Dissertations / Theses on the topic 'Phénomènes de la calotte polaire'

Lorsque le champ magnétique interplanétaire est dirigé vers le Nord, les régions polaires de la magnétosphère terrestre, situées à haute altitude, sont peuplées d'électrons accélérés. L'ionosphère polaire voit quant à elle l'apparition d'aurores. Grâce aux observations magnétosphériques de la mission multi-satellites Cluster et à notre modélisation du transport de particules le long des lignes de force du champ magnétique terrestre B, nous avons montré, au cours de cette thèse, que les électrons à l'origine de ces aurores proviennent de la couche frontière de la magnétosphère. Localisée à très haute altitude, cette couche sépare les milieux terrestre et interplanétaire. Accélérés par des champs électriques parallèles à B, situés à des altitudes aussi bien inférieures que supérieures à celles des satellites, ces électrons précipitent dans l'ionosphère avec des énergies de l'ordre du keV. Ils sont accompagnés par des échappements d'ions ionosphériques et l'ensemble des particules transporte des courants alignés le long de B et dirigés vers la magnétosphère, équivalents à quelques µA/m² aux altitudes ionosphériques. Le système de courant se referme par des courants alignés dirigés vers la Terre, d'intensité comparable, portés par des faisceaux d'électrons étroits et variables. Très alignés le long de B, ces électrons s'échappent de l'ionosphère avec des énergies de ~ 50 eV et déclenchent des instabilités faisceau-plasma à l'origine d'ondes électrostatiques large bande observées par Cluster et reproduites par les modèles.

Lorsque le champ magnétique interplanétaire est dirigé vers le Nord, les régions polaires de la magnétosphère terrestre, situées à haute altitude, sont peuplées d'électrons accélérés. L'ionosphère polaire voit quant à elle l'apparition d'aurores. Grâce aux observations magnétosphériques de la mission multi-satellites Cluster et à notre modélisation du transport de particules le long des lignes de force du champ magnétique terrestre B, nous avons montré, au cours de cette thèse, que les électrons à l'origine de ces aurores proviennent de la couche frontière de la magnétosphère. Localisée à très haute altitude, cette couche sépare les milieux terrestre et interplanétaire. Accélérés par des champs électriques parallèles à B, situés à des altitudes aussi bien inférieures que supérieures à celles des satellites, ces électrons précipitent dans l'ionosphère avec des énergies de l'ordre du keV. Ils sont accompagnés par des échappements d'ions ionosphériques et l'ensemble des particules transporte des courants alignés le long de B et dirigés vers la magnétosphère, équivalents à quelques µA/m² aux altitudes ionosphériques. Le système de courant se referme par des courants alignés dirigés vers la Terre, d'intensité comparable, portés par des faisceaux d'électrons étroits et variables. Très alignés le long de B, ces électrons s'échappent de l'ionosphère avec des énergies de ~ 50 eV et déclenchent des instabilités faisceau-plasma à l'origine d'ondes électrostatiques large bande observées par Cluster et reproduites par les modèles.

