf has been repeatedly occupied by tidewater ice margins characterised by ice streaming, possibly since the mid-Pleistocene transition. The offshore record provides as yet incomplete information on the extent and timing of glaciation from multiple centres of dispersal in Ireland. The dynamics of former ice sheets in Ireland, downwind of the climatically important central North Atlantic region, makes them of wider interest in the study of partially marine based ice sheet-ocean interactions in rapidly changing environments.

International audience; The reconstruction of the largest ice stream to drain the British-Irish Ice Sheet at the Last Glacial Maximum (LGM) can provide essential palaeoglacial observations required for constraining numerical ice sheet models. The Irish Sea Ice Stream (ISIS) was long considered to have terminated on the mid-shelf of the Celtic Sea, based on sediment cores and seismic data collected in the 1970s. Here we summarise findings from sediment cores and geophysical data acquired since 2009, and multi-beam bathymetric data acquired since 2001, which permit an updated evolution and palaeoglacial reconstruction of the Irish and UK sectors of the Celtic Sea shelf. In near-shore areas, multi-beam data reveal over 2000 glacial features, including moraine ridges, streamlined bedrock and meltwater channels, recording the southwest advance of the ISIS towards the shelf-edge and its subsequent retreat. The mid- to outer-shelf is characterised by the largest known linear shelf sediment ridges. These vary from long and linear features, the megaridges, in the northwest to sinuous and shorter ridges in the southeast. This ridge field was initially interpreted as tidal in origin, but glacigenic sediments have been recovered from the flanks of the megaridges. Correlating decimetric-resolution geophysical data to sediment cores, the megaridges comprise three main units. 1) A superficial fining-upward drape above an unconformity, inferred to record decreasing ocean energy during marine transgression. Underlying this drape is 2), the Melville Formation (MFm), which comprises the upper bulk of the megaridges, displaying dipping internal acoustic reflections and consisting of medium to coarse sand and gravel, characteristics that could be consistent with either a tidal or glacifluvial origin. The MFm unconformably overlies 3), the Upper Little Sole Formation (ULSFm), previously proposed to be of late Pliocene to early Pleistocene age, but is here shown to contain glacigenic sediments dated to the LGM. This stratigraphy constrains the age of the MFm to between 24-14 ka BP, coeval with deglaciation and a modelled period of megatidal conditions during transgression. Stratigraphically and sedimentologically these megaridges could represent glacifluvial features eroded during the post-glacial marine transgression. However, it is argued that they comprise a partially-eroded glacial topography (ULSFm) mantled by post-glacial tidal deposits (MFm), both subsequently eroded by a proposed mechanism of enhanced wave energy during decreasing tidal energy in the later stages of transgression. Regardless of the origin of the ridges, the evidence shows that the ISIS extended to the shelf-edge of the Irish and UK sectors during the LGM.

International audience; Ice sheets have occupied the Atlantic continental margin of Europe as far south as the Celtic Sea, where the maximum extent of glaciation remains in question. The Celtic Sea contains no obvious glacial landforms, but is dominated by a system of shelf-crossing seafloor megaridges, up to 60 m high and 10 km wide, that extend seaward up to 300 km in water depths of 100-200 m. The last British-Irish Ice Sheet (BIIS) was thought to have reached a limit on the mid-shelf, based on glacigenic sediments sampled on and between megaridges in the Irish-UK sectors, but recent work in this area has shown that the BIIS extended at least 150 km farther, at minimum to the UK shelf edge at 48˚20'N. Stratigraphic analysis of newly acquired core and seismic data has indicated the megaridges to be eroded sand bodies, which can be interpreted as a) glaciofluvial ridges modified by post-glacial megatides, or b) tidal banks truncated by wave energy. Here we examine megaridge morphology using a regional bathymetric grid and multibeam data across a 25x100 km area of the mid-shelf. At regional scale, the megaridges fan seaward to meet the shelf edge near-transversely along 600 km of its length, their axes rotating by 80˚ from W-E (Irish shelf) to almost N-S (French shelf). The fan-shaped network points to an apex in the north Celtic Sea, yet axial convergences are more common to seaward than landward. Individual megaridges consist of segments tens of kms long, of differing orientation, that form bathymetric highs. On the Irish-UK mid-shelf, multibeam imagery show that en echelon megaridge segments (up to 40 km long, 7 km wide, 55 m high) give way both axially and laterally to transverse 'ribs' (up to 10 km long, 10 m high). The ribs vary in form and spacing, distinct from asymmetric regularly-spaced sand waves within the multibeam data. Glacigenic sediments have been reported near seabed on and between both the megaridges and ribs, but subglacial lineations are not observed at seafloor. We hypothesise that the rectilinear network of megaridges and ribs are the eroded remnants of giant eskerine ridges flanked by glaciofluvial De Geer moraines, formed time-transgressively along an ice sheet margin during its retreat from the shelf edge. If correct, this interpretation would have broad implications for the dynamics of the last BIIS, and for the supply of meltwater and sediment across the shelf and slope to the North Atlantic at the LGM. Glaciofluvial vs tidal models for the formation of Celtic Sea bedforms invite testing through the targeted acquisition of core data, notably from areas of existing multibeam data in both the Irish-UK and French sectors.

International audience; Introduction: We present new, high-resolution measurements of the 3D morphometries of eskers associated with debris-covered glaciers in the Phlegra Mon-tes [1] and NW Tempe Terra [2] regions of Mars' northern mid-latitudes. We compare them with the ancient south polar 'Dorsa Argentea' eskers on Mars [3], and first large database (n > 20,000) of 3D morphome-tries of terrestrial eskers, from SW Finland [4]. Eskers are ridges of glaciofluvial sediment deposited by meltwater flowing through tunnels within or beneath glaciers. They are vital tools for reconstructing the dynamics, extent, and environmental drivers of wet-based glaciation on Earth and Mars. For example, reconstructions of Mars' climate conditions at the Noa-chian-Hesperian transition [e.g., 5] have relied heavily upon insights from the Dorsa Argentea eskers [e.g., 3], which record basal melting of a large south polar ice sheet ~3.5 Ga. Morphometric studies of candidate eskers on Mars are vital both for testing hypotheses of their origins as eskers [e.g., 3], and for informing insights into the magnitude and dynamics of meltwater flows that formed them [e.g., 5-6]. Previously, such work has been limited by a lack of large-scale surveys of the 3D morphometries of eskers on Earth, to which the martian landforms can be compared. A new database comprising >20 000 measurements of 3D esker morphometries from SW Finland provides new opportunities for such-comparisons, which we exploit in this study [4]. Methods: We used 1-2 m/pixel digital elevation models generated from High Resolution Imaging Science Experiment (HiRISE) images to measure esker heights (H) and widths (W) from cross-sectional tran-sects spaced at 10 and 20 m intervals along the Phlegra Montes and NW Tempe Terra eskers, respectively (fol-lowing [3]). We calculated average slopes across cross-sectional transects (θ) as: tan −1 (H/0.5W). We classified transects into sharp-, multi-, and round-crested morphologies according to the scheme of [6]. The NW Tempe Terra esker comprises two 'stacked' esker ridges (see [7], this conference) which we treat separately in the present study. Storrar and Jones [4] obtained similar H, W, and θ measurements at 10 m intervals along ~70 km of Qua-ternary-aged eskers in SW Finland, using 2 m/pixel elevation data from airborne LiDAR.

