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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.

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.

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

International audience

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.

Due to their unique architecture and the exceptional dimensions of the largest monument in the group, the Arles-Fontvieille hypogea are among the most remarkable megalithic monuments in Europe and the western Mediterranean region. A collective research program was launched in 2013 to study these well-known monuments which have, paradoxically, been the subject of relatively few field studies since the 19th century. The research program consisted of an inventory and analysis of the grave goods and associated artefacts, as well as a number of field studies providing an improved archaeological context of a megalithic group too often thought of only in terms of funerary monuments. Various traces of habitations, natural caves and unknown monoliths have been discovered in the context of these studies. An architectural study of the Hypogée du Castelet was also undertaken, and a new plan of the largest of the monuments, the Hypogée de Cordes was produced, transforming our vision of these monuments. This data has allowed us to propose, at the scale of individual monuments and of the sites more globally, an updated view of the composition of the funerary space of a major megalithic group, as well as to speculate on the nature of the interactions which contributed to the organization of this complex., Les hypogées d'Arles-Fontvieille sont reconnus parmi les plus remarquables du mégalithisme européen ou de Méditerranée occidentale du fait de leurs caractéristiques techniques originales, et des dimensions exceptionnelles de l'un d'entre eux. Un programme collectif de recherche a été engagé en 2013 pour préciser la connaissance de ces monuments renommés mais paradoxalement méconnus en raison du peu d'études de terrain dont ils ont fait l'objet depuis le 19e siècle. Ces recherches ont consisté en une reprise complète des séries de mobiliers, et en diverses interventions de terrain qui nous ont permis de mieux documenter les contextes archéologiques d'un secteur mégalithique trop souvent cristallisé sur les seuls monuments funéraires. Divers vestiges d'occupations, des grottes naturelles et des monolithes inédits ont été signalés dans ce cadre. Une étude architecturale de l'hypogée du Castelet a également été engagée, et un nouveau plan du grand hypogée de Cordes a été dressé, qui renouvellent la vision de ces monuments. Ces données nous permettent de proposer, à l'échelle de la tombe et à celle plus globale du site, une vision réactualisée des composantes de l'espace funéraire d'un ensemble mégalithique majeur, et de nous interroger sur la nature des interactions qui ont contribué à l'organisation de ce complexe. Mots-clefs

By the importance and diversity of its Quaternary sedimentary formations, the southern piedmont of the Grand Luberon is a laboratory for both Pleistocene and Postglacial landscape mutations in the Mediterranean area. The presence of pedogenic horizons in the Upper Pleistocene cryoclastic formations signs the impact of the different temperate interstadials of the last Pleniglacial and is a unique morphoclimatic testimony in Provence. On the basis of radiometric datings, geometry of the deposits and palaeoecological analyses performed on these peculiar formations, local morphogenetic rhythmicity are defined for the Upper Pleistocene. These results are then integrated into an original regional synthesis including Provence and a part of the Southern Alps. Soil horizons, loess, aeolian formations, alluvial terraces and travertines, as well as different paleoecological proxies, reinvite us to think about landscapes and palaeoenvironmental history of Southeastern France on the eve of Termination, Par l'importance et la diversité des formations sédimentaires quaternaires qui le composent, le piémont méridional du Grand Luberon est un véritable laboratoire des mutations paysagères pléistocènes et postglaciaires en domaine méditerranéen. La présence d'horizons pédogénétiques dans les glacis à gélifracts du Pléistocène supérieur signe l'impact des différents interstades tempérés du dernier pléniglaciaire et constitue un témoignage morphoclimatique unique en Provence. Sur la base des datations radiométriques, de la géométrie des dépôts et des analyses paléoécologiques réalisées sur ces formations atypiques, les rythmes locaux de la morpho-genèse sont définis pour le Pléistocène supérieur. Ces résultats sont ensuite intégrés dans une synthèse régionale originale incluant la Provence et une partie des Alpes du Sud. Horizons pédologiques, loess, formations éoliennes, séquences alluviales et travertineuses, de même que différents enregistrements paléoécologiques, nous réinvitent à réfléchir sur l'histoire, souvent avare de données, des paysages et des paléoenvironnements à la veille de la terminaison I dans le sud-est de la France.