L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre les variations temporelles des signaux altimétriques sur la calotte polaire Antarctique. Nous exploitons les observations effectuées par l'altimètre à bord d'ENVISAT entre janvier 2003 et décembre 2007. Ces observations s'étendent jusqu'à 82°Sud, ce qui permet de couvrir environ 80% du continent Antarctique. Pendant la période d'étude deux fréquences sont exploitables (Bande S, soit 3.2GHz, et Bande Ku soit 13.6GHz), ce qui permet de mieux cerner la sensibilité de la mesure aux variations d'état du manteau neigeux couvrant la calotte polaire Antarctique. L'état de la surface neigeuse en Antarctique varie dans l'espace comme dans le temps, en réponse aux événements météorologiques de proche surface, et tout particulièrement les vents. Selon l'état de la surface, l'onde électromagnétique émise par l'altimètre va pénétrer plus ou moins profondément dans le manteau neigeux, modifiant la forme de l'écho enregistré lorsque cette onde retourne au satellite. La précision des mesures de topographie de la calotte polaire dépend alors de la connaissance des propriétés de surface, ainsi que de la compréhension des mécanismes contrôlant l'interaction des ondes électromagnétiques avec la surface neigeuse. Nous étudions dans cette thèse comment la forme de l'écho altimétrique évolue lorsque les conditions de vent à la surface de la calotte polaire changent, et affectent l'état de la surface. Nous commençons par étudier la variabilité spatiale et temporelle des observations altimétriques d'une part, et des intensités de vent d'autre part (réanalyses des modèles atmosphériques globaux NCEP/NCAR, NCEP/DOE et ERA-Interim). Nous en identifions les échelles de variations spatiales et temporelles caractéristiques. Cela nous permet de concevoir les traitements à appliquer afin d'homogénéiser les différentes sources d'information. Nous constatons que les variations de nos séries temporelles décrivent essentiellement un signal annuel, toujours maximal en été austral pour les variations de vents. En revanche les variations annuelles de la forme d'onde ne sont pas homogènes à l'échelle de la calotte polaire, mais mettent en évidence deux régions principales. Nous utilisons ensuite les propriétés de la forme d'onde altimétrique, et leurs variations temporelles pour reconstruire les variations d'intensité de vents. Nous obtenons de très bonnes cohérences, ce qui atteste la sensibilité de la mesure altimétrique aux changements d'état de la surface induits par les variations de vent. Nous utilisons en dernier lieu un modèle régional (MAR/LGGE), qui prend en compte les interactions des vents avec l'état de la surface avec une résolution spatiale plus fine. Cela nous permet de confirmer les résultats déjà obtenus, et de mettre en valeur les spécificités du modèle MAR. Les méthodes mises en jeu sont empiriques et les résutats obtenus qualitatifs. Nous avons toutefois identifié deux régions majeures, réagissant différemment aux variations de vents, que nous expliquons par l'existence de structures de surface particulières, et un impact différent des vents sur l'état de la surface.

L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre les variations temporelles des signaux altimétriques sur la calotte polaire Antarctique. Nous exploitons les observations effectuées par l'altimètre à bord d'ENVISAT entre janvier 2003 et décembre 2007. Ces observations s'étendent jusqu'à 82°Sud, ce qui permet de couvrir environ 80% du continent Antarctique. Pendant la période d'étude deux fréquences sont exploitables (Bande S, soit 3. 2GHz, et Bande Ku soit 13. 