Physics of pore closure in polar firn, and its implications for the understanding of past feedbacks between climate and carbon cycle
Physique de la fermeture des pores dans le névé polaire, implications pour la compréhension des rétrocations passées entre cycle du carbone et climat
Résumé
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.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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