Imaging spectrometer, Imaging spectro-photometer and high resolution spectrometer constitute the last generation of space instruments that strongly modified the study of planetary bodies. Such instruments allow us to follow the soil and atmospheric optical properties through space and time. The first objective of this Habilitation thesis is to propose some tools to analyze a huge amount of data in planetological perspectives. Three types of methods are introduced to examine the hyperspectral data acquired by OMEGA (Mars Express/ESA) and CRISM (Mars Reconnaissance Orbiter/NASA) instruments : (i) WAVANGLET, a fast detection algorithm based on wavelets to identify the presence of chemical species at the ground, (ii) BPSS, a blind source separation method that is able to detect chemical species without a priori, (iii) supervised unmixing algorithm using LinMin strategy. Also atmospheric correction methods, coupled to Bayesian inversion of photometric model, allow us to deal with the full CRISM photometric dataset. Finally, a method of micro-vibrations correction has been proposed in order to improve the quality of the PFS instrument (Mars Express/ESA) using semi-blind deconvolution.The Martian annual cycle of CO2 consists of an exchange between surface and atmosphere, which is particularly relevant in polar regions. During the polar night, atmospherical CO2 condensates at the ground, whereas it starts to sublimate again during the spring, when the solar light bring energy to the surface. This major climatic cycle has been identified in the 1960th but even today, the microphysic of interaction between surface and atmosphere is still unknown. Recent images at high spatial resolution (50 cm) from HiRISE (Mars Reconnaissance Orbiter/NASA) instrument show many active processes associated to sublimation. The second objective of this thesis is to build a model of the seasonal deposits sublimation, by simulating the mass balance but also by geomorphological and spectroscopic studies. Results show that the seasonal south polar cap sublimation is mainly controlled by its albedo. Further studies must determine the exact mechanisms in the origin of this albedo variability.The third objective of this thesis is to discuss the possibility of clathrate hydrate in the climatic history of Mars. A scenario, implying formation of clathrate hydrate of S and CO2 is examined in comparison with geomorphological clues of the Martian surface., L’étude de Mars a été profondément modifiée par les dernières générations d’instruments spatiaux : les spectro-imageurs, les spectro-imageurs-photomètres et les spectroscopes à haute résolution spectrale. Ils permettent un suivi spatial et temporel des propriétés optiques des sols et de l’atmosphère. Le premier objectif de cette thèse d’Habilitation à Diriger des Recherches est méthodologique et consiste à proposer des outils permettant de traiter la grande quantité de données afin d’aborder des probléma- tiques planétologiques. Plusieurs types d’outils d’analyse des images hyperspectrales, notamment celles produites par les instruments OMEGA (Mars Express/ESA) et CRISM (Mars Reconnaissance Orbiter/NASA), ont été proposés : (i) WAVANGLET, une méthode rapide de détection des corps chimiques au sol basée sur la transformée en ondelette, (ii) BPSS, une méthode de séparation de source en aveugle qui détecte des corps chimiques sans a priori, (iii) des méthodes de dé-mélanges linéaires supervisées rapides utilisant la stratégie LinMin. Aussi des outils de correction atmosphérique couplés à des mé- thodes d’inversion bayésienne de modèle photométrique de surface ont été développés pour l’instrument CRISM. Enfin, une méthode de correction des effets de vibrations par déconvolution semi-aveugle a été développée pour PFS (Mars Express/ESA).Les régions polaires de Mars sont le siège d’un cycle climatique annuel d’échange de CO2 entre atmosphère et surface. Pendant la nuit polaire, le CO2 atmosphérique se condense au sol, tandis qu’il se sublime à nouveau, dès les premiers rayons du soleil. Ce cycle a été mis à jour depuis les années 1960 mais aujourd’hui encore, la microphysique d’interaction surface/atmosphère demeure inconnue. Des observations d’imagerie à haute résolution spatiale (50 cm) par HiRISE (Mars Reconnaissance Orbiter/NASA) ont montré une multitude de phénomènes actifs associés à la sublimation. Le second objectif de cette thèse est d’établir un modèle de sublimation des dépôts saisonniers, à la fois par simulation du bilan de masse mais aussi par étude géomorphologique et spectroscopique. Les résultats montrent que la sublimation de la calotte saisonnière sud de Mars est contrôlée majoritairement par son albédo mais des travaux plus détaillés seront nécessaires pour déterminer les mécanismes à l’origine des variations d’albedo.Le troisième objectif de cette thèse est de discuter les implications de la présence de clathrate hydrate en surface dans l’histoire climatique de Mars. Un scénario impliquant la formation de clathrate hydrate mixte de soufre et CO2 est proposé au regard des traces géomorphologiques du paysage martien.

Il n’est pas évident de pouvoir parcourir de manière exhaustive le champ des recherches sur le Quaternaire d’un aussi bel et vaste espace géographique que celui de la Provence et des Alpes occidentales. A l’instar des paysages de cette région, ils y sont d’une richesse et d’une complexité rares. Il est également difficile d’énoncer l’ensemble des données fondatrices sur lesquelles reposent nos actuels travaux. Nous pouvons cependant saluer le caractère essentiel des nombreuses analyses paysag...

Dater la glace et les bulles d'air des calottes polaires est essentiel pour exploiter pleinement cette formidable archive paléoclimatique, qui nous permet de mieux cerner les mécanismes climatiques en général et le rôle des gaz à effet de serre en particulier. D'autre part, les observations d'âge, issues des carottages ou des instruments radars, permettent de contraindre le champ de vitesse de ces calottes et ainsi d'améliorer nos modèles numériques d'évolution des calottes polaires. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à différents aspects de l'âge.Sur le plan analytique, nous avons déterminé dans le cas 2.5D pseudo-stationnaire le lien entre champ de vitesse et champ d'âge, en explicitant notamment la pente des couches isochrones et la fonction d'amincissement vertical. Ceci a été fait en introduisant un système de coordonnées (π,θ) qui est par ailleurs très adapté pour la résolution numérique de l'équation de l'âge. Les résultats analytiques ont été vérifiés par des simulations numériques. Nous avons ensuite détaillé une méthodologie pour optimiser la chronologie des forages profonds, basée sur une conjonction statistique de modèles d'écoulement et d'observations de l'âge. Cette méthodologie a été utilisée pour construire les chronologies officielles de bon nombre de forages. Nous nous sommes également intéressés à la relation de phase entre variations d'insolation et variations climatiques lors des grandes déglaciations du dernier million d'années. Un modèle conceptuel a été développé et prédit un déphasage variable lié à l'ampleur de la glaciation précédente. La prédiction de ce modèle a été vérifiée par une datation précise de la carotte de Dome Fuji exploitant le rapport O₂/N₂ des bulles d'air. Enfin le décalage en profondeur entre glace et bulles d'air d'un même âge, le Δprofondeur, a été étudié. Nous avons mis en évidence une sur-estimation du Δprofondeur estimé jusqu'alors pour le forage EPICA Dome C lors de la dernière période glaciaire grâce à un modèle de densification de la neige en glace. Exploitant l'enregistrement en δ¹⁵N des bulles d'air qui est affecté par un enregistrement gravitationnel dans le névé, nous avons pu ré-estimer la profondeur de piégeage des gaz. Nous en avons déduit que les variations de CO₂ atmosphérique et les variations de la température Antarctique lors de la dernière période glaciaire étaient approximativement synchrones, remettant en cause des résultats précédents.

