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Datation fédérative des forages polaires profonds et implications sur la compréhension des mécanismes climatiques
No full textLes données paléoclimatiques fournissent des estimations empiriques des changements climatiques pré-anthropiques à des échelles de temps variées. Elles ont documenté des réchauffements globaux de la Terre (+5 à 10°C) se déroulant sur des milliers d'années tous les ~100 000 ans au cours du dernier million d'années, les déglaciations. Ces transitions sont particulièrement intéressantes pour les projections climatiques, car elles permettent d'estimer le taux de fonte des calottes glaciaires. Les données paléoclimatiques témoignent aussi d'événements plus rapides (quelques décennies), les "points de bascule", qui indiquent que le système climatique peut être déstabilisé significativement.Les forages polaires sont uniques car ils fournissent une mesure directe de la composition atmosphérique passée et permettent la reconstruction du climat local. Mon doctorat s'est concentré sur le forage EPICA Dome C (EDC) en Antarctique de l'Est, qui fournit le plus long enregistrement continu à ce jour. Il documente les changements climatiques qui se sont produits à l'échelle de quelques décennies à plusieurs milliers d'années au cours des derniers 800 000 ans. Alors que les isotopes de l'eau mesurés dans les archives glaciaires sont classiquement utilisés pour déduire les variations passées de la température et de précipitation locales, nous montrons que le δ¹⁵N de N2 mesuré dans les bulles d'air piégées dans la glace peut être utilisé de façon complémentaire. En effet, le δ¹⁵N de N2 reflète la profondeur de piégeage des bulles dans la glace, elle-même déterminée par la température et le taux d'accumulation de neige à la surface. Un nouvel enregistrement de δ¹⁵N de N2 est présenté. Il permet d'identifier précisément le phasage entre le CO₂ atmosphérique et le climat de l'Antarctique au cours des huit dernières déglaciations. Deuxièmement, j'ai développé une chronologie cohérente pour quatre forages situés en Antarctique et un forage au Groënland, couvrant les 800 000 dernières années. Cette chronologie a été construite à l'aide du modèle probabiliste Paleochrono-1.1 et est contrainte par de nouvelles mesures faites sur le forage EDC et par des données issues de modélisation glaciologique. L'incertitude de l'échelle d'âge d'EDC est réduite de 1700 à 900 ans en moyenne. La chronologie révisée est en meilleur accord avec des chronologies absolues obtenues de manière indépendante pour d'autres paléo-archives.Enfin, une méthodologie est proposée pour construire des chronologies cohérentes, relatives et absolues pour les archives marines et glaciaires au cours des sept dernières déglaciations. Elle permet d'identifier de manière plus précise l'ordre dans lequel se produisent les changements relatifs de l'insolation, de concentration atmosphérique en gaz à effet de serre, du niveau de la mer et des températures régionales lors des déglaciations. Dans une étude préliminaire, nous avons identifié une avance de quelques milliers d'années du CO2 sur le niveau marin lors des déglaciations. Des perspectives de recherche sont proposées pour atteindre une meilleure compréhension des relations de cause à effet entre le forçage externe et la réponse interne du climat.Mon travail de thèse a combiné la modélisation glaciologique et statistique, l'analyse expérimentale de l'air piégé dans la carotte de glace EDC ainsi que l'analyse de données paléoclimatiques issues d'archives polaires, de carottes sédimentaires marines et de spéléothèmes. Mes recherches contribuent à l'amélioration (i) des reconstructions climatiques à partir des forages polaires et (ii) des chronologies des forages polaires et marins. Ces avancées sont essentielles pour mieux comprendre la réponse du climat à un forçage externe lors des changements climatiques de grande amplitude, ce qui est essentiel pour prévoir les changements climatiques à venir.It is possible to gain insights from past climate natural variability in order to constrain the response of the climate system to change in the external forcing and future projections. Paleoclimate data provide empirical estimates of pre-anthropic large-scale climate change across a range of timescales, including the long timescales (several thousand years) associated with the glacial-interglacial transitions of great amplitude that