Evolution temporelle du méthane et du protoxyde d'azote dans l'atmosphère : contrainte par l'analyse de leurs isotopes stables dans le névé et la glace polaires.
Résumé
The analysis of isotope ratios is of increasing importance to study the sources and sinks of atmospheric trace gases and to investigate their chemical reaction pathways. In the frame of this thesis, the isotopic composition of methane trapped in firn air from an Arctic and an Antarctic sites has been measured. From firn profiles, and thanks to the recursive use of a physical model of diffusive gas transport through the firn, the evolution of atmospheric δ13 CH4 could be reconstructed for both sites. The compilation of existing data with this study results makes it possible to infer a δ13 CH4 evolution of about +0.03‰/an in the southern hemisphere and +0.007‰/an in the northern hemisphere, since 1950 AD. A sensible method for extraction and analysis of nitrous oxide in air occluded in polar ice has been developed and successfully tested, thus giving access to the N2O isotopic composition during pre-industrial era. The isotopic composition of N2O trapped in firn and ice from one Arctic and one Antarctic sites has been measured. The experimental profiles as well as the use of the diffusive model, also used for CH4, lead to the continuous evolution of the N2O isotopic signal in the atmosphere, since the industrial era. By combining both sites results, the evolution of δ15N2O, 1δ15N2O, 2δ15N2O et δ18(O)N2O could be inferred: it is about -2.7‰, -2.4‰, -3.0‰ et -2.0‰ since 1700 AD, respectively. A trend since 1970 AD could also be deduced. The isotopic enrichment observed in the case of methane and the isotopic depletion deduced for nitrous oxide confirm a major anthropogenic sources responsibility in the exponential growth of these gases concentration since pre-industrial times and allow to suggest more restrictive scenarios about involved sources and sinks. Finally, although an experimental set up dedicated to the analysis of carbon monoxide isotopic composition by continuous flow mass spectrometry was not sufficient enough to lead to a stable system, many improvements have been made in order to be able to measure the isotopic ratios of this gas, in a near future.
L'analyse des rapports isotopiques revêt une importance croissante dans l'étude des sources et puits des gaz traces atmosphériques et dans la détermination des diverses réactions chimiques mises en jeu. Dans le cadre de cette thèse, la composition isotopique du méthane piégé dans l'air du névé d'un site Arctique et d'un site Antarctique a été mesurée. A partir des profils obtenus dans le névé, et grâce à l'application récursive d'un modèle de transport diffusif des gaz à travers le névé, l'évolution du δ13 CH4 dans l'atmosphère depuis 1950 AD a pu être reconstruite pour ces deux sites. La compilation de données existantes avec les résultats de cette étude a permis de déduire une évolution du δ13 CH4 de l'ordre de +0.03‰/an dans l'hémisphère sud et +0.007‰/an dans l'hémisphère nord, depuis 1950 AD. Une méthode d'extraction et d'analyse du protoxyde d'azote dans l'air occlus dans la glace polaire a été mise au point avec succès, donnant alors accès à la composition isotopique du N2O en période pré-industrielle. La composition isotopique du N2O piégé dans le névé et la glace d'un site Arctique et d'un site Antarctique a été mesurée. Les profils alors obtenus ainsi que l'utilisation du modèle de diffusion, également employé pour le CH4, ont donné accès à l'évolution continue du signal isotopique du N2O dans l'atmosphère depuis le début de l'ère industrielle. En couplant les résultats obtenus pour les deux sites, l'évolution du δ15N2O, 1δ15N2O, 2δ15N2O et δ18(O)N2O a pu être déduite : elle est de l'ordre de -2.7‰, -2.4‰, -3.0‰ et -2.0‰ depuis 1700 AD respectivement. Une tendance sur le signal depuis 1970 AD a également pu être obtenue. L'alourdissement du signal isotopique observé dans le cas du méthane et l'allègement obtenu dans le cas du protoxyde d'azote confirment une responsabilité primordiale des sources d'origine anthropique dans l'augmentation exponentielle de la teneur de ces gaz depuis la révolution industrielle et permettent de proposer des scénarii plus restrictifs sur les sources et puits impliqués. Finalement, bien que la mise au point d'un système expérimental dédié à l'analyse de la composition isotopique du monoxyde de carbone par spectrométrie de masse en flux continu n'ait pas été suffisante pour aboutir à un système stable, de nombreuses améliorations ont été apportées afin de pouvoir mesurer les rapports isotopiques de ce gaz dans un futur proche.