International audience

International audience; Goy Tepe, 291 where they are dated to the Neolithic. This similarity between the two periods contributes to the discussion on the heritage of Neolithic populations to Chalcolithic ones in our area. The main raw material used is bone. Quite often people extracted this material from domesticated animals (ovi-caprines) at hand, but large ruminants , wild or domesticated, were also used. The selections, probably oriented by technical advantages , are quite systematic: metapods of small ruminants for awls, scapulae of big mammals for shovels. The main characteristics of the tools demonstrate a will to produce in a quick but efficient way: quite often tools are made on plain bones only lightly shaped, while rapid techniques are frequently used (percussion, abrasion). Part of the blanks obtained by percussion are probably the result of a proper, well controlled débitage: the blanks are fairly long and regular. We cannot exclude that others, with more random shapes, were collected from kitchen wastes. As has been observed on grinding materials 292 and in several areas of the site, ochre is quite often attested on bone tools. It would be useful to analyse this red material found on stones and bones and to determine, through a joint study by specialists, its possible uses and the links between two industries. Similarly, the discovery of bone shovels that were possibly used to work the earth needs further cross studies and experimentations. Part IV: Studies concerning the three areas of the Middle Kura Valley Bertille Lyonnet and Barbara Helwing With this section of our work we enter into the studies dealing with the three geographic areas of the Middle Kura Valley. In this part of the project, our specialists study and compare the material culture, or the landscape and geomorphology of the three places in order to detect differences and similarities and the chronological development. This phase of our research is just at its very beginning, and most of the time it was possible to work on only two areas and not yet on all the collections. Nevertheless , the project gives a hint at the potential of such studies, which will aid in a better determination of the local cultures, of their local development, and of their relations between themselves and/or with other regions further away. We will first present the results concerning the general landscape and environmental conditions, and then comparative studies on the material culture.

Nitrate ions (NO3-) found in Antarctic snows stem from the degradation of nitrogen oxydes (NOx = NO + NO2) in the atmosphere. At sites with low snow accumulation rates such as Vostok or Dome C (East Antarctic plateau), nitrate deposition to the snow is not irreversible and this strongly hampers the interpretation of nitrate concentration records in ice cores. Nitrogen stable isotopic (δ15N) as high as +339‰ were measured in nitrate in the upper firn at Dome C and have been attributed to nitrate photolysis initiating a strong recycling at the snow surface. The oxygen isotopic anomaly (Δ17O) reflects the activity of ozone (O3) in nitrate formation. We present the first comprehensive isotopic analysis of nitrate (δ15N, Δ17O and δ18O) in a deep ice core. 64 samples of nitrate from the Vostok ice core have been analyzed and cover the last 150 000 years. This dataset has been completed with 313 samples recently collected in the atmosphere/surface hoar/snow continuum at Dome C as well as in several snowpits from various sites covering most of the East Antarctica. Those present-day samples are used to evaluate a conceptual model (named TRANSITS) developped during this PhD and which aims at representing nitrate recycling at the snow/atmosphere interface and at modelling its impact on the isotopic composition of the archived nitrate. High positive δ15N values measured in the Vostok ice core reveal that nitrate recycling has always occurred at the surface of the Antarctic plateau over this period. Past variations of the primary flux of nitrate to the Vostok site have been estimated using the TRANSITS model. They show that glacials are characterized by higher inputs which may be linked to a greater stratospheric denitrification. The Δ17O values indicate that intrusions of stratospheric air masses to the troposphere may have been more frequent in glacials thus incorporating significant amounts of stratospheric ozone to the lower atmosphere. Last, we suggest that this study may have some relevance to the coastal nitrogen budget in Antarctica and to the interpretation of ice cores retrieved from high accumulation sites (e.g. in Greenland)., L'ion nitrate (NO3-) présent dans les neiges Antarctiques est issus de l'oxydation des oxydes d'azote (NOx = NO + NO2) dans l'atmosphère. Aux sites de faible accumulation de neige tels que Vostok et Dôme C sur le plateau de l'Est de l'Antarctique, le nitrate n'est pas piégé de manière ultime dans la neige, ce qui limite fortement l'interprétation des enregistrements en nitrate dans les carottes de glace. Des mesures récentes de la composition isotopique en azote du nitrate (δ15N) montrent des valeurs extrêmement élevées (+339‰) dans les premiers décimètres de la neige de Dôme C. Ces valeurs ont été attribuées à la photolyse du nitrate et au recyclage important qui en résulte. Le nitrate possède, par ailleurs, une anomalie isotopique en oxygène (Δ17O) qui permet de tracer l'activité de l'ozone (O3) au cours de sa formation. Ce travail de thèse présente le premier enregistrement de la composition isotopique complète du nitrate (δ15N, Δ17O et δ18O) dans une carotte de glace : la carotte de glace de Vostok dont les 64 échantillons analysés couvrent une période de 150 000 ans. Ce jeu de données a été complété par 313 échantillons collectés entre 2007 et 2010 dans le continuum atmosphère/givre/neige au Dôme C ainsi que dans 21 puits de neige prélevés dans une zone couvrant l'essentiel de l'Est de l'Antarctique. L'analyse isotopique de ces échantillons modernes a permis de contraindre le modèle conceptuel TRANSITS développé au cours de cette thèse et dont le but est de représenter le recyclage du nitrate à l'interface entre l'atmosphère et la neige ainsi que son impact sur la composition isotopique du nitrate archivé. Les valeurs positives et élevées du δ15N du nitrate piégé dans la carotte de glace de Vostok montrent que le recyclage du nitrate a toujours eu lieu sur le plateau Antarctique au cours de la période étudiée. Les variations du flux primaire de nitrate reçu au site de Vostok estimées à l'aide du modèle TRANSITS montrent, en périodes glaciaires, un flux primaire plus important qui pourrait être lié à une dénitrification stratosphérique plus conséquente. Les valeurs de Δ17O du nitrate montrent que l'incursion d'ozone d'origine stratosphérique dans la troposphère était plus fréquente en périodes glaciaires. Nous proposons enfin que les résultats acquis dans le cadre de cette thèse pourraient permettre de mieux contraindre le cycle de l'azote sur la côte Antarctique et d'apporter des éléments d'interprétation des enregistrements en nitrate dans les carottes de glace de sites de plus forte accumulation de neige (au Groenland par exemple).