6GHz), ce qui permet de mieux cerner la sensibilité de la mesure aux variations d'état du manteau neigeux couvrant la calotte polaire Antarctique. L'état de la surface neigeuse en Antarctique varie dans l'espace comme dans le temps, en réponse aux événements météorologiques de proche surface, et tout particulièrement les vents. Selon l'état de la surface, l'onde électromagnétique émise par l'altimètre va pénétrer plus ou moins profondément dans le manteau neigeux, modifiant la forme de l'écho enregistré lorsque cette onde retourne au satellite. La précision des mesures de topographie de la calotte polaire dépend alors de la connaissance des propriétés de surface, ainsi que de la compréhension des mécanismes contrôlant l'interaction des ondes électromagnétiques avec la surface neigeuse. Nous étudions dans cette thèse comment la forme de l'écho altimétrique évolue lorsque les conditions de vent à la surface de la calotte polaire changent, et affectent l'état de la surface. Nous commençons par étudier la variabilité spatiale et temporelle des observations altimétriques d'une part, et des intensités de vent d'autre part (réanalyses des modèles atmosphériques globaux NCEP/NCAR, NCEP/DOE et ERA-Interim). Nous en identifions les échelles de variations spatiales et temporelles caractéristiques. Cela nous permet de concevoir les traitements à appliquer afin d'homogénéiser les différentes sources d'information. Nous constatons que les variations de nos séries temporelles décrivent essentiellement un signal annuel, toujours maximal en été austral pour les variations de vents. En revanche les variations annuelles de la forme d'onde ne sont pas homogènes à l'échelle de la calotte polaire, mais mettent en évidence deux régions principales. Nous utilisons ensuite les propriétés de la forme d'onde altimétrique, et leurs variations temporelles pour reconstruire les variations d'intensité de vents
This work aims at improving our understanding of the altimetric time series acquired over the Antarctic Ice Sheet. Dual frequency data (S Band - 3. 2GHz and Ku Band - 13. 6GHz) from thealtimeter onboard the ENVISAT satellite are used, during a five year time period from january2003 until december 2007. These data cover around 80% of the surface of the Antarctic continent,up to 82°S. Having data in two different frequencies is valuable when it comes to better estimatethe altimeter sensitivity regarding snow surface property changes. Over the Antarctic ice sheet, snow surface changes with respect to space and time, beingaffected by meteorological conditions close to the surface, and especially winds. The altimetricwave penetrates more or less deeply beneath the surface, depending on snow surface and subsurfaceproperties. As a result, when the wave comes back to the satellite, the recorded signal, namedwaveform, is more or less distorted. The accuracy of the ice sheet topographic changes computedthanks to satellite altimetric techniques depends on our knowledge of the processes inducing thisdistortion. The purpose of the present work is to better understand the effect of changing windconditions on altimetric data. Winds in Antarctica are indeed famous for their strength and theirimpact on the snow surface state. First, spatial and temporal variability of the altimetric data on the one hand, and of wind speedreanalysis fields (from ERA-Interim, NCEP/NCAR and NCEP/DOE projects) on the other handare studied. We estimate spatial and temporal typical length scales for all datasets. As a result, weare able to smooth the data, so that all datasets have the same spatial and temporal caractericticlength scales. Furthermore, we note that our time series are well described by an annual signal. This annual cycle shows that whereas wind speed would always be maximum in austral winter,altimetric seasonal cycles have very different behaviors depending on the location. .