International audience; Introduction: Our recent discoveries of eskers associated with 110-150 Myr old debris-covered glaciers in Phlegra Montes [1] and NW Tempe Terra [2], Mars, indicate that localised wet-based glaciation has occurred in at least two locations during the late Amazonian , despite cold climate conditions. Eskers are sedi-mentary ridges deposited by meltwater flowing through drainage tunnels within or beneath glaciers. In this study, we use new 3D measurements of the NW Tempe Terra esker (46.17 °N, 83.06 °W) to develop a conceptual model for the sediment-discharge dynamics of the esker-forming drainage episode(s). Methods: Following [3], we used a 2 m/pixel digital elevation model derived from High Resolution Imaging Science Experiment (HiRISE) images to measure ridge height (H) and width (W) every ~20 m along the esker. We exclude ridge portions obscured by the parent glacier (Fig 1), as well as transitions between morphological zones. Results: A scatterplot of the raw height and width measurements (Fig 2A) has multiple limbs which correspond to subzones of the esker with common morphological characteristics (Fig 1).

The Arctic ocean shows a very strong seasonality trough the permanent presence of sea ice whose extent varies from 6 to 15 millions km2. As an interface, sea ice limits ocean - atmosphere interactions and impacts the global energy budget by reflecting most of the short-wave incoming radiations. The snow cover, at the surface, is a key element contributing to the optical properties of sea ice. Snow enhances further the surface albedo and thus delays the onset of the ice melt. In addition, snow is the main responsible for the vertical light extinction in sea ice. However, after the polar night, this low light transmitted to the water column is a limiting factor for primary production at the base of the oceanic food web. The snow cover, through the temporal evolution of its physical properties, plays a key role controlling the magnitude and the timing of the phytoplanktonic bloom. In the actual global warming context, sea ice undergoes radical changes including summer extent reduction, thinning and shifts in snow thickness, all of which already alter Arctic primary production on a regional and global scale.This PhD thesis aims to better constrain the snow cover contributions to the radiative transfer of sea ice and its impact on Arctic primary production. It is based on a dataset collected during two sampling campaigns on landfast sea ice. Physical properties of snow such as snow specific surface area (SSA) and density allow a precise modeling of the radiative transfer which is then validated by optical measurements including albedo, transmittance through sea ice and vertical profiles of irradiance in the snow.During the melt season, marine snow which shows strong spatial heterogeneity evolves fol- lowing four distinctive phases. The melting, which first appears at the surface and gradually propagates to the entire snowpack, is characterized by a decrease in SSA from 25-60 m2kg-1 to less than 3 m2kg-1 resulting in a decrease in albedo and an increase in sea ice transmittance. This is a chaotic period, where optical properties show a very strong temporal variability induced by alternative episodes of surface melting and snowfalls. The physical properties of snow are used in a radiative transfer model in order to calculate albedo, transmittance through sea ice and vertical profiles of irradiance at all depths. The comparison between these simulations and measured vertical profiles of irradiance in snow highlights the presence of snow absorbing impurities which were subsequently qualitatively and quantitatively studied. In average, impurities were composed of 660 ngg-1 of mineral dust and 10 ngg-1 of black carbon. They were responsible for a two-fold reduction in light transmitted through sea ice. The light extinction, calculated at all depths in sea ice, and represented by isolums, was compared to the temporal evolution of ice algae biomass. The results show that every significant growth in ice algae population is related to an increase of light in the ice. These growths were observed even at very low light intensities of 0.4 uEm-2s-2. Light variations in the ice were linked by snow metamorphism and snow melting at the surface., L’océan Arctique est marqué par une forte saisonnalité qui se manifeste par la présence d’une banquise permanente dont l’extension varie entre 6 et 15 millions de kilomètres carré. Interface plus ou moins perméable, la banquise limite les échanges atmosphère - océan et affecte le budget énergétique global en réfléchissant une part importante du rayonnement incident. Le manteau neigeux qui se forme à sa surface est un élément essentiel notamment parce qu’il contribue fortement aux propriétés optiques de la banquise. D’une part par son albédo, proche de l’unité dans le visible, qui retarde sensiblement la fonte estivale de la glace. Et d’autre part, il est majoritairement responsable de l’extinction verticale de l’éclairement dans la banquise. Or, la faible intensité lumineuse transmise à la colonne d’eau constitue un facteur limitant important à l’accumulation de biomasse des producteurs primaires souvent des micro-algues, à la base des réseaux trophiques. Le manteau neigeux en surface, par ces propriétés physiques et leurs évolutions temporelles, joue donc un rôle essentiel en impactant directement l’initiation et l’amplitude de la floraison phytoplanctonique printanière. Dans le cadre du réchauffement climatique actuel, les mutations que subit la banquise : amincissement, réduction de son extension estivale et variations des épaisseurs du manteau neigeux bouleversent d’ores et déjà la production primaire arctique à l’échelle globale et régionale.Cette thèse vise à mieux comprendre la contribution du manteau neigeux au transfert radiatif global de la banquise, afin de mieux estimer son impact sur la production primaire arctique. Elle s’appuie sur un jeu de données collecté lors de deux campagnes de mesures sur la banquise en période de fonte. Les propriétés physiques de la neige, SSA et densité, permettent une modélisation précise du transfert radiatif de la neige qui est validée, ensuite, par les propriétés optiques comprenant : albédo, profils verticaux d’éclairement dans le manteau neigeux et transmittance à travers la banquise.Au printemps, la neige marine, marquée par une importante hétérogénéité spatiale, évolue suivant quatre phases distinctes. La fonte, d’abord surfacique puis étendue à toute l’épaisseur du manteau, se caractérise par une baisse de la SSA de 25-60 m2kg-1 à moins de 3 m2kg-1 provoquant une diminution de l’albédo dans le proche infrarouge puis à toute longueur d’onde ainsi qu'une augmentation de l’éclairement transmis à la colonne d’eau. Cette période est chaotique, et marquée par une forte variabilité temporelle des propriétés optiques causées par la succession d’épisodes de fonte et de chutes de neige. Les propriétés physiques de la neige sont utilisées par un modèle de transfert radiatif afin de simuler les profils verticaux d'éclairement, l’albédo et la transmittance de la banquise. La comparaison entre ces simulations et les profils d’éclairement mesurés met en évidence la présence d’impuretés dans la neige dont leurs natures et leurs concentrations sont estimées. En moyenne, la neige échantillonnée contenait 600 ngg-1 de poussières minérales et 10 nng-1 de suies qui réduisaient par deux l’éclairement transmis à la colonne d’eau. Enfin, la modélisation de l’éclairement à toute profondeur de la banquise, représentée de manière innovante par des isolumes, est mise en relation avec l’évolution temporelle de la biomasse dans la glace. Il apparaît que la croissance des algues de glace est systématiquement corrélée avec une augmentation de l’éclairement, et ce, jusqu’à des niveaux d’intensité de l’ordre de 0.4 uEm-2s-2. Ces variations d’éclairement sont causées par le métamorphisme et la fonte de la neige en surface.