affected Earth's climate every ~100 thousand years over the past million years. This is of particular interest for climatic projections, as it may allow for the estimation of the rate of ice cap melting. Furthermore, paleoclimate data can be employed to investigate "tipping point" events, which show the potential for rapid (over a few decades) and significant instabilities in the climate system. Among the paleo archives, deep polar ice cores are distinctive in that they offer direct records of ancient global atmospheric composition in greenhouse gases and documented past local changes in snowfall and temperature. My PhD focused on the EPICA Dome C (EDC) drilling site in East Antarctica which provides the oldest continuous ice core record so far. It documents climate change that occurred over a wide range of timescales (from a few decades to several thousands of years) over the past 800,000 years. While water isotopes are classically used to infer past temperature and accumulation rate when measured in ice cores, we show that δ¹⁵N of N2 measured in air bubbles trapped in ice core can be a complementary tool. δ¹⁵N of N2 indeed reflects the depth of bubble enclosure in the ice sheet, itself driven by surface temperature and snow accumulation rate at surface. A new record of δ¹⁵N of N2 over the last 800 kyr is presented and provides an accurate identification of the lead-lag relationship between atmospheric CO₂ and Antarctic climate over deglaciations. Secondly, I developed a precise, coherent timescale for five deep polar ice cores, spanning the past 800,000 years, known as the Antarctic Ice Core Chronology (AICC) 2023. This timescale is built using the probabilistic dating model Paleochrono-1.1 and constrained by new EDC measurements and glaciological modeling outputs. This permitted to reduce the average uncertainty of the EDC age scale from 1,700 to 900 years. The revised chronology aligns better with independent and absolute chronologies of other paleo archives.Furthermore, we proposed a methodology for constructing coherent, relative, and absolute chronologies for marine and glacial archives over past glacial-interglacial cycles. Evaluating the sensitivity of the coherent chronology to dating methodologies produced robust error bars, aiding in the precise identification of climatic event sequences (e.g. relative timing of changes in insolation, atmospheric greenhouse gases, global sea level, and regional temperatures) during glacial-interglacial transitions. In a preliminary study, we identify a few-year lead of atmospheric CO2 with respect to sea level in six of the seven latest deglaciations. Further research is needed to study the implications of such chronologies to understand the causal relationships between external forcing and the climate's internal response.My approach combined glaciological and statistical modeling with an experimental analysis of air trapped in EDC ice core and a data analysis of various paleo records from polar ice cores, marine sedimentary cores and speleothems. My research contributes significantly to improving climate reconstructions from ice cores, reducing dating uncertainties, and developing coherent chronological frameworks. These advancements enhance our understanding of the climate's response to an external forcing and of the interactions between different Earth System components during glacial-interglacial transitions
VARIABILITÉ CLIMATIQUE RAPIDE EN ATLANTIQUE NORD : L'APPORT DES ISOTOPES DE L'AIR PIÉGÉ DANS LA GLACE DU GROENLAND
No full textMme Dorthe Dahl-Jensen, examinatrice, M. Jean Jouzel, directeur de these, M. Hervé Letreut, examinateur, Mme Valérie Masson-Delmotte, Co-directrice de thèse M. Dominique Raynaud, rapporteur M. Alain Saliot, president du jury M. Jakob Schwander, rapporteurThe water isotopes records from Greenland ice cores depict a succession of rapid warmings (Dansgaard-Oeschger) during the last glacial period. The records corresponding to the last interglacial and the glacial inception suggest as well a highly variable climate. We use here a recently developed method to perform isotopic measurements of the air trapped in the ice (N2, O2 and Ar) combined to firn modelling to (i) separate the true climatic variability from ice stratigraphic disturbance, (ii) quantify the temperature changes in Greenland during Dansgaard-Oeschger events and the glacial inception, and (iii) give a phasing between Greenland temperature evolution