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Fiche détaillée Thèses
Université Joseph-Fourier - Grenoble I (04/06/1997), Paul Duval (Dir.)
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Modélisation de la transformation de la neige en glace à la surface des calottes polaires : étude du transport des gaz dans ces milieux poreux
Laurent Arnaud1

La glace, lorsqu'elle se forme dans les zones centrales des calottes polaires, est surmontée de plus de 100 m de neige et de névé. Au moment, où elle emprisonne dans ces bulles l'air atmosphérique, l'age de cette glace peut dépasser plusieurs milliers d'années. Ce travail contribue à préciser les étapes de cette transformation neige/névé/glace en s'appuyant sur des données de structure de ce milieu poreux et sur une modélisation physique de ces processus. La structure 2D a été caractérisée grâce à une nouvelle méthode, basée sur l'observation en épiscopie coaxiale de la surface sublimée des échantillons. A l'aide de ces données expérimentales et au regard des théories classiques du grossissement normal des grains, le grossissement dans le névé polaire et son influence sur la microstructure ont été étudiés. La densification du névé polaire a été modélisée en utilisant les processus physiques décrits pour le pressage à chaud des céramiques. Notre modèle physique de densification du névé permet de simuler l'ensemble des profils expérimentaux, en mettant en exergue le rôle prépondérant de la densité à la transition neige-névé liée à la compétition entre les mécanismes de déformation plastique. A partir des études sur le grossissement des grains et du modèle de densification, un modèle décrivant la fermeture des pores dans le névé a été construit. Ce modèle physique permet de reproduire l'évolution des courbes expérimentales de porosité fermée et de proposer une explication aux variations géographiques des mesures de teneur en gaz. Enfin, les modèles de densification et de fermeture des pores ont été utilisés pour simuler la transformation de la neige en glace à Vostok pour des conditions climatiques glaciaires. S'appuyant sur ces modélisations du milieu poreux, un modèle de transport des gaz dans les pores, de l'atmosphère aux bulles de la glace, a été élaboré. Un intérêt particulier a été porté à l'évaluation des coefficients de diffusion des gaz atmosphériques dans le névé poreux, qui ont été mesurés en fonction de la porosité ouverte sur deux sites. Le modèle permet de retrouver à partir des scénario atmosphériques la composition de l'air du névé en fonction de la profondeur. Il constitue la première étape d'une déconvolution objective du signal mesuré dans l'air des bulles de la glace en terme de composition atmosphérique.
1 :  LGGE - Laboratoire de glaciologie et géophysique de l'environnement
névé polaire – modélisation – transformation – transport gaz – bulles glace

When ice is formed in central area of ice sheets, it is surmounted by more than 100 m of snow and firn. Ice can be older than 1000 years when the air is trapped in bubbles. This work contributes to precise stages of the snow/firn transformation using data on the structure of this porous medium, to validate physical model. The 2D structure has been caracterized with a new method based on the observation of sublimated samples using coaxial reflected light. With these experimental data, and using theory developed for ceramics and metals, the normal grain growth in polar firn and its influence on microstructure have been studied. Densification of firn has been modelled using physical processes described for the hot isostatic pressing of engineering materials. Our physical densification model enables to simulate ail experimental density profiles. The observed decrease with temperature of the density at the snow/firn transition (packing density) seems to result from the competition between grain boundary sliding and power-Iaw creep. Thanks to the grain growth study and the densification model, an original model describing the air trapping (close-off) during the firn/ice transition has been constructed. This geometrical model enables to simulate the observed evolution with density of closed porosity and allows to give an explanation for the geographical variation in gas content measurements. Finally, densification and close-off models have been used to simulate thesnow/firn/ice transformation in glacial climatic conditions at Vostok. Based on these models of the evolution of this porous medium, a gas transport model from the atmosphere to the bubbles in the ice has been developed. A particular emphasis has been made to study the influence of the open porosity on the diffusion coefficients of gases through the porous firn. They have been measured as a function of open porosity on two different cores. The model quantifies the smoothing effect of the firn diffusion and bubble trapping on atmospheric signal. It enables to reproduce the gaz mixing ratio versus depth in the fun from an atmospheric scenario. This gas transport model represents a first stage with objective deconvolution of the atmospheric signal from gas measurments in firn and ice.