International audience

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The main objective of the thesis is to improve our understanding of faceting occuring in dry snow metamorphism. The thesis focuses on the interplay between heat and mass diffusion and kinetic effects in the context of snow. For the first time,Diffraction Contrast Tomography (DCT) has been performed to monitor an experiment of temperature gradient metamorphism. The technique permits to retrieve the crystalline orientation of the grains constituting the microstructcure of the sample. Links between orientation of crystals and mass fluxres were analysed.The study shows that kinetic differences between basal and prismatic faces have effects on phase change fluxes at the ice/air interface.From a numerical modeling point of view, a highly anisotropic kinetic coefficient has been taken into account for the evolution of the ice/air interface. The model uses the phase-field approach and couples phase changes to heat and water vapor diffusion.The model was tested against an experiment of air cavity migration under temperature gradient in a monocrystalline ice block monitored with X-ray microtomography in one hand, and with the growth of a negative crystal during a pumping experiment followed with optical microscopy in the other hand.Such anisotropy permits to reproduce faceting as observed.Finally, the potential of the porposed model to describe snow metamorphism is highlighted., L'objectif principal de la thèse est d'améliorer la compréhension des phénomènes de facettage observables lors des métamorphoses de la neige sèche.La thèse se concentre sur les couplages entre la cinétique de croissance cristalline et la diffusion de la vapeur et de la chaleur. Pour la première fois, la tomographie par contraste de diffraction (DCT) a été utilisée pour suivre l'évolution d'un échantillon de neige sous gradient de température contrôlé.La technique permet de mesurer l'orientation cristalline des grains constituant la microstructure de l'échantillon.Les relations entre l'orientation cristalline et les échanges de matière ont étés analysés. L'étude montre que les différences de cinétique entre les faces basales et prismatiques des cristaux de glace influencent les flux de matière à l'interface air/glace.Sur le plan de la simulation numérique, une forte anisotropie du coefficient cinétique a été prise en compte dans l'évolution de l'interface air/glace. Le modèle développé utilise la méthode du champ de phase et couple le changement de phase à la diffusion de la vapeur et de la chaleur.Le modèle a été comparé d'une part à une expérience de migration d'une cavité d'air dans un monocristal de glace sous gradient de température, observée par microtomographie à rayons X et d'autre part, à la croissance d'un cristal négatif de glace lors d'une expérience de pompage suivie par microscopie optique. L'anisotropie prise en compte permet de reproduire le facettage observé. Enfin, le potentiel du modèle numérique proposé pour décrire les métamorphoses de la neige est mis en évidence.

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International audience; Arctic snow cover dynamics offer a changing face in terms of temporal duration andwater equivalent, due to recent climate change conditions (Callaghan et al., 2011; Lemke & Jacobi,2012). Indeed, the Arctic is now experiencing some of the most rapid and severe climate change onearth. In this context, innovative and improved methods are helpful to enhance management of thesnow-pack resource for climate research, hydrology and human activities. The characteristics of Arcticsnow are different from “temperate” snow (i.e. the Alps), in terms of thickness, internal structure, thermalconductivity, and metamorphism. Ground observation often indicates wind slab at the snow surface,internal rounded grains, depth hoar at the bottom, and often internal ice layer or at the interfacewith ground surface (Dominé et al., 2016; Gallet et al., 2017, for spring snow). This work is part of the“Precip-A2” project (OSUG, Grenoble-France), focusing on snow and its interaction with the atmosphere,especially in terms of chemistry, radiative processes and precipitation. The application site isthe Brøgger peninsula, focused on Ny-Ålesund area, Svalbard, Norway (N 78°55’ / E 11° 55’). Onesub-task of the Precip-A2 project is dedicated to X-band radar measurements (ground and spaceborne)to retrieve physical properties of arctic snow.

High Mountain Asia (HMA) hosts the largest glacierized area outside the polar regions. Approximately 15 % of the ~100 000 km² of HMA glaciers is covered by a debris layer of various thickness. The influence of this debris on the HMA glacier response to climate change remains debated. In principle, the presence of a thick layer of debris reduces the melt of the ice beneath it, due to the insulating effect. However, other processes such as ablation of bare ice cliff faces, subaqueous melt of supraglacial ponds and internal ablation due to englacial hydrology could substantially contribute to enhance the debris-covered glacier mass losses. The aim of this PhD work is to assess the impact of the debris on glacier mass balance in HMA. Up to now, the influence of the debris cover has been assessed through glacier front position changes or on a restricted sample of glaciers, and no large scale study of the influence of the debris cover on the glacier-wide mass balance is available.As a starting point, we derived glacier mass changes for the period 2000-2016 for the entire HMA, with an unprecedented resolution, using time series of digital elevation models (DEMs) derived from Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) optical satellite imagery. We calculated a total mass loss of -16.3 ± 3.5 Gt yr-1 (-0.18 ± 0.04 m w.e. yr-1) with contrasted rates of regionally-averaged mass changes ranging from -0.62 ± 0.23 m w.e. yr-1 for the eastern Nyainqentanglha to +0.14 ± 0.08 m w.e. yr-1 for the western Kunlun Shan.At the scale of HMA, the pattern of glacier mass changes is not related to the presence of debris, but is linked with the climatology. Consequently, we studied the influence of the debris-cover on mass balance within climatically homogeneous regions. Based on the mass balances of individual glaciers larger than 2 km² (more than 6 500 glaciers, which represent 54% of the total glacierized area), we found that debris-covered glaciers have significantly more negative mass balances for four regions out of twelve, a significantly less negative mass balance for one region and non-significantly different mass balances for the remaining seven regions. The debris-cover is generally a less significant predictor of the mass balance than the slope of the glacier tongue or the glacier mean elevation. The influence of the debris is not completely clear and complicated to untangle from the effect of the other morphological parameters, because heavily debris-covered tongues are situated at lower elevations than debris-free tongues, where ablation is higher.However, such a statistical analysis of the influence of the debris-cover on the glacier-wide mass balance variability is not very informative in terms of glaciological processes. In order to better constrain the contribution of the different ablation processes on debris-covered tongues, work at a finer scale is required. For the debris-covered tongue of Changri Nup Glacier, Everest region, Nepal, we quantified the contribution of ice cliffs to the ablation budget. Using a combination of very high resolution DEMs derived from Pléiades images and an unmanned aerial vehicle, we found that ice cliffs contributed to ~23 ± 5 % of the total net ablation of the tongue, over two contrasted years, although they occupy only 7 to 8 % of its area. Ice cliffs are large contributors to the ablation of a debris-covered tongue, but they cannot alone explain the so-called debris cover anomaly, i.e. the fact that debris free and debris covered tongues have similar thinning rates. This anomaly is probably due to smaller emergence velocity over debris-covered tongues than over debris-free tongues, resulting in similar thinning rates, despite less negative surface mass balance rates. We advocate for more measurements of ice thickness of debris-covered tongues in order to better understand their dynamics., Les Hautes Montagnes d’Asie (HMA) abritent la plus grande superficie de glaciers en dehors des régions polaires. Environ 15 % des ~100 000 km² de glaciers des HMA sont couverts de débris d’épaisseur variable. L’influence de cette couverture détritique sur la réponse des glaciers au changement climatique reste méconnue. Au-delà d’une épaisseur critique (quelques cm), les débris protègent les glaciers de la fonte par effet isolant. Mais ces glaciers présentent des structures qui pourraient sensiblement accentuer leur fonte : en surface ce sont les falaises où la glace est à nue et les lacs supra-glaciaires, alors qu’au cœur des glaciers c’est leur réseau hydrologique intra-glaciaire complexe. L’objectif de cette thèse est d’évaluer l’influence de la couverture détritique sur le bilan de masse des glaciers des HMA. Jusqu’à présent, cette influence a été évaluée à partir de changements de longueurs ou sur des échantillons de glaciers restreints, et aucune étude n’a quantifié l’influence de la couverture détritique sur le bilan de masse des glaciers à grande échelle.Nous avons d’abord traité plus de 50 000 couples stéréoscopiques du capteur ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) pour dériver des modèles numériques de terrain (MNTs) sur la quasi-totalité des glaciers des HMA. Nous avons mesuré ainsi le bilan de masse régional entre 2000 et 2016 avec une résolution jamais atteinte auparavant. La perte totale est de 16.3 ± 3.5 Gt a-1 soit un bilan de masse moyen de -0.18 ± 0.04 m équivalent (éq.) eau a-1, très variable spatialement, avec une perte de masse record pour le Nyainqentanglha (-0.62 ± 0.23 m éq. eau a-1) et un léger gain pour le Kunlun (+0.14 ± 0.08 m éq. eau a-1).Cette variabilité spatiale des bilans de masse reflète au premier ordre la variabilité des climats, différents d’un bout à l’autre des HMA. Pour s’en affranchir, nous avons découpé cette région en 12 sous-régions supposées homogènes climatiquement, où nous avons étudié l’influence de la couverture détritique sur le bilan de masse des glaciers de plus de 2 km² (>6 500 glaciers soit 54 % de la surface englacée totale). Statistiquement, la couverture de débris n’est pas un bon prédicteur du bilan de masse. Dans quatre sous-régions, les glaciers couverts ont des bilans de masse plus négatifs que les glaciers blancs, c’est l’opposé dans le Tien Shan alors que pour les sept sous-régions restantes, les bilans ne sont pas différents statistiquement entre glaciers blancs et couverts. Souvent, la couverture détritique a une influence plus faible que la pente de la langue ou l’altitude moyenne du glacier, car les langues couvertes de débris descendent plus bas en altitude, là où l’ablation est la plus forte.Ce type d’étude statistique est intéressant pour se forger une intuition, mais reste peu informatif en termes de compréhension des processus glaciologiques. Pour mieux contraindre les contributions des processus responsables de la fonte, nous avons travaillé en parallèle à une échelle plus fine en nous intéressant au glacier du Changri Nup (2.7 km²) situé non loin de l’Everest au Népal. A partir de MNTs haute résolution dérivés d’images des satellites Pléiades ou acquises avec un drone, nous avons montré que les falaises de glace, bien qu’elles n’occupent que 7 à 8 % de la surface de la langue de ce glacier, ont contribué à ~23 ± 5 % de l’ablation nette totale au cours de deux années contrastées. Ces falaises sont donc des zones d’ablation préférentielle mais couvrent des surfaces trop faibles pour compenser la réduction d’ablation induite par la couverture détritique environnante. Si l’on observe des taux d’amincissement similaires sur les langues couvertes ou non de débris, c’est que la vitesse d’émergence est plus faible sur les langues couvertes ce qui compense un bilan de masse de surface moins négatif que sur les glaciers blancs. Il est néanmoins nécessaire de mieux comprendre la dynamique des langues couvertes de débris.