Les prochaines modèles climatiques comprendront un modèle de calotte polaire afin de tenir en compte la dynamique de la glace et les interactions glace-océans dans ses projections. D'une part, l'océan Austral (SO) pilote l'accélération des glaciers de l'Antarctique via une augmentation de la fonte basale des ice shelves. D'autre part, l'accélération de la décharge de glace de l'Antarctic Ice Sheet (AIS) contribue à la montée du niveau de la mer et est susceptible de devenir le plus grand contributeur de la cryosphère d'ici la fin du siècle. En outre, l'adoucissement relié, peut avoir des répercussions importantes sur la glace de mer et sur la formation des eaux profondes. Cependant, on ne sait pas encore comment les modèles d'océan et de calotte polaire des futurs systèmes couplés vont représenter les interactions glace-océan, causes et conséquences du déséquilibre de masse de AIS. Ici, dans ce travail, les différents aspects des modèles de océan et calotte polaire ont été étudiés. Une première étape de cette thèse a été concentrée à la représentation des flux d'eau douce glaciaires dans les modèles océaniques actuels. Basé dans estimations glaciologiques, la fonte basal des ice shelves a été répartie dans une grille de ORCA025, et les taux de production d'icebergs ont été appliqués dans une version améliorée du modèle d'iceberg NEMO-ICB. Cette étude préliminaire a été utilisé pour produire une climatologie d'eau de fonte provenant des icebergs, valable pour forcer les modèles de océan actuels. Ce travail montre l'importance de représenter les flux d'eau de fonte des icebergs lors de la modélisation de la glace de mer, qui peut être obtenu en utilisant notre climatologie. Ces améliorations ont été pris en compte dans l'étude de la réponse du modèle de océan a la perte de masse de AIS. Cette étude considère une perturbation réaliste de l'eau douce glaciaire aussi près que possible de sa représentation dans les futurs modèles couplés ice-sheet/océan. Selon nos résultats, jusqu'à 50% des changements récents de volume de la glace de mer pourrait être causée par le bilan masse de l'AIS. Le forçage en eau douce glaciaire semble être cruciale pour représenter correctement les interactions glace-océan et projeter la glace de mer dans les futurs systèmes couplés. Cependant, l'estimation de l'apport d'eau douce glaciaire dans les modèles climatiques futurs sera fortement affecté par la capacité des modèles de calotte polaire de reproduire les migrations de grounding line des glacières de "marine ice sheets". Les modèles de calotte polaire actuels présentent grandes incertitudes liées aux différents réglages. Dans le contexte des futurs modèles climatiques, nous avons étudié la sensibilité des retraites de la grounding line produites par l'océan à l'application de deux lois de frottement différentes et deux différentes approximations du stress glacier. Les modèle réagit de façon presque similaire aux approximations SSA ou SSA *. Par contre, les différences dans la contribution du glacier à l'élévation du niveau de la mer peuvent être jusqu'à 50% en fonction de la loi de frottement considéré. La loi de friction Schoof, la plus physique, est nettement plus réactif aux perturbations océaniques que la loi Weertman, et devrait être pris en compte dans les systèmes couplés futurs. Ce travail souligne que les incertitudes liées aux estimations des modèles de la calotte glaciaire de migrations de grounding line peuvent contribuer non seulement à des incertitudes du futur niveau de la mer, mais aussi de la glace de mer à travers des interactions glace-océan dans les futures models climatiques. Tel conclusion suggère la nécessité d'améliorer la représentation de la fonte basal des ice shelves et le frottement du glacier, afin d'améliorer les projections climatiques des modèles climatiques, dans lequel la distribution spatiale et saisonnière des eau douce glaciaires peut jouer un rôle important en établir la glace de mer
The next generation of climate models will include an ice-sheet model in order to improve the ice sheet mass balance projections by accounting for the ice dynamics and ice-oceans interactions. On the one hand, the Southern Ocean (SO) is indeed driving the acceleration of the Antarctic outlet glaciers via an increase in the basal melting of the ice shelves. On the other hand, the increasing ice discharge from Antarctic Ice Sheet (AIS) contributes to the current sea level rise and is likely to become the largest cryospheric contributor to sea level rise by the end of the current century. In addition, the related freshening may have significant implications on future sea-ice cover and on bottom water formation. However, it is not clear yet how the ocean and ice-sheet components of future coupled systems will account for the ice-ocean interactions, which are both causes and consequences of the AIS mass imbalance. Here in this work, different aspects of the standalone ocean and ice-sheet components have been investigated. A first step of this thesis has been focused in the representation of the glacial freshwater fluxes in current ocean models. Based on recent glaciological estimates, the ice shelf basal melting fluxes have been spatially distributed in an ORCA025 grid, and the calving rates have been applied into an improved version of the NEMO-ICB iceberg model. This preliminary study has been used to produce a monthly iceberg meltwater climatology, to be used to force current ocean models. This work shows the importance of representing the iceberg meltwater fluxes when modeling sea ice, which can be inexpensively achieve by using our climatology. The improvements in the representation of the glacial freshwater fluxes have been considered in the study of the ocean model response to the Antarctic mass imbalance. This study considers a realistic perturbation in the glacial freshwater forcing as close as possible as it will be represented in future ice-sheet/ocean models. According to our results, up to 50% of the recent Antarctic sea ice volume changes might be caused by the observed decadal AIS mass imbalance rate. Glacial freshwater forcing appears to be crucial to correctly represent the ice-ocean interactions and projecting sea ice cover of future coupled systems. However, the estimation of the glacial freshwater input in future climate models will be strongly dependent upon the capacity of ice-sheet models to reproduce the grounding line migrations of marine ice sheet glaciers. Current ice-sheet models present large uncertainties related to different parametrizations. In the context of the future climate models, we have studied the sensitivity of ocean-driven grounding line retreats to the application of two different friction laws and two different englacial stress approximations. The model responses almost indistinctively to either the SSA or the SSA* englacial stress approximations. However, differences in the contribution of the glacier to the sea level rise can be up to 50% depending on the friction law considered. The more physically constrained Schoof friction law is significantly more reactive to the ocean perturbations than Weertman law and should be considered in future coupled systems. This work underlines that uncertainties related to the ice sheet model estimates of grounding line migrations may not only contribute to uncertainties in sea level projections, but also the sea ice cover through the ice-ocean interaction in future ocean models.This conclusion suggests the need for improving the representation of both the ice shelf basal melting and the glacier interaction with the bedrock, in order to improve the climate projections of future climate models, in which the spatial and seasonal distribution of the glacial freshwater fluxes may play an important role in setting the sea ice cover