and other climatic parameters (Greenhouse gases concentration, ice sheet volume, vegetation, other latitude temperature). We first define the limits and precautions associated to the method. On the one hand, the isotopic composition of trapped oxygen can only be performed on ice conserved below -25°C to have a high precision. On the other hand, firn studies have enabled us to improve its description and modelling. However, even if we better understand the firn dynamic, uncertainties remain on the surface parameters (temperature, accumulation rate). The climatic interpretation of nitrogen and argon isotopes in Antarctica ice cores must consequently remains cautious as we show it on a deglaciation. We then essentially concentrate on Greenland (GRIP and NorthGRIP ice cores). The combination of air isotopes (nitrogen, argon, oxygen), water isotopes (oxygen, hydrogen) and a powerful firn model enables us to reconstruct the surface temperature evolution and to get rid of any bias due to the hydrological cycle in North Atlantic (the water isotopes can not be used as a quantitative paleothermometer). The amplitude of rapid warmings during the last glacial period is up to 16°C in ~100 years. The Greenland temperature over the Dansgaard-Oeschger events is less stable than initially suggested by the water isotopes hence highlighting the strong amplification of the thermohaline circulation variations by the atmosphere processes. Because of ice mixing, the GRIP ice core fails in giving a continuous record of the last interglacial period. The combination of oxygen isotopes and methane in the air trapped in the ice permits us to reconstruct a discontinuous sequence for the last interglacial in central Greenland. The temperature was 5°C warmer than today but ice was still there. The new NorthGRIP ice core contains ice from the last interglacial too. We show that NorthGRIP depicts the first Greenland continuous record for the glacial inception (the deepest part of the ice core can be dated to the middle of the last interglacial with ice volume minimum). The rapid climatic variability is first restricted to North Atlantic during a first Dansgaard-Oeschger event (DO event 25). When the ice volume is up to a certain threshold (~one third of the last glacial maximum/today difference), the second event depicts the classical signature of the Dansgaard-Oeschger events over the glacial period.Les mesures isotopiques de la glace montrent une succession de réchauffements rapides (Dansgaard-Oeschger) pendant la dernière période glaciaire au Groenland. Ils suggèrent aussi une grande variabilité climatique du dernier interglaciaire et de l'entrée en glaciation. Notre travail s'est appuyé sur les développements récents des mesures isotopiques de l'air piégé dans la glace (N2, O2 et Ar) et de la modélisation du névé pour (i) distinguer la variabilité climatique rapide réelle des artéfacts d'écoulement de la glace, (ii) quantifier l'évolution de température au-dessus du Groenland pendant les événements rapides de la dernière période glaciaire et de l'entrée en glaciation, et (iii) étudier les relations de phase entre la dynamique de la température au Groenland et d'autres acteurs du système climatique (teneur en gaz à effet de serre, volume des calottes de glace, végétation, température aux autres latitudes). Nous nous sommes d'abord attachés à définir les limites et précautions associées à la méthode. D'une part, l'analyse isotopique de l'oxygène piégé ne peut être effectuée que sur de la glace de bonne qualité, conservée à -25°C. D'autre part, un ensemble d'études de névé ont permis d'affiner sa représentation et sa modélisation. Malgré la compréhension accrue de la physique du névé, nous montrons, à partir d'une étude de la déglaciation, que des incertitudes sur les caractéristiques de surface (taux d'accumulation, température) limitent l'interprétation climatique actuelle des isotopes de l'azote et de l'argon en Antarctique. La majeure partie de cette thèse est axée sur le Groenland (carottes de GRIP et NorthGRIP). En exploitant conjointement les isotopes de l'air (de l'azote, de l'argon et de l'oxygène), les isotopes de l'eau (de l'oxygène et de l'hydrogène) et un modèle performant de névé, nous pouvons reconstruire le scénario de température en surface du Groenland en éliminant les biais, liés au cycle hydrologique en Atlantique Nord, qui affectent l'interprétation conventionnelle des isotopes de l'eau comme