International audience

International audience; Climate warming causes a decrease of glaciers in Svalbard. This results in sig-nificant changes of the geomorphology of areas in glacier catchments where iceand permafrost is melting. In particular the snout of the glacier melts drasticallyand the water outflow of the glacier changes sometimes its direction. Sedimentand bed load transport forms new river beds in the moraine, and the sedimentsinvolved are transported downstream into the fjords. In recent years terrestriallaser scanning technology has developed significantly, so it is possible to mea-sure the surface of a whole glacier catchment such as the Austre Lovenbreen inhigh resolution just in a few days or even in one day. The measuring range of6000 m combined with a very low beam divergence of the laser beam allows fastand accurate measurements of an area of 4 km2just from one scan position. Thisadvances made it possible that we could track all surface changes via differenti-ating digital surface models of the Austre Lovenbreen catchment using repeatedterrestrial laser scanning surveys in 20 cm resolution and with 10 cm accuracy.In this work we show how the geomorphology of the scanned area changed injust 2 years from 2016 to 2017. In this time frame the glacier outflow changedits riverbed and significant amounts of sediments where transported through themoraine into the fjord, which changed the morphology of the coastline as well.Reflectance values of the laser allowed us to distinguish between snow, ice androck material. In our presentation we explain the methodology of the terrestriallaser scanning surveys and discuss the results of how much material was removedin the new river bed throughout the moraine, how much sediments where accu-mulated at the coast line and how much of the material disappeared in the fjord.

The Northern Patagonia Icefield (NPI) have been losing mass at an accelerated rate during the last decades compared to the mean losses recorded since the Little Ice Age. Here we look for accurate estimates of the mean climate variables, surface mass balance (SMB) and ice dynamics of NPI. Due to the lack of available data in the area, the approach is based on physical models for both the atmosphere and the ice dynamics, in order to properly attribute the components of the glacial mass budget (mass balance, surface mass balance and ice discharge).First, the San Rafael Glacier (SRG) ice dynamics are modelled using the full-Stokes model Elmer/Ice. The flow model is initialised and constrained using the most up-to-date observations of surface velocities and bedrock elevation. The model is forced with several parametrisations of thealtitudinal SMB distribution to obtain consistency between the changes in SMB and ice dynamics. We show that previous studies have proposed excessive accumulation values on the icefield plateau, and that SRG imbalance is largely controlled by a large ice discharge (-0.83 +- 0.08 Gt/a compared to a slightly positive glacier-wide SMB (0.08 +- 0.06 Gt/a). This allows for an estimation of a committed mass loss of 0.34 +- 0.03 Gt/a for the next century. This value likely constitutes a minimum wastage in the future global climate change situation.Second, we model the SMB of the SRG and the NPI using the regional circulation model MAR (Modèle Atmosphérique Regional). This model is forced by the ERA-Interim reanalysis outputs and adapted to accurately reproduce accumulation on the icefield. In addition to accumulation, attention is paid to estimating accurate ablation and albedo values on the plateau. The modelled temperature and precipitation are also validated using data from weather stations in the valleys around the icefield. For the period 1980-2014, the modelled mean SMB of the SRG and the NPI are 0.86 Gt/a and -1.84 Gt/a, respectively, with a large inter-annual variability of 1.4 Gt/a and 6.1 Gt/a, which is induced by temperature and snowfall variability. Due to the hypsometry of the SRG, small changes in the punctual SMB around the ELA have impacts over large areas and have significant consequences on the final glacier-wide SMB. However, in-situ data above the ELA are lacking, leading to important uncertainty in accumulation. Nevertheless, our SMB estimates for the 3 largest non-calving glaciers of the icefield are similar to mass balance values given by geodetic techniques. This validation shows that our estimate of SMB, which is the first negative proposed at the scale of NPI, is accurate. Combined with the ice discharge proposed in the first section of this study, this SMB could have contributed to the observed mass loss from the 1980s.Finally, the study of the surface energy balance given by MAR reveals the key role of the albedo and the shortwave radiation budget in the variations of the SMB. Albedo variations indirectly justify the existing correlations between temperature and melting as air temperature controls the phase of precipitation on the plateau. Thus, changes in solid precipitation explain most of the SMB variations. Consequently, past conditions with higher solid precipitation may have explained larger glaciers in Patagonia. The current instability is possibly a result from the location of glacier fronts which are well below the necessary altitude for equilibrium in the current icefield topography.This study allows us to conclude that well constrained atmospheric and ice dynamic modelling leads to SMB values which are in better agreement with the mass balance of the icefield. Nevertheless, new field data is necessary to better constrain SMB estimates of the SRG and the NPI in order to improve our understanding of past and future climate change impacts on these glaciers., Le champ de glace nord de Patagonie (NPI) a connu des pertes de glace accélérées depuis le Petit Âge de Glace (PAG). Cette thèse évalue les conditions climatiques moyennes régnant en Patagonie, ainsi que les bilans de masse de surface et les flux de glace engendrés par la dynamique de la glace du NPI. En raison du manque de données disponibles, l’approche est principalement basée sur des modélisations physiques à la fois des conditions atmosphériques et de la dynamique de l’écoulement des glaciers.Dans un premier temps, la dynamique du glacier San Rafael (SRG) est modélisée à l’aide du modèle full-Stokes Elmer/Ice. Le modèle d’écoulement est initialisé et contraint à l’aide des données de vitesse de surface et d’altitude du lit rocheux. Le modèle est forcé en considérant diverses paramétrisations et scénarios d’évolution du bilan de masse de surface (BMS) avec l’altitude. Les modélisations visent à retrouver un accord entre bilan de masse total, BMS et dynamique de la glace. Les simulations montrent que les études précédentes ont systématiquement surévalué l’accumulation sur le plateau et à haute altitude. Le déséquilibre du glacier est principalement contrôlé par un flux de glace élevé (-0.83 +- 0.08 Gt/a) en comparaison du BMS légèrement positif (0.08 +- 0.06 Gt a-1). Nos modélisations permettent d’évaluer que les pertes de glace irréversibles pour le glacier (ou committed mass balance) seront en moyenne de 0.34 +- 0.03 Gt/a pour le prochain siècle. Cette valeur est la perte minimale attendue pour ce glacier en réponse au changement climatique futur.Dans un second temps, nous modélisons le BMS de SRG et de NPI à l’aide d’un modèle de circulation atmosphérique régionale, le modèle MAR. Le modèle est forcé par les reanalyses climatiques ERA-Interim et adapté de façon à reproduire l’accumulation mesurée sur le plateau. Une attention particulière est aussi portée aux valeurs d’ablation et d’albédo. Les températures et précipitations sont validées à l’aide de données provenant des vallées alentour. Entre 1980 et 2014, les valeurs de BMS intégrées à l’échelle du SRG et de NPI était de 0.86 Gt/a et -1.84 Gt/a, respectivement, associées à une forte variabilité interannuelle (de 1.4 Gt/a et 6.1 Gt/a respectivement). Cette variabilité dépend directement de celle des températures et des précipitations neigeuses en Patagonie. En raison de l’hypsometrie du SRG, de faibles variations de BMS autour de la ligne d’équilibre ont un impact très fort sur la valeur intégrée de BMS à l’échelle du glacier. Néanmoins, l’obtention de données in-situ d’accumulation est encore nécessaire pour réduire l’incertitude des valeurs de BMS. Ici, les BMS intégrés à l’échelle des trois plus gros glaciers à terminaison terrestre de NPI ont été validés à partir de bilans géodésiques. Ainsi, combinée aux pertes par vêlage, la valeur négative de BMS proposée pour NPI aurait permis la perte de masse du champ de glace depuis les années 80.Enfin, l’étude du bilan d’énergie de surface révèle que les variations d’albédo contrôlent celles du BMS, car il contrôle le rayonnement de courtes longueurs d’ondes et la fonte du glacier. Les variations d’albédo expliquent indirectement le lien existant entre température et fonte celui-ci étant conditionné par la phase des précipitations sur le plateau. Ainsi, les changements des précipitations neigeuses expliquent les variations de BMS, et nous supposons que les conditions climatiques ayant régné au PAG étaient plus humides et ont permis au glacier de se développer jusqu’à des altitudes trop faibles pour que les glaciers soient stables aujourd’hui.Cette thèse a ainsi permis d’évaluer les conditions atmosphériques régionales et de mieux contraindre la dynamique des glaciers et les valeurs de BMS du champ de glace NPI. Néanmoins, de nouvelles estimations sont à effectuer en zone d’accumulations de NPI pour contraindre encore le BMS et conclure définitivement sur les causes du recul de NPI depuis le PAG.