La calotte polaire antarctique est constituée d'une épaisse couche de glace surmontée d'un névé d'une centaine de mètres d'épaisseur. Si les observations satellites, avec une couverture quasi-globale du continent, ont permis depuis bientôt 40 ans de fournir de nombreuses informations sur sa topographie et quelques propriétés de sa surface, la connaissance de son manteau neigeux est encore très limitée. Les précipitations qui se déposent sont balayées par les vents, s'accumulent pour former des couches. En s'enfouissant, les grains de neige qui les constituent subissent un métamorphisme qui modifie leur taille et leurs caractéristiques. Pourtant, Les taux d'accumulations ou les tailles des grains de neige, dont la signature est contenue dans les observations de la proche surface, sont des indicateurs climatiques clés, jusqu'alors mal connus.

Depuis 2002 et le lancement de ENVISAT, on dispose d'un altimètre radar qui couvre 80 \% de la calotte polaire Antarctique, dont la particularité est d'acquérir des signaux à deux fréquences différentes (bande S à 3.2 GHz et bande Ku à 13.6 GHz). Ces deux ondes pénètrent dans le manteau neigeux sur plusieurs mètres et ont des sensibilités aux propriétés de la neige différentes. Ainsi, l'idée de cette thèse est d'utiliser cette double information pour retrouver les propriétés du manteau neigeux.

On se propose de résoudre cette problématique par une analyse et une modélisation des signaux altimétriques bi-fréquences sur la calotte polaire, puis par leur inversion. On se penche tout d'abord sur quelques études de cas pour estimer la sensibilité des signaux aux différentes propriétés de la neige: i/ On montre tout d'abord que le signal altimétrique est sensible à la rugosité de la surface à différentes échelles, puis ii/ que le signal altimétrique est sujet à des variations saisonnières causées par la densification de la neige en surface, et enfin iii/ que les ondes radars sont réfléchies par des strates en profondeur.

Un modèle de l'interaction de l'onde avec le manteau neigeux est réalisé simultanément aux deux fréquences, afin de permettre une comparaison de ces signaux entre eux. Les résultats du modèle sont utilisés pour expliquer les variations saisonnières précédemment observées. Finalement, les paramètres du manteau neigeux sont estimés à l'échelle de la calotte polaire antarctique. Les tailles de grains retrouvées présentent un grossissement vers l'intérieur du continent. La densité montre des variations saisonnières de plusieurs g.cm3 notamment sur les côtes antarctiques. Certaines régions présentent un état de surface de la neige particulièrement lisse (Dronning Maud Land, par exemple).

La donnée in situ de l'état de surface de la neige étant quasi inexistante sur les calottes polaires, on développe finalement un protocole de mesure de la rugosité de la neige, qui est testé sur un glacier du Spitzberg.

L'évolution des calottes polaires est régie à la fois par une dynamique d'écoulement complexe et par des mécanismes tel le glissement à la base, la température de la glace ou le bilan de masse en surface. De plus, de nombreuses boucles de rétroactions sont constatées entre les différents phénomènes impliquées. Tout ceci rend la modélisation de cette évolution complexe. Malgré tout, un certain nombre de modèles ont été développés dans cette optique. Ceux-ci font tous intervenir des paramètres influents qui dans certains cas sont peu ou pas connus. Ils nécessitent donc d'être correctement spécifiés. L'assimilation de données peut permettre une meilleure estimation de ces paramètres grâce à l'utilisation d'observations qui sont peu nombreuses en glaciologie. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la mise en place de systèmes d'assimilation performants pour deux problèmes inverses concernant l'évolution des calottes polaires. Pour mieux nous concentrer sur ce point, nous avons travaillé avec un modèle d'évolution de calotte simplifié (appelé Winnie) qui, cependant, représente bien la plupart des processus complexes de la dynamique de la glace, et permet de travailler à différentes échelles de temps. Dans un premier temps, nous mettons en place une approche 4D-Var pour la reconstruction de l'évolution d'un paramètre climatique influant sur l'évolution d'une calotte sur une échelle de temps typique de 20 000 ans. Elle nécessite notamment l'écriture du code adjoint du modèle. Dans un second temps, nous nous intéressons au problème du spin-up. Ce problème de calibration du modèle pour des simulations à échelle de temps courtes (pas plus de 100 ans) consiste plus particulièrement en la reconstruction conjointe de l'état initial, de la topographie du socle rocheux et des paramètres de glissement basal. Nous développons ici une approche filtre de Kalman d'ensemble pour résoudre ce problème.