International audience; Le début du développement des systèmes travertineux holocènes du sud de la France était auparavant rattaché à la période du Préboréal, et l'accumulation carbonatée principale à « l'optimum bioclimatique atlantique ». La « mort » progressive puis le démantèlement des formations s'effectuaient entre le Néolithique et la Pax romana. De nouvelles recherches démontrent un démarrage beaucoup plus précoce de la travertinisa-tion dès le Tardiglaciaire. L'accumulation carbonatée perdure au Néolithique et ne s'interrompt réellement qu'au Petit Age Glaciaire. De nouvelles séquences plus complètes montrent l'importance du contexte géomorphologique dans la conservation des données stratigraphiques et leur représen-tativité. L'organisation des différents cycles sédimentaires au sein des formations travertineuses est précisée. Une définition des faciès carbonatés au regard des différentes caractéristiques des milieux de sédimentation est proposée. Des analyses paléoécologiques soulignent le caractère sensible des ensembles travertineux en fonction des modifications du biotope. Dès le Néolithique Final, dans un contexte d'augmentation des occupations humaines, les séquences enregistrent une série de ruptures. Ces perturbations sont accompagnées de changements de faciès et d'ouvertures fortes du milieu végétal mais ne modifient pas la tendance générale à la croissance des édifices. Ce n'est qu'entre le XIII ème et le XVII ème siècle après Jésus Christ que l'on note l'interruption de l'accumulation des travertins et le démantèlement des formations. C'est également dans le même intervalle que s'instaure la dynamique majeure d'incision linéaire des talwegs encore effective aujourd'hui. Mots clés : Travertin, Tardiglaciaire, Holocène, paléoécologie, Néolithique, incision linéaire historique, sud-est de la France. ABSTRACT POSTGLACIAL EVOLUTION OF TRAVERTINE ENVIRONMENTS IN THE FRENCH ALPS AND PROVENCE : NEW CHRONOLOGY, FACIES, AND MORPHOSEDIMENTARY DYNAMICS The beginning of the Holocene travertine system development in Southern France was formerly attributed to the Preboreal period and the main carbonated accumulation to the " bioclimatic atlantic optimum ". The progressive decline and the dismantlement occurred between the Neo-lithic and the end of Roman times. New research has shown the beginning of the travertine system development in the Lateglacial period. The car-bonated accumulation continued during the Neolithic and was only durably interrupted during the Little Ice Age. Newer complete stratigraphy has shown the importance of the geomorphological context in stratigraphical studies and their interpretation. The pattern of different sedimentary cycles within the travertinous formations became evident. Palaeo-ecological analyses undertaken have underlined the travertine sensitivity in accordance with biotope changes. Since the Final Neolithic, in the context of growing human occupation, ruptures in the travertine sequences have been recorded. These ruptures were accompanied by facies changing and strong vegetation opening in an ever growing travertine system. Between the XIIIth and the XVIIth century A.D., the decline and dismantlement of the travertine formations became noticeable. In the same way, the major final linear talweg incision was introduced in a morphogenic dynamic that is still happening today.

The substantial postglacial travertine formations recently found on the southern piedmont of the Grand Luberon contain numerous archeological remains, stratigraphically well isolated and linked to paleo-ecological (malacology, anthracology) data. The travertine sequences observed in several sections made downstream of the source of the Mirail (Peypin-d'Aigues) bear witness to local morphogenic evolution and may inform us about the possible relation between the organisation of of the morpho-sedimentary complexes and different phases of human occupation. The paleoenvironmental data gathered in the Verger site furnish us with an understanding of the evolution of the holocene landscape of the south Luberon. A test-pit undertaken on the Verger site in 2003 brought to light an occupation of the late Neolithic period. This constitutes a new documentary source relating to the end of the Neolithic in southeast France and particularly in the southern piedmont of the Grand Luberon., Les puissantes formations travertineuses postglaciaires récemment découvertes sur le piémont méridional du Grand Luberon contiennent de nombreux vestiges archéologiques, bien isolés en stratigraphie, associés à des données paléoécologiques (malacologie, anthracologie). Témoins de l'évolution morphogénique locale, les séquences travertineuses observées sur plusieurs coupes localisées en aval de la source du Mirail (Peypin-d'Aigues) nous renseignent sur les relations possibles entre l'organisation des complexes morpho-sédimentaires et les différentes phases d'occupation humaine. L'ensemble des données paléoenvironnementales récoltées sur la coupe du Verger permet d'appréhender l'évolution du paysage holocène du sud Luberon. Un sondage archéologique, réalisé en 2003 sur le site du Verger, a permis de mettre en évidence une occupation du Néolithique fi nal. Celle-ci représente une source documentaire nouvelle concernant la fi n du Néolithique dans le Sud-Est de la France, particulièrement pour le piémont méridional du Grand Luberon.