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Antarctic ice is an exceptional archive of ancient atmospheric air. The oldest available ice archive (800 ka) is not old enough to study a main climatic transition that occurred between 1.2 Ma and 0.9 Ma (mid-Pleistocene transition). Locating a future old-ice drill site is now one of the main goal of the ice-core community. In the region of Dome C, several old-ice targets have required characteristics, from a thermal and mechanical point of view, to hosts very old ice. The goal of this work is to precisely locate suitable coring sites, using several glaciological models. First a 1D heat model to compute the local geothermal flux, that make us confident in the fact that bedrock heights have been free of basal melting for at least the last 800 ka. It is very likely that such sites are able to host a 1.5 Ma ice archive. Second, a 3D ice flow model, to describe the ice trajectories from the ice surface to the bed. Drilling less than 10 km from the surface ridge mimimizes the risks of stratigraphic disturbance, and drilling on the flanks of the bed relief - and not on its top - is mandatory to ensure a sufficient age resolution. Third, a 1D dating model constrained by isochrones let us describe the distribution of basal ages and age resolutions compatible with observed isochrones, and assess the risk of success or failure of the drilling. With currently available data and modelling tools, two drilling sites are proposed that are located 37 km from Dome C, at which 1.5 Ma-old ice is very likely to be archived in required conditions and with sufficient resolution., Les glaces de l'Antarctique constituent un matériau d'archivage unique pour garder la trace de l'atmosphère du passé. La plus ancienne archive glaciaire disponible (800 ka) ne permet malheureusement pas d'étudier une transition climatique majeure qui s'est déroulé entre 1.2 Ma et 0.9 Ma (transition du mi-Pleistocène). Localiser un site ayant permis la conservation d'une glace aussi ancienne est donc un enjeu majeur au sein de la communauté des carottes de glace. Plusieurs régions autour du Dôme C présentent de bonnes caractéristiques d'un point de vue thermique et mécanique. Le but de ces travaux est d'identifier précisément des sites propices à un archivage de long terme, en utilisant différents modèles successifs. D'abord un modèle thermique 1D, qui permet de calculer le flux géothermique local, et d'affirmer que les hauteurs du socle sont exemptes de fusion depuis au moins 800 ka. Ensuite un modèle 3D d'écoulement, qui permet la description des trajectoires des particules de glace depuis la surface jusqu'au socle. Pour minimiser les perturbations stratigraphiques, il conviendra de placer le site de forage proche de la crête, et pour assurer une résolution suffisante le site ne devra pas se trouver à l'aplomb du sommet du relief basal, mais sur son flanc. Enfin, on utilise un modèle de datation 1D contraints par les isochrones, pour connaître la distribution des âges basaux et résolutions compatibles avec les isochrones observées, et estimer les risques de succès ou d'échec du forage. On propose deux sites de forage distants de 37 km de Dôme C, pour lesquels la présence de glace exploitable de 1.5 Ma et d'une résolution suffisante est hautement probable.

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International audience; In the Arctic, because glaciers are subject to dramatic changes due to climate shift, a major concern is to estimate the contribution of glacier basins outflows to sea level rise. Snow on the Austre Lovénbreen (a small alpine type glacier in Spitsbergen – 4,6km 2) has been well studied since 2007 thanks to a good measurement network and numerous field campaigns. It has been possible to estimate the runoff coming from the glacier itself. However, the glacier covers only 43% of the Austre Lovén catchment. Of the remaining 57%, 23% are constituted by the moraine area, and 34 % are the surrounding slopes, which are also important snow storages. This paper focusing on slopes aims at better understanding snow cover dynamics in the slopes (sun exposition, aspect, altitude, roughness, steepness.. .) using Lidar data. Terrestrial laser scanning data has been acquired over the Austre Lovén glacier basin twice a year, in April when the snow accumulation is supposedly at its maximum and in August (minimum) since 2013. The computation of snow volumes was made possible by differencing DEMs (DoD). Combining this data with density measurements in several sampling points in the slopes also gave the possibility of estimating the snow water equivalence (SWE) of the snow cover. The objective is here to qualify and quantify the spatial and temporal variabilities of snow cover in the slopes. Different slope configurations were investigated with the Lidar for that purpose. The main results show that most of the snow cover is located in the lowest, less steep, parts of the slopes. Moreover, snow cover densities are usually higher in the surrounding slopes than the ones recorded on the glacier. Looking at explanatory factors of snow spatial variability, aspect and roughness of slopes have a significant role to play.