Le cristal de glace est l'un des matériaux naturels les plus anisotropes. L'analyse des glaces polaires indique que les cristaux s'orientent selon des directions privilégiées et que la fabrique (distribution des orientations cristallines des grains) du polycristal de glace est le résultat de l'histoire des déformations que ce polycristal a subi. Le comportement macroscopique du polycristal dépend de la fabrique et peut être lui aussi fortement anisotrope. Il a été montré que cette anisotropie est propice à créer des perturbations de la stratigraphie et qu'elle influence fortement l'écoulement de la calotte. L'objectif de cette étude est de construire un modèle d'écoulement pour la glace polaire anisotrope et l'évolution de sa fabrique. Dans ce but, nous modélisons le monocristal de glace comme un matériau continu orthotrope de révolution autour de son axe c et nous le comparons à un modèle de grain à plans de glissement. La fabrique est décrite de manière continue par le tenseur d'orientation d'ordre 2 et une fonction de fermeture pour le tenseur d'orientation d'ordre 4. Par homogénéisation, en supposant des contraintes ou des vitesses de déformation uniformes, nous obtenons des solutions analytiques pour le comportement du polycristal de glace et l'évolution de sa fabrique. A partir de ces solutions, nous adoptons une loi de comportement orthotrope linéaire pour le polycristal et une équation d'évolution pour le tenseur d'orientation du second ordre. Ces équations permettent de bien reproduire les résultats du modèle auto-cohérent utilisant une description discrète de la fabrique, avec un gain important au niveau du temps de calcul et du nombre de variables nécessaires pour décrire la fabrique. Ces équations sont implantées ensuite dans un code aux éléments finis utilisé pour simuler l'écoulement d'une calotte polaire présentant une anisotropie induite évolutive. Par des tests synthétiques, nous montrons l'influence de l'anisotropie sur l'écoulement de la calotte. Enfin, nous présentons une analyse des données de fabrique du forage de Dôme C à la lumière de notre modèle
The ice crystal is one of the most anisotropic natural materials. Observations of polar ice show that the crystals are orientated along very marked privileged directions and that the fabric of the ice polycristal is the result of the strain history that the polycristal has undergone. The macroscopic polycristal behaviour depends on the fabric and can be strongly anisotropic. It has been shown that anisotropy can introduce the occurrence of stratigraphy disturbances and influences strongly the flow of the ice sheet. The aim of this work is to build an ice flow model for anisotropic ice and the evolution of its fabric. To this end, we model the ice monocrystal as a transversely isotropic continuous medium around its c-axis and we compare it with a slip-planes grain model. The ice fabric is described in a continuous way by the second order orientation tensor and a closure approximation for the fourth ordre orientation tensor. By homogenization, assuming uniform stresses or strain-rates, we obtain analytical solutions for the polycrystal behaviour and the evolution of its fabric. From these solutions, we derive a linear orthotropic flow law for the ice polycrystal and an equation for the evolution of the second order orientation tensor. These equations are able to reproduce the results of the self-consistent model using a discrete fabric description, with an important improvement as regards the computing time and the number of variables necessary to describe the fabric. These equations are then implemented in a finite element code, used for simulating the flow of an ice sheet with strain-induced evolving anisotropy. By performing synthetic tests, we show the influence of anisotropy on the ice flow. Finally, through our model results, we propose an interpretation of the Dome-C ice-core fabric data