In 2003 a prehistoric site was discovered at an altitude of 1 800 m in the district of Angeghakot in the valley of the Vorotan (south-eastern Armenia) by an Armenian-French multidisciplinary team. This site provides evidence for the presence of hunter-gatherers in the region during the Middle Palaeolithic. The lithic industry collected on the surface, mainly obsidian, has been identified as belonging to the Mousterian facies typical of the “Zagros-Taurus”, consisting of numerous Mousterian points, “Yerevan points”, microlithic tools, and the presence of the “truncating-facetting” technique. These recent data raise questions about the variability of facies in the Lesser Caucasus and allow us to draw a much larger distribution map of the sites where microlithic industries and resharpened points are present. Angeghakot 1, located on a cultural crossroads between Asia Minor, the Near East and Europe, raises questions related to the existence of a real Caucasian cultural system; it represents a local economic variant in the exploitation of obsidian, strongly linked to the environmental constraints which existed in these mountain ranges at the end of the Pleistocene., Résumé: Au Caucase, dans la vallée du Vorotan (sud-est de l’Arménie), la découverte en 2003 par une équipe pluridisciplinaire arméno-française d’un gisement situé à 1 800 m d’altitude dans la commune d’Angeghakot, atteste la fréquentation de la région par des groupes de chasseurs-cueilleurs au Paléolithique moyen. L’industrie lithique, élaborée principalement sur l’obsidienne et récoltée en surface, a permis d’identifier le faciès moustérien typique du «Zagros-Taurus» composé de nombreuses pointes moustériennes, de pointes d’Erevan, d’outils microlithiques et la présence de la technique de «troncature-facettage». Ces nouvelles données soulèvent des questions sur la variabilité des faciès du Petit Caucase. Elles permettent l’élaboration d’une carte de distribution plus vaste de ces sites qui se distinguent par leurs industries microlithiques et leurs pointes réaffûtées. Angeghakot 1, situé au carrefour des cultures d’Asie mineure, du Proche-Orient et de l’Europe, contribue également à poser la question de l’existence d’un système culturel caucasien, sous la forme d’une variante économique locale de l’exploitation de l’obsidienne, fortement liée aux contraintes environnementales présentes dans les chaînes de montagnes à la fin du Pléistocène., Liagre Jérémie,Gasparyan Boris,Ollivier Vincent,Nahapetyan SamvelLiagre Jérémie, Gasparyan Boris, Ollivier Vincent, Nahapetyan Samvel. Angeghakot 1 (Armenia) and the identification of the Mousterian cultural facies of « Yerevan points » type in the Southern Caucasus. In: Paléorient, 2006, vol. 32, n°1. pp. 5-18.

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Extracted air from polar ices of Greenland and Antarctica constitute a real archive of the past atmospheres of our planet. The aim of this study was to understand the carbon fluxes under natural atmosphere in order to examine the future carbon cycle under anthropogenic atmosphere from the analyses of CO2 and CH4 atmospheric concentrations during the Holocene (the last 10,000 yBP). These results were analysed in the light of a three-box atmospheric model of methane. We estimated the\ nterpolar gradient then the relative contribution of methane sources in low and middle-high northem latitudes during the Holocene. Thanks to comparisons between temporal evolution of these sources, and paleoclimatic reconstructions based on continental and marine records, as weil as climatic models coupling atmosphere ocean vegetation systems, methane variations were attribuled to latitudinal variations in sources distribution. These CH4 changes allowed us to constrain the possible effects of each carbon reservoir on CO2 variations during the same period. The major conclusion of this work is that the ocean have played a key role and have initiated CO2 changes while continental biosphere could have played a regulator role, L'air extrait des glaces polaires du Groenland et d'Antarctique constitue une véritable archive des atmosphères passées de notre planète. L'objectif de cette étude était de comprendre les échanges de carbone en atmosphère naturelle et, à terme appréhender le cycle du carbone futur en atmosphère anthropisée, à partir de l'analyse des teneurs atmosphériques en dioxyde de carbone et méthane au cours de l'Holocène (les derniers 10000 ans). Afin d'interpréter ces profils obtenus dans la glace, nous avons utilisé un modèle atmosphérique du méthane à trois boîtes. Nous avons pu ainsi estimer le gradient interpolaire puis la part relative des sources de CH4 dans les basses latitudes ainsi qu'aux moyennes et hautes latitudes nord au cours de l'Holocène. En comparant l'évolution temporelle de ces sources aux reconstructions paléoclimatiques obtenues sur des enregistrements continentaux (carottes sédimentaires et lacustres) et marins, ainsi qu'à des simulations de modèles climatiques couplant l'atmosphère, l'océan et la biosphère, nous avons pu attribuer les variations de CH4 aux variations de distribution en latitude des sources potentielles de ce gaz. L'étude des variations de CH4 a ainsi permis de contraindre les effets possibles de chacun des réservoirs de carbone sur les variations de CO2 sur la même période. Nous concluons que le rôle de l'océan semble avoir été prépondérant et avoir initié les variations du CO2 sur les 10000 dernières années, tandis que la biosphère continentale pourrait avoir joué un rôle de régulateur .