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– Les satellites radars altimètres permettent de quantifier la fonte de la glace terrestre, ainsi que son impact sur l'´ evolution du niveau des océans. L'objectif du traitement Swath développé pour les données interférométriques du satellite CryoSat-2, est d'augmenter la densité des mesures altimétriques, sans en augmenter le bruit. La selection des données non bruitées est basée ici uniquement sur la qualité de la phase mesurée, en faisant l'hypothèse que la phase est affine par morceaux. Cet algorithme permet ainsi d'améliorer la précision des MNE et des taux de changement d'´ elévation estimésestimés`estimésà partir des données d'´ elévation. Abstract – The radar altimeter satellites enable to quantify the melt of the Earth's land ice, and its impact on the evolution on the sea level rise. The goal of the Swath processing developed for the SARIn data of the CryoSat-2 satellite is to increase the density of the altimetric measurement without adding noise to the final products. The selection of the unnoisy data is made on the phase quality alone, making the hypothesis that the phase is a piecewise slope function. This algorithm increases the accuracy of the DEM and the rate of elevation change maps computed from elevation data.

The next generation of climate models will include an ice-sheet model in order to improve the ice sheet mass balance projections by accounting for the ice dynamics and ice-oceans interactions. On the one hand, the Southern Ocean (SO) is indeed driving the acceleration of the Antarctic outlet glaciers via an increase in the basal melting of the ice shelves. On the other hand, the increasing ice discharge from Antarctic Ice Sheet (AIS) contributes to the current sea level rise and is likely to become the largest cryospheric contributor to sea level rise by the end of the current century. In addition, the related freshening may have significant implications on future sea-ice cover and on bottom water formation. However, it is not clear yet how the ocean and ice-sheet components of future coupled systems will account for the ice-ocean interactions, which are both causes and consequences of the AIS mass imbalance. Here in this work, different aspects of the standalone ocean and ice-sheet components have been investigated. A first step of this thesis has been focused in the representation of the glacial freshwater fluxes in current ocean models. Based on recent glaciological estimates, the ice shelf basal melting fluxes have been spatially distributed in an ORCA025 grid, and the calving rates have been applied into an improved version of the NEMO-ICB iceberg model. This preliminary study has been used to produce a monthly iceberg meltwater climatology, to be used to force current ocean models. This work shows the importance of representing the iceberg meltwater fluxes when modeling sea ice, which can be inexpensively achieve by using our climatology. The improvements in the representation of the glacial freshwater fluxes have been considered in the study of the ocean model response to the Antarctic mass imbalance. This study considers a realistic perturbation in the glacial freshwater forcing as close as possible as it will be represented in future ice-sheet/ocean models. According to our results, up to 50% of the recent Antarctic sea ice volume changes might be caused by the observed decadal AIS mass imbalance rate. Glacial freshwater forcing appears to be crucial to correctly represent the ice-ocean interactions and projecting sea ice cover of future coupled systems. However, the estimation of the glacial freshwater input in future climate models will be strongly dependent upon the capacity of ice-sheet models to reproduce the grounding line migrations of marine ice sheet glaciers. Current ice-sheet models present large uncertainties related to different parametrizations. In the context of the future climate models, we have studied the sensitivity of ocean-driven grounding line retreats to the application of two different friction laws and two different englacial stress approximations. The model responses almost indistinctively to either the SSA or the SSA* englacial stress approximations. However, differences in the contribution of the glacier to the sea level rise can be up to 50% depending on the friction law considered. The more physically constrained Schoof friction law is significantly more reactive to the ocean perturbations than Weertman law and should be considered in future coupled systems. This work underlines that uncertainties related to the ice sheet model estimates of grounding line migrations may not only contribute to uncertainties in sea level projections, but also the sea ice cover through the ice-ocean interaction in future ocean models.This conclusion suggests the need for improving the representation of both the ice shelf basal melting and the glacier interaction with the bedrock, in order to improve the climate projections of future climate models, in which the spatial and seasonal distribution of the glacial freshwater fluxes may play an important role in setting the sea ice cover., Les prochaines modèles climatiques comprendront un modèle de calotte polaire afin de tenir en compte la dynamique de la glace et les interactions glace-océans dans ses projections. D'une part, l'océan Austral (SO) pilote l'accélération des glaciers de l'Antarctique via une augmentation de la fonte basale des ice shelves. D'autre part, l'accélération de la décharge de glace de l'Antarctic Ice Sheet (AIS) contribue à la montée du niveau de la mer et est susceptible de devenir le plus grand contributeur de la cryosphère d'ici la fin du siècle. En outre, l'adoucissement relié, peut avoir des répercussions importantes sur la glace de mer et sur la formation des eaux profondes. Cependant, on ne sait pas encore comment les modèles d'océan et de calotte polaire des futurs systèmes couplés vont représenter les interactions glace-océan, causes et conséquences du déséquilibre de masse de AIS. Ici, dans ce travail, les différents aspects des modèles de océan et calotte polaire ont été étudiés. Une première étape de cette thèse a été concentrée à la représentation des flux d'eau douce glaciaires dans les modèles océaniques actuels. Basé dans estimations glaciologiques, la fonte basal des ice shelves a été répartie dans une grille de ORCA025, et les taux de production d'icebergs ont été appliqués dans une version améliorée du modèle d'iceberg NEMO-ICB. Cette étude préliminaire a été utilisé pour produire une climatologie d'eau de fonte provenant des icebergs, valable pour forcer les modèles de océan actuels. Ce travail montre l'importance de représenter les flux d'eau de fonte des icebergs lors de la modélisation de la glace de mer, qui peut être obtenu en utilisant notre climatologie. Ces améliorations ont été pris en compte dans l'étude de la réponse du modèle de océan a la perte de masse de AIS. Cette étude considère une perturbation réaliste de l'eau douce glaciaire aussi près que possible de sa représentation dans les futurs modèles couplés ice-sheet/océan. Selon nos résultats, jusqu'à 50% des changements récents de volume de la glace de mer pourrait être causée par le bilan masse de l'AIS. Le forçage en eau douce glaciaire semble être cruciale pour représenter correctement les interactions glace-océan et projeter la glace de mer dans les futurs systèmes couplés. Cependant, l'estimation de l'apport d'eau douce glaciaire dans les modèles climatiques futurs sera fortement affecté par la capacité des modèles de calotte polaire de reproduire les migrations de grounding line des glacières de "marine ice sheets". Les modèles de calotte polaire actuels présentent grandes incertitudes liées aux différents réglages. Dans le contexte des futurs modèles climatiques, nous avons étudié la sensibilité des retraites de la grounding line produites par l'océan à l'application de deux lois de frottement différentes et deux différentes approximations du stress glacier. Les modèle réagit de façon presque similaire aux approximations SSA ou SSA *. Par contre, les différences dans la contribution du glacier à l'élévation du niveau de la mer peuvent être jusqu'à 50% en fonction de la loi de frottement considéré. La loi de friction Schoof, la plus physique, est nettement plus réactif aux perturbations océaniques que la loi Weertman, et devrait être pris en compte dans les systèmes couplés futurs. Ce travail souligne que les incertitudes liées aux estimations des modèles de la calotte glaciaire de migrations de grounding line peuvent contribuer non seulement à des incertitudes du futur niveau de la mer, mais aussi de la glace de mer à travers des interactions glace-océan dans les futures models climatiques. Tel conclusion suggère la nécessité d'améliorer la représentation de la fonte basal des ice shelves et le frottement du glacier, afin d'améliorer les projections climatiques des modèles climatiques, dans lequel la distribution spatiale et saisonnière des eau douce glaciaires peut jouer un rôle important en établir la glace de mer.