D'importants dépôts de sulfates ont été découverts dans certaines régions équatoriales de Mars : les canyons de Valles Marineris, les terrains chaotiques, et les plaines de Meridiani. Afin d'expliquer la chimie de ces dépôts, ainsi que la formation d'un tel volume de sédiments de même composition, sur des surfaces aussi larges et variées, l'une des hypothèses les plus récentes suggère une origine glaciaire. Le but de cette thèse est d'évaluer la plausibilité de ce mode de formation, par une étude morphologique et minéralogique comparative des sulfates trouvés sur la calotte polaire Nord et sur les terrains chaotiques (Aram Chaos). L'analyse des sédiments superficiels de la calotte polaire montre que ceux-ci sont riches en gypse. Ces particules riches en sulfates proviennent directement de la calotte polaire, s'accumulent en surface par ablation de la glace, et sont transportées par le vent dans les dunes circum-polaires. L'analyse des affleurements observés à l'équateur sur Aram Chaos montre des dépôts stratifiés clairs, semblables à ceux de Valles Marineris et de Meridiani Planum ; ils contiennent un mélange de sulfates monohydratés, d'oxydes de fer et de minéraux hydratés. Ces dépôts pourraient également avoir une origine glaciaire car, durant les périodes de haute obliquité, d'anciennes accumulations de glace ont pu se former aux basses latitudes. De plus, l'observation d'analogues terrestres en Antarctique révèle que des sulfates se forment effectivement dans la glace par des réactions post-dépôt, et peuvent être compatibles avec la chimie des minéraux observés à l'équateur martien, si l'accumulation de la glace coïncide avec le dépôt de matériaux volcaniques.

L'observation de l'orientation des grains des carottes forées en Antarctique et au Groenland montre que la glace polaire acquiert une fabrique représentative de l'histoire des déformations qu'elle a subies. Le comportement viscoplastique du cristal de glace étant fortement anisotrope, il en résulte une anisotropie macroscopique du polycristal qui dépend des orientations préférentielles des grains qui le composent. A l'échelle du polycristal, le comportement viscoplastique est obtenu par homogénéisation sur tous les cristaux, en supposant leur comportement linéaire orthotrope de révolution et une répartition homogène des contraintes dans tout le polycristal (modéle statique). La fabrique du polycristal est décrite par une fonction continue de distribution des orientations (ODF). Avec ces hypothèses, nous avons obtenu des résultats analytiques pour le comportement orthotrope d'un polycristal et l'évolution de sa fabrique, qui permettent de représenter la fabrique par une ODF ne dépendant que de trois paramètres. A l'échelle de la calotte polaire, les champs de vitesses et fabriques de l'écoulement stationnaire sont calculés par une méthode couplée, qui alterne : - le calcul des vitesses, pour un champ de fabriques donné, par la méthode des éléments finis, - le calcul de la fabrique, pour un champ de vitesses donné, par une méthode qui utilise les lignes de courant de l'écoulement, jusqu'à ce que la convergence soit atteinte, à la fois sur les vitesses et la fabrique. Nous étudions l'influence du champ de températures et du comportement du grain sur la formation des fabriques au sein des calottes polaires. Le modèle est appliqué à la ligne d'écoulement GRIP-GISP2 (Groenland Central) et les résultats sont comparès aux mesures de terrain.