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The earth's climatic system consists in several components which strongly interact (atmosphere, ice sheets, oceans, lithosphere and biosphere). Numerical modelling is one among the appropriate tools for studying these interactions. In this work, Antarctic ice sheet evolution is modelled. For this we use a 3D model developped at the Laboratoire de Glaciologie et Geophysique de l'Environnement which takes into account thermomechanical coupling between velocities and temperatures in ice and specifi c case of ice-shelfs First the model was improved on many points like deformation law, friction law under ice-streams, heat deformation, basal melting parametrisation under ice-shelves and numeric modifi cations. Di fferent simulations indicate that the ice sheet behaviour is asymmetric during glaciation or deglaciation. We validate all the model modi cations with a simulation of the last four climatic cycles. Simulations for futur show a negligible contribution for the next centuries which becomes important on the longer term. Results are founds to be very sensitives to bedrock map. Finally, model resolution has been changed from 40 km to 20 km and allow to take into account ner bedrock structures., Le système climatique terrestre est forme de plusieurs composantes qui interagissent étroitement (océans, atmosphère, calottes de glace, biosphère et lithosphère). La modélisation numérique permet d' étudier ces interactions. Dans ce travail, nous avons modélisé l' évolution de la calotte de glace Antarctique, le plus grand réservoir d'eau douce sur Terre. Nous avons utilisé le modèle 3D développé au LGGE. Il tient compte du couplage thermomécanique entre les vitesses et les températures dans la glace et de l' écoulement spécifique de la glace flottante. Le modèle a été amélioré sur plusieurs points : la loi de déformation de la glace, la loi de frottement sous les fleuves de glace, le calcul de la chaleur de déformation et la paramétrisation de la fusion sous les plates-formes de glace flottante. De plus, des modifications numériques ont été apportées. Différentes expériences ont montré une grande asymétrie de comportement de la calotte en englacement et déglacement. Une simulation des quatre derniers cycles glaciaires-interglaciaires a permis de valider les modifications effectuées sur le modèle. Les résultats indiquent que, dans le futur, la contribution de l'Antarctique à l'augmentation du niveau des mers pour les prochains siècles devrait être négligeable, puis s'accentuer ensuite. Nous avons aussi montré la forte sensibilité des résultats à la carte de socle utilisée en entrée du modèle. Enfin, la résolution du modèle a été augment ée en passant d'une maille de 40 km à 20 km, ce qui permet de mieux prendre en compte les structures fines de la topographie.

The aim of this study is to bring new elements concerning the astronomical theory of paleoclimates using two tools : glaciological dating of polar ice cores using an inverse method and conceptual models of paleoclimate. We show how an inverse method applied to the glaciological dating model enables us to obtain an optimal chronology and to analyse its uncertainties. It is not possible to obtain a chronology for Vostok that satisfies all chronological constraints, probably because of our poor knowledge of the conditions along the ice flow line, upstream of Vostok. The chronologies for Dome C and Dome F are coherent with the constraints, meaning that the simple glaciological model used in the case of a dome is adequate. The Dome F case allows us to show that the Devils Hole record is probably biased by local conditions, and suggest that the phase relationship between insolation and Antarctic temperature is roughly constant. We also confirm that thinning is more important in the upper part of the ice sheet for a dome than for the rest of the flow line. Moreover, we suggest that estimates of the accumulation during glacial periods based on saturation vapour pressure and spatial isotope−surface temperature relationships are overestimated by ~30%. The conceptual model we developed yields a description of the sea level variations during the Quaternary as a response to the insolation forcing. We show that sea level variations can be explained with a conceptual model forced by insolation changes. In particular, we justify why the most important sea level transitions occurred when insolation changes were the weakest. Moreover, we show that small insolation−climate phase variations during deglaciations are compatibles with the astronomical theory of paleoclimate., L'objectif de cette thèse est d'apporter des éléments nouveaux concernant la théorie astronomique des paléoclimats au travers de deux outils : la datation glaciologique des forages polaires grâce à une méthode inverse et les modèles conceptuels de climat. Concernant la datation des forages polaires, nous montrons l'intérêt d'appliquer une méthode inverse au modèle de datation glaciologique pour obtenir une chronologie optimale et en analyser les incertitudes. Pour Vostok, il n'est pas possible d'obtenir une chronologie qui satisfasse toutes les informations chronologiques, probablement à cause d'une méconnaissance des conditions en amont de la ligne d'écoulement. Les chronologies pour Dôme C et Dôme F sont cohérentes avec les contraintes, ce qui signifie que le modèle glaciologique simple utilisé pour ces dômes est adéquate. Le cas de Dôme F nous permet de montrer que l'enregistrement de Devils Hole est probablement biaisé par des conditions locales et suggère que les déphasages entre insolation et température Antarctique sont grossièrement constants dans le temps. Nous confirmons par ailleurs que l'amincissement est plus fort dans le haut du glacier dans le cas d'un dôme que pour le reste de la ligne d'écoulement. Nous suggérons de plus que l'estimation de l'accumulation des périodes glaciaires par la relation de pression de vapeur saturante associée à la relation spatiale isotope−température de surface est surestimée d'environ 30%. Le modèle conceptuel que nous avons développé nous permet de décrire les variations de niveau des mers du Quaternaire en tant que réponse au forçage de l'insolation. En particulier, nous justifions pourquoi les transitions les plus importantes de niveau des mers ont eu lieu lorsque les changements d'insolation étaient les plus faibles. De plus, nous montrons que des variations faibles de déphasage insolation−climat lors des déglaciations sont compatibles avec la théorie astronomique.