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Mountain glaciers have a high societal impact, first at a local scale since they influence the water ressources and the touristic attractivity of a region, but also at a global scale, being major contributors to the present sea-level rise. Moreover, mountain glaciers are sensitive to climate forcing and are thus relevant indicators of past and present climate change and particularly present global warming. It is thus important to analyse the dynamic of these glaciers and quantify the changes that are affecting them so that their contribution to the Earth system and their future evolution can be better estimated. Satellite Earth Observation imagery, with its global coverage and repeated acquisition, represents a unique tool to quantify temporal changes affecting glaciers. The available archive is huge and the flux of new data will increase it even more.It is thus necessary to develop new methods to process this large archive.The objective of this thesis is to quantify the dynamic response of mountain glaciers in the Pamir-Karakoram-Himalaya (PKH) and in the Alps to a changing climate, with the use of the 40-year long satellite archive. We first developped a semi-automated processing chain to derive annual ice flow velocities from feature-tracking of satellite images. The chain takes advantage of the redundancy in the archive to obtain more spatially complete and robust velocity fields and to statistically estimate the uncertainty. Application to the Landsat archive leads to the determination of an unprecedented velocity field for the entire PKH region (~92 000 km2) for the period 1998-2014 and over the Alps (2 000 km2, period 1999-2014) with a coverage of 60-80 % and a mean uncertainty of 4 m/yr.. Flow velocities have been derived less systematically for the period 1972-1998 over the PKH. Secondly, the analysis of velocity changes show a slow-down of the glaciers for most of the 2 regions. The velocity changes are spatially contrasted and coherent with the patterns of elevation changes. In particular, glaciers in the Karakoram and West Kunlun that are stable or advancing show also a clear speed-up, whereas regions where thinning is the most important (Western Himalaya, Nyenchen Tangla, Alps) show the most important slow-down. The observed velocity changes is thus primarily determined by a climatic signal., Les glaciers de montagne ont un impact sociétal important que ce soit à l'échelle locale où ils influencent les ressources en eau et l'attractivité touristique d'une région, ou à l'échelle mondiale en contribuant au niveau des océans. Par ailleurs, les glaciers de montagne sont extrêmement sensibles aux variations climatiques et sont donc des indicateurs pertinents des évolutions climatiques passées et présentes, en particulier du réchauffement global.Une meilleure compréhension de la réponse des glaciers à ces changements, ou dynamique, est nécessaire afin d'estimer leur contribution au système Terre et leur évolution future. Les satellites d'observation de la Terre, par leur couverture globale et des acquisitions régulières, représentent un atout formidable pour suivre l'évolution des glaciers. L'archive à disposition est considérable et celle à venir promet d'être encore plus importante. Il est donc indispensable de développer des méthodes pour traiter cette masse de données.L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre la réponse dynamique des glaciers du Pamir-Karakoram-Himalaya (PKH) et des Alpes aux changements climatiques actuels en mettant à profit les 40 années de données satellitaires disponibles. Dans un premier temps, nous avons développé une chaine de traitement semi-automatique qui permet de mesurer les vitesses annuelles de surface d'écoulement des glaciers par corrélation d'images à partir d'une archive satellitaire. Grâce à la redondance des acquisitions, il est possible d'obtenir des champs de vitesse plus complets, plus robustes et d'estimer statistiquement l'incertitude. L’application de ce traitement à l’archive Landsat a permis d’obtenirdes champs de vitesse pour l’ensemble de la région du PKH (~92 000 km2) sur la période 1998-2014et sur les Alpes (~2 000 km2, période 1999-2014) avec une couverture de 60-80 % et une incertituded’environ 4 m/an. Des champs de vitesse ont également été obtenus de manière moins systématique sur la période 1972-1998 pour le PKH. Dans un second temps, l'analyse des variations de vitesse sur ces périodes a montré un ralentissement des glaciers sur l'ensemble des deux chaines de montagne, en lien avec un amincissement des glaciers sur la même période. Les variations de vitesse sont très contrastées spatialement et sont cohérentes avec les motifs observés pour les variations d'épaisseur. En particulier, les glaciers du Karakoram et du Kunlun qui sont stables ou gagnent de la masse sur cette période montrent également des signes d'accélération, alors que les zones d'amincissement le plus important (Himalaya occidental, Nyenchen Tangla, Alpes) sont celles ou le ralentissement observé est le plus fort. Il semble donc que les variations de vitesse observées soient conditionnées au premier ordre par un signal climatique.

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.

National audience

The article deals with effective method of building up a GIS project. The types of the spatial thematic information is divided by blocks, according to the data types. Each block contains information on natural characteristics of the ecosystem with its structural components. While mapping a series of geoecological maps, the basic information about the natural features of the region creates a basis of the project. It is derived from the thematic maps collected as cartographic data base of the project. All integrated thematic data about the natural resources and characteristics of the region is structured in the database, subdivided by specific geographic region, according to the thematic blocks to which it belongs topologically and semantically., Рассмотрены типы тематических информационных блоков природных характеристик экосистемы с ее структурными составляющими, необходимые при разработке ГИС-проекта. При составлении серии геоэкологических карт базовой является информация о природных особенностях региона, которая получена при изучении тематических карт, формирующих картографический фонд банка данных проекта. При этом вся полученная тематическая информация о природных ресурсах региона структурируется в базе данных по региону соответственно тематическим блокам, к которым она генетически принадлежит.В данные о геоморфологической структуре побережья включены сведения о генетическом типе берега, структуре пляжной зоны: ее ширине, рельефе, уклоне, поперечном профиле берега, составе грунтов побережья. В блоке гидрологической информации о регионе используется информация о районах погружения вод поверхностных течений Атлантического и Тихого океанов под холодные глубинные Арктические воды, т.е. их ассимиляция и растворение, районы смешения вод, теплые и холодные течения Арктики. Важной составляющей гидрологического блока является информация о структуре течений Северного Ледовитого океана, отражающей основные источники происхождения течений в регионе: воды Атлантических течений, течений Тихого океана, выносы речных вод, атмосферные осадки, собственно Арктические течения и направления глубинных течений. При оценке экологического состояния моря необходимо учитывать экологический вклад выноса рек бассейна данной акватории, поэтому в проект должны быть включены карты речного стока Арктики и их гидрологические параметры. Экологический блок данных включает показатели значимых факторов с учетом степени их проявления. К ним относятся разрушение берегов, дефляция, нарушения жизнедеятельности арктической фауны. Данный блок показателей характеризует антропогенную нагрузку на природные комплексы акваторий, приводящих к развитию негативных процессов, оценивает их проявление и является базовым при дальнейшем комплексном исследовании экологического состояния акваторий и их районирования.