paléothermomètre. Les réchauffements rapides en période glaciaire atteignent jusqu'à 16°C en une centaine d'années. La température au Groenland pendant les événements de Dansgaard-Oeschger se révèle moins stable qu'initialement interprétée d'après les isotopes de l'eau suggérant un lien fort avec l'intensité de la circulation thermohaline via l'atmosphère. A cause d'un mélange de glace, la carotte de GRIP ne permet pas de donner un enregistrement de la dernière période interglaciaire. Néanmoins, l'utilisation conjointe des isotopes de l'oxygène atmosphérique et du méthane piégés dans la glace permet de proposer une séquence discontinue pour le dernier interglaciaire au centre du Groenland. La température y était de 5°C plus importante qu'aujourd'hui mais la glace couvrait encore le centre du Groenland. Le nouveau carottage de NorthGRIP a permis d'obtenir à nouveau de la glace du dernier interglaciaire. Nous montrons que NorthGRIP donne le premier enregistrement continu de l'entrée en glaciation au Groenland et que la glace la plus profonde correspond au milieu du dernier interglaciaire (minimum de volume des glaces). La variabilité climatique rapide est d'abord restreinte à l'Atlantique Nord pendant un premier événement de Dansgaard-Oeschger (DO 25). Dès que le volume des glaces atteint un certain seuil (~ tiers de la différence entre le dernier maximum glaciaire et l'actuel), le deuxième événement de Dansgaard-Oeschger porte la signature typique des événements ponctuant l'ensemble de la période glaciaire
Optical feedback stabilized laser cavity ring down spectroscopy: From saturated spectroscopy to isotopic ratio
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Previous issue date: 6Optical feedback frequency stabilized cavity ring-down spectroscopy is a very high resolution (sub kHz) and sensitive technique (2× 10−12 cm−1 limit of detection). Both aspects will be emphasized through the two followingh applications:
To illustrate the high resolution, Doppler-free saturated-absorption Lamb dips were measured at sub-Pa pressures on rovibrational lines of H2O near 7180 cm−1 , The saturation of the considered lines was so high that at the early stage of the ring down, the cavity loss rate remained unaffected by the absorption. By referencing the laser source to an optical frequency comb, transition frequencies were determined down to 100 Hz precision and kHz accuracy.
To highlight the high precision and stability of the instrument, we will present the first optical absorption measurements of O-17 anomalies in CO2 with a precision better than 10 ppm, matching the requirements for paleo-environmental applications
On ice cores chronologies
No full textInternational audiencePolar ice in Antarctica and Greenland is a primary archive to reconstruct Quaternary climate. An accurate chronology is necessary to exploit this archive. Dating methods can be derived from the counting of annual layers, from radioactive methods, from the comparison to other archives or from the modelling of the glacial sedimentation process. These methods being complementary, probabilistic models have been developed to combine them in an optimal way
OPTICAL FEEDBACK STABILIZED LASER CAVITY RING DOWN SPECTROSCOPY: FROM SATURATED SPECTROSCOPY TO ISOTOPIC RATIO.
No full textOptical feedback frequency stabilized cavity ring-down spectroscopy is a very high resolution (sub kHz) and sensitive technique (2 10 \wn limit of detection). Both aspects will be emphasized through the two followingh applications:
To illustrate the high resolution, Doppler-free saturated-absorption Lamb dips were measured at sub-Pa pressures on rovibrational lines of HO near 7180 \wn, The saturation of the considered lines was so high that at the early stage of the ring down, the cavity loss rate remained unaffected by the absorption. By referencing the laser source to an optical frequency comb, transition frequencies were determined down to 100 Hz precision and kHz accuracy.
To highlight the high precision and stability of the instrument, we will present the first optical absorption measurements of O-17 anomalies in CO with a precision better than 10 ppm, matching the requirements for paleo-environmental applications
Stable Isotopes of N and Ar as Tracers to Retrieve Past Air Temperature from Air Trapped in Ice Cores
No full textInternational audienc
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
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