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The variations of the metabolism of the glaciers and the polar ice sheets reflect the climate fluctuations. On the yearly time scale, these fluctuations result in variations of the mass balance of the glacier. The bibliographical search of mass balance series produced some 60 long series of measurements on glaciers, distributed on the different mountainous ranges of the north hemisphere and some 60 sites on the Greenland ice sheet. From this data set, a statistical analysis made it possible to determine the spatial and temporal distribution of the series, as well as to better understand the relation glacier-climate for various scales ranging from that of a glacier , to that of a massif or a continent. On the glacier, the history of balances can be sometimes very different from one point to the other because of the difference in sensibility of the balance versus height. This study outlines the disparities linked to the accumulation data. Linear mass balance model distribution along altitude is seldom adapted to describe mass balance variations on a glacier. On the other hand, coherence between different series can be sometimes very high when comparing glaciers mass balance inside a mountainous area as the Alps or Scandinavia. The similarities however are dependent on the period examined, probably because of the more important role of the winter accumulation. On other mountainous area such as the western Cordillera of North America or the Greenland accumulation area, mass balance coherence are not so pronounced even though distances are smaller than those of the two previous cases. For this last one, analyses show that it is difficult to identify a coherent annual signal among the measurement noise. In order to detail glacier responses to past and present climate variations, meteorological data and North Atlantic Oscillation are finally examined in relation to mass balance fluctuations. Temperature, precipitation and mass balance changes on the north Atlantic area seem to be linked to decenal fluctuations of the North Atlantic Oscillation system (NAO)., Les variations du métabolisme des glaciers ou des calottes polaires reflètent les fluctuations du climat. A l'échelle de l'année, ces fluctuations sont traduites par des variations du bilan de masse du glacier. L'inventaire complet des séries de bilans de masse glaciaires représente environ 60 glaciers repartis dans différents massifs de l'hémisphère nord et 60 points de mesure au Groenland. Ces séries couvrent essentiellement la deuxième moitié du vingtième siècle. A partir de cet ensemble de données, une analyse statistique a permis de déterminer la distribution spatiale et temporelle des séries, ainsi que de mieux comprendre la relation glacier-climat aux différentes échelles, depuis celle d'un glacier, jusqu'à celle d'un massif ou d'un continent. Sur le glacier, l'évolution des bilans peut être parfois très différente d'un point à l'autre à cause de la sensibilité variable du bilan aux fluctuations climatiques selon l'altitude. Cette étude met en évidence les disparités liées essentiellement aux données d'accumulation hivernale et aux mesures en zone d'accumulation. Elle montre les limites d'un modèle linéaire de variation pour décrire l'histoire des bilans annuels sur un glacier. En revanche, la cohérence des différents glaciers entre eux peut être très forte si l'on passe à l'échelle du massif. C'est le cas dans les Alpes et en Scandinavie, même si certaines périodes montrent de très fortes inhomogénéités de variations, probablement liées au rôle plus important de l'accumulation hivernale dans l'explication du bilan. Cette cohérence disparaît cependant pour d'autres massifs parfois moins étendus comme les glaciers américains ou la zone d'accumulation du Groenland. Pour cette dernière, les analyses montrent qu'il est difficile d'extraire un signal annuel cohérent distinct du bruit de mesure. Enfin, l'étude des données météorologiques et de l'Oscillation Nord Atlantique permet de détailler les réponses des bilans aux sollicitations climatiques sur les dernières décennies. Il semble que les modifications des caractéristiques des températures et des précipitations sur le bassin Atlantique (et par conséquent, les variations des bilans des glaciers bordant ce bassin) sont assez fortement reliées aux changements décennaux de l'Oscillation Nord Atlantique (NAO).

The 420 000-year climatic and atmospheric record represented by the Vostok ice core, gives a unique opportunity to reconstruct evolution of atmospheric carbon dioxide (CO2) content for the last 4 glacial- interglacial cycles. The atmospheric significance of CO2 deduced from the Vostok core is discussed taking into account physical processes likely to alter information and measurements of O2/N2 ratio developed in this work. We also compare Vostok CO2 record with ones from other Antarctic ice cores. We show that atmospheric CO2 content for the interglacial stages is 280-300 ppmv (part per million by volume), until anthropogenic disturbance, whereas CO2 concentration into the atmosphere is about 180 ppmv during glacials. These variations parallel those of Antarctic temperature, which have amplitude of about 10°C. Reasons of climatic changes are still poorly understood. By comparing variations of CO2 with regard to those of high North latitude temperatures, sea level and dust concentration in Vostok ice, this work points out the causality links between these parameters. Comparing Vostok with other climatic records (from the North or marine ones), we propose mechanisms able to explain glacial to interglacial changes of atmospheric CO2 content and able to link the events characterising climatic oscillations. This work stresses on the major role of the Southern Hemisphere and particularly that of sea-ice in Southern Ocean., Les 420 000 ans d'archives du climat et de la composition de l'atmosphère, constituées par la carotte de Vostok, offrent la possibilité unique de reconstruire l'évolution de la teneur en dioxyde de carbone (CO2) de l'atmosphère au cours des 4 derniers cycles glaciaireinterglaciaires. La représentativité atmosphérique de la teneur en CO2 de cette carotte est discutée en tenant compte des processus physiques susceptibles d'altérer l'information et de la mesure du rapport O2/N2 mise au point au cours de ce travail. La représentativité de l'enregistrement CO2 de Vostok est aussi discutée à partir de sa comparaison avec différents enregistrements glaciaires antarctiques. On constate que la teneur en CO2 de l'atmosphère pendant les interglaciaires est de 280 à 300 ppmv (partie par million en volume) hors de l'influence anthropique, alors que la concentration caractérisant les périodes glaciaires est d'environ 180 ppmv. Ces variations sont à mettre en parallèle à celles de la température en Antarctique qui présente des oscillations d'environ 10°C. Les causes des changements climatiques sont encore mal comprises. En comparant l'évolution temporelle du CO2 à celle des températures aux hautes latitudes Sud et Nord, du niveau des mers et de la quantité de poussières continentales parvenant à Vostok, ce travail met en évidence des liens de causalité possibles entre les variations de ces différentes paramètres. Par confrontation avec d'autres enregistrements climatiques (Groenland, enregistrements marins), nous proposons également des mécanismes susceptibles d'expliquer les changements glaciaire-interglaciaires de la teneur en CO2 de l'atmosphère, ainsi que l'enchaînement des évènements caractérisant les oscillations climatiques. Il ressort de cette étude que le rôle de l'hémisphère Sud semble prépondérant et que l'étendue de la glace de mer, en Atlantique Sud en particulier, pourrait jouer un rôle clef dans la genèse des changements climatiques glaciaire- interglaciaires.