The North Shore of the St. Lawrence Estuary and Gulf is characterized by the presence of deltaic complexes that were emplaced under falling Relative Sea Level (RSL) forced by the glacio-isostatic rebound, immediately after the retreat of the Laurentide Ice Sheet (LIS) margin. The study of three deltaic complexes reveals that a common morphostratigraphic evolution forced by the retreat of the LIS prevailed for the edification of these structures, reflecting the retreat of the LIS margin. The emplacement of subaqueous outwash fans beyond the retreating or stillstanding glaciomarine margin constitutes the first stage of this evolution. As tied to the ice-margin position, these fans are characterized in places by a backstepping stacking pattern, in spite of the forced regressive setting. From the emergence of a continental ice front, the proglacial deltaic system develops and forms lobes staged accordingly to the RSL fall. These deltaic systems actively prograde at that time because they are fed in glaciogenics by the retreating LIS margin through braided meltwater streams. In spite of the RSL fall reaching several centimeters per years, no fluvial entrenchment occurs mainly owing to the significant amount of sediment supply. Later, when the LIS margin retreats from the drainage basins of feeding rivers, fluvial systems experience a drastic drop in sediment supply that forced the interruption of the deltaic progradation and the onset of paraglacial reworking. The paraglacial reworking consists in the entrenchment of a meandering fluvial system within former deltaic deposits and shows the prevalence of shallow-marine processes (waves, tides) at the delta rim (raised beaches, marine terraces). This study reveals that the bulk of the deltaic volume (c.a. 10-20 km3) for each complex was emplaced in only a few thousands of years following the LIS margin retreat when the latter was still located in the drainage basin. The paraglacial reworking had a minor influence on the deltaic accretion. A forward stratigraphic model (Dionisos) is used to validate the variety of forcing as understood from the sedimentary analysis. A synthesis including 21 deltaic complexes of the St. Lawrence North Shore allowed the establishment of a fourfold categorization. This scheme of deltaic evolution was used in order to refine the position of the LIS margin retreating upland for a period ranging from 12 to 7.5 ka cal BP., La Côte Nord de l’Estuaire et du Golfe du St. Laurent (Québec, Canada) est caractérisée par une série de complexes deltaïques mis en place en contexte de chute de Niveau Marin Relatif (NMR) forcée par le rebond glacio-isostatique, lors du retrait des marges de l’Inlandsis Laurentidien. L’étude de trois complexes deltaïques montre qu’un motif d’évolution morphostratigraphique contrôlé par le retrait des marges glaciaires prévalait au premier ordre. Le premier stade de sédimentation se caractérise par la mise en place de cônes d’épandage juxtaglaciaires sous-aquatiques. Leur localisation au front de la marge glaciaire fait que la répartition spatiale des corps sédimentaires montre localement un empilement en rétrogradation. Dès l’émergence d’un front glaciaire continental, des deltas proglaciaires se développent en contexte de chute de NMR, formant des lobes dont l’altitude décroît vers le bassin. Ces derniers sont initialement associés à un système fluviatile en tresse alimenté en sédiments glaciogéniques par les marges glaciaires en retrait. Malgré des taux de chute de NMR de plusieurs cm/an, aucune incision fluviatile n’est observée à ce stade et la dynamique de transfert est prédominante du fait des forts taux d’apports sédimentaires. Plus tard, à la suite du retrait des marges glaciaires hors des bassins versants, le remaniement paraglaciaire se développe du fait de la réduction drastique des apports en eaux et sédiments. Le système fluviatile, devenu méandriforme, s’encaisse dans les anciens dépôts deltaïques maintenant inactifs et les bordures de deltas sont remaniées par les processus littoraux (plages soulevées, terrasses marines). Cette étude révèle que la majorité du volume de ces complexes deltaïques (10-20 km3) est mis en place en quelques milliers d’années seulement, immédiatement après la déglaciation ; le remaniement paraglaciaire n’ayant contribué à l’accrétion deltaïque que très marginalement. La modélisation numérique (Dionisos) valide les différents forçages identifiés par l’analyse morphosédimentaire. Une synthèse des complexes deltaïques à l’échelle de toute la Côte Nord du St. Laurent a permis de catégoriser 21 complexes deltaïques en 4 scénarios d’évolution morphosédimentaire, directement liés à la dynamique de retrait de la marge glaciaire. Leur décryptage offre une clef de lecture originale pour l’historique du retrait des marges glaciaires de l’Inlandsis Laurentidien sur la période 12-7.5 ka cal BP.

International audience; Arctic glaciers are good indicators of the ongoing climate change as their dynamics are strongly linked to it. This study is focused on the Austre Lovén glacier, on the Brøgger peninsula in Spitsbergen (Svalbard, 79°N). The aim is to understand how contrasted climate and snow conditions over the course of a year can lead to multiple consequences, sometimes unexpected, on mass balance. In 2014, a negative budget was expected, but data analysis has shown the first positive mass balance in 7 years. The objective here is to (i) identify and qualify the combination of factors affecting an arctic glacier mass balance. Three primary indicators seem to display the greatest influence: summer temperatures, liquid precipitations and winter snow accumulation. A specific focus would also be to (ii) understand the seasonal chronology and to rank parameters that have the greatest influence on glacial dynamics. The Austre Lovén glacier (4,5km²) has been systematically instrumented and monitored since 2007. Mass balance is measured yearly at the end of September with an evenly-spaced 36 stakes network. At the end of April, before the start of the melting season, snow accumulation is also measured through drillings. Air temperatures have been recorded continuously since 2007 with 20 sensors on the glacier. The last parameter we are mainly interested in for this study is liquid precipitation data. It could not be continuously recorded in situ because of technical reasons. Hence it was reconstructed with data from the closest meteorological station, in Ny Ålesund, about 6km from the site. These parameters were then used as explanatory variables to identify their influence on the Austre Lovén glacier. Data being recorded punctually was subjected to spatial generalization at the scale of the glacier. Factors conditioning accumulation area are not necessarily analogous to the ones having a great influence in the ablation area. Observed data need to be prepared in order to provide more explicit indicators as input for the statistical analysis. For example, a degree-days indicator allows to considerate only positive temperatures which have the greatest influence on the glacier. All of the original and derived factors are then constituting the basis of all subsequent multivariate analysis.

Characterizing the complex microstructure of snow and its mechanics is a major challenge for avalanche forecasting and hazard mapping. While the effect of environmental conditions on the snow metamorphism, which leads to numerous snow types, is fairly known, the relation between snow microstructure and mechanical properties is poorly understood because of the very fragile nature of snow. In order to decipher this relation for dry snow, this thesis presents a modeling approach of snow mechanics based on the three-dimensional microstructure of snow captured by X-ray microtomography and the properties of ice. First, in order to automatically process the microtomographic data, we take advantage of the minimization of the snow surface energy through metamorphism to efficiently binary segment grayscale images. Second, assuming an elastic brittle behavior of the ice matrix, the tensile strength of snow is modeled via a finite element approach. The model reveals an apparent pseudo-plastic behavior caused by damage, and the highly heterogenous stress distribution in the ice matrix. Third, we develop a discrete element model, accounting for grain-rearrangements and the creation/failure of inter-granular contacts. The grains, geometric input of the model, are detected in the microstructure with mechanically-relevant criteria and described as rigid clumps of spheres. The model evidences that the compression behavior of snow is mainly controlled by density but that the first stage of deformation is also sensible to the snow type. Last, the inter-granular bonds, recognized to be critical for the mechanical properties, are characterized through a new microstructural indicator, which effectively highly correlates with the simulated mechanical and physical properties., Caractériser les propriétés mécaniques de la neige est un défi majeur pour la prévision et la prédétermination du risque d’avalanche. Du fait du grand nombre de types de neige et de la difficulté à effectuer des mesures sur ce matériau très fragile, la compréhension de la relation entre la microstructure de la neige et ses propriétés mécaniques est encore incomplète. Cette thèse aborde ce problème par le biais d’une approche de modélisation mécanique basée sur la microstructure tridimensionnelle de neige obtenue par microtomographie aux rayons X. Tout d’abord, afin d’automatiser et améliorer la segmentation des images microtomographiques, un nouvel algorithme tirant profit de la minimisation de l’énergie de surface de la neige a été développé et évalué. L’image air-glace est ensuite utilisée comme entrée géométrique d’un modèle éléments finis où la glace est supposée élastique fragile. Ce modèle permet de reproduire le comportement fragile en traction et révèle le comportement pseudoplastique apparent causé par l’endommagement microscopique, ainsi que la forte hétérogénéité des contraintes dans la matrice de glace. Pour reproduire les grandes déformations impliquant le ré-arrangement de grains, un modèle par éléments discrets a ensuite été développé. Les grains sont identifiés dans la microstructure en utilisant des critères géométriques dont la pertinence mécanique a été démontrée, et décrits dans le modèle par des blocs rigides de sphères. Le comportement simulé en compression est dominé par le rôle de la densité mais révèle également des différences liées au type de neige. Enfin, pour distinguer le degré de cohésion entre les types de neige, un indicateur microstructurel a été développé et s’est avéré être fortement corrélé aux propriétés mécaniques et physiques du matériau.