Tropical glaciers are known to be very sensitive climatic indicators. To link the fluctuations of their mass baIance to climate changes, we have realised a surface energy balance on Zongo Glacier (16°S), Bolivia, between march 96 and august 98. This work presents firstly, the methods used to derive the local energy balance on this glacier, and secondly, the interest of such a study to better understand the functioning of the glacier and its relation with the local climate. In the first part, a detailed description of the local climate is made from the records of several automatic meteorological stations installed on Zongo Glacier. Tropical glaciers are submitted to air temperature and incident solar radiation very little variable throughout the year, although the discharge of the proglacial stream escaping from the glacier is highly seasonal. To understand which energy fluxes are responsible for the seasonality of the surface melting on the glacier, we have calculated the energy balance on a point of the ablation area, at 5150 m. The energy balance shows a special functioning of tropical glaciers. Like for the glaciers of higher latitudes, the albedo is a very important parameter controlling the amount of energy available for surface melting. But the main peculiarity of these glaciers comes from the strong consumption of energy as latent heat flux, which corresponds to high sublimation. Moreover, the latent heat flux is very variable with seasons which explains the seasonality of the proglacial stream discharge. Indeed, during the dry season, sublimation is the highest and therefore, very little energy remains for melting explaining why discharge is low. The reverse situation is observed during the humid season. On the time scale of the entire measuring period, the very negative mass balance of the 1997-98 El Nino year is mainly explained by a deficit of precipitation, responsible for a sharp decrease of the mean annuai albedo. The reduced snow cover of the 1997-98 accumulation season has disappeared faster than during the previous year, leaving dirty ice surfaces of very low albedo on larger areas than usually, and during a longer period. Moreover, higher sensible heat flux and lower sublimation have both contributed to increase the surface melting which also reduced glacier mass balance., Les glaciers tropicaux sont des indicateurs climatiques très sensibles. Pour relier les fluctuations de leur bilan de masse aux changements climatiques, nous avons réalisé un bilan d'énergie à la surface du Glacier Zongo (16°S), en Bolivie, entre mars 96 et août 98. Cette thèse présente, d'une part les méthodes employées pour obtenir le cycle annuel du bilan d'énergie ponctuel, et d'autre part l'intérêt de cette étude pour la compréhension du fonctionnement du glacier et sa relation avec la climatologie locale. Dans la première partie, nous nous attachons à décrire les conditions climatiques régnant sur ce glacier, à partir des enregistrements des stations météorologiques installées sur le Glacier Zongo. Les glaciers tropicaux sont soumis à des températures et des radiations solaires incidentes peu variables au cours de l'année, alors que le débit du torrent émissaire est très saisonnier. Pour comprendre quels sont les flux d'énergie responsables de la saisonnalité de la fusion en surface du glacier, nous avons dressé le bilan d'énergie en un point du glacier, dans la zone d'ablation, à 5150 m d'altitude. Ce bilan d'énergie traduit un métabolisme propre aux glaciers tropicaux. L'albédo est le paramètre essentiel qui contrôle la quantité d'énergie disponible pour la fusion en surface du glacier. La particularité fondamentale de ces glaciers réside en la très forte consommation d'énergie sous forme de chaleur latente (ce qui se traduit par une sublimation élevée). En outre, le flux de chaleur latente présente une saisonnalité marquée à l'origine du régime hydrologique du torrent qui s'échappe du glacier. En effet, en saison sèche, la sublimation est maximale et il reste peu d'énergie pour la fusion d'où le faible débit du torrent émissaire. La situation opposée se produit en saison humide. À l'échelle de l'ensemble de la période étudiée, le bilan de masse nettement déficitaire de l'année El Nino 1997-98 s'explique surtout par un déficit de précipitations, responsable d'une chute de l'albédo moyen annuel. Le manteau neigeux réduit lors de la saison d'accumulation 1997-98 a disparu plus vite que celui de l'année précédente, laissant affleurer une surface de glace sale, d'albédo faible, pendant une période plus longue. De plus, la chaleur sensible plus élevée et la sublimation réduite ont aussi contribué à augmenter la fusion superficielle, diminuant ainsi le bilan de masse du glacier.