La contribution des calottes polaires à l'augmentation du niveau marin est un sujet de préoccupation majeure. Dans le cadre du réchauffement climatique, la dynamique de leurs glaciers émissaires évolue et ceux-ci accélèrent leur décharge de glace vers l'océan. En tant qu'exutoires des calottes polaires et régulateurs de leur perte de masse, la prise en compte de leur fonctionnement dans les prévisions d'augmentation du niveau marin est capitale. Cependant, les processus qui régissent leur dynamique sont mal contraints et il convient alors de réduire les incertitudes qui y sont liées. Les rétroactions entre la dynamique du front et la dynamique du glacier en sont un exemple représentatif. Dans ce cadre, cette thèse se concentre sur la modélisation de la dynamique du front de vêlage, et vise à proposer une nouvelle approche physique des mécanismes aboutissant au vêlage d'iceberg. Le travail réalisé ici couple la mécanique de l'endommagement et la mécanique de la rupture. Il intègre ainsi la dégradation progressive des propriétés rhéologiques de la glace aboutissant à la formation d'un champ de crevasses et modélise ensuite la propagation des fractures caractéristiques de l'évènement de vêlage. Ce modèle nouvellement créé est contraint sur une géométrie 2D en ligne d'écoulement du glacier Helheim, au Groenland, dont on parvient à reproduire un comportement cohérent de la partie terminale. Les tests de sensibilité menés sur chacun des paramètres introduits dans le modèle contraignent l'importance de chacun d'eux. On évalue ensuite l'impact sur la dynamique du front de deux forçages naturels couramment observés dans les fjords groenlandais : la fonte de la partie immergée du front et l'impact mécanique d'un mélange de glace (mélange de glace de mer et d'icebergs). Les résultats suggèrent que si la fonte affecte légèrement la dynamique du front, le mélange de glace provoque une réponse saisonnière d'une amplitude similaire aux variations observées dans la réalité. En frottant contre les parois du fjord, il empêche le vêlage et favorise l'avancée du glacier. On montre également que la fonte ne modifie pas le bilan de masse du glacier, mais que l'effet du mélange de glace est plus marqué. Enfin, nos résultats suggèrent que lorsque le glacier présente une extension flottante, un forçage élevé peut modifier l'équilibre du glacier et affecter plus considérablement son bilan de masse pluriannuel
Polar ice-sheets discharge and subsequent sea level rise is a major concern. Warming climate affects the behaviour of tidewater outlets glaciers and increases their ice discharge. As they drain the ice flow toward the ocean, it is pivotal to incorporate their dynamics when modelling the ice-sheet response to global warming. However, tidewater glacier dynamics is still complicated to understand, as they are believed to involve many feedbacks. The one between calving margin dynamics and glacier general dynamics is fundamental. This PhD thesis focuses on modelling the calving front of outlet glaciers, in order to enhance the representation of physical processes occurring at their margin. To do so, we build up a new framework for calving based on damage mechanics and fracture mechanics. This allows us to represent the slow degradation of the ice rheological properties from a virgin state to the appearance of a crevasse field, as well as the rapid fracture propagation associated with calving events. Our model is then constrained within a 2D flow-line representation of Helheim Glacier, Greenland. We find some parameters sets for which the glacier behaviour is coherent with its past evolution. Sensitivity tests are carried out and they reveal the significance of each model parameter. This new calving law is then employed to study the impact of submarine frontal melting and ice mélange (heterogeneous mixture of sea-ice and icebergs) on glacier dynamics. These two forcings are usually suspected to be responsible for the seasonal variations of the calving margin. Our results show that both forcings impact the front dynamics. The melting, however, only slightly changes the front position, when the ice mélange can force the glacier front to displace up to a few kilometers. Additionally, if the melting at the front is not sufficient to affect the inter-annual mass balance, this is not obvious when forced by ice mélange. At last, our model highlights a feature which is specific to floating glaciers: for the strongest forcings, the glacier equilibrium may be modified, as well as its pluri-annual mass balance.STAR

La calotte polaire Antarctique est une région immense et peu accessible, mais partie intégrante du système climatique planétaire. Pour mieux comprendre son fonctionnement et prévoir ses réactions face à un climat qui évolue, les mesures satellites sont des outils précieux. Nous exploitons l'un de ces capteurs satellites : l'altimètre radar d'Envisat. Cet instrument permet de mesurer la hauteur de la surface de la calotte et, par des mesures répétées dans le temps, son évolution temporelle. Nous explorons les changements de volume de la calotte sur une période entre 2002 et 2010. Cette période est très courte en regard de certains phénomènes agissant sur la calotte mais permet néanmoins de détecter d'importants changements, dus à des excès de précipitations ou à une accélération de l'écoulement de la glace. Par ailleurs, la densité spatiale et temporelle de l'échantillonnage d'Envisat permet d'observer des événements rapides (quelques mois) et localisés (quelques kilomètres) tels que des vidanges de lacs sous-glaciaires. Ces phénomènes sont encore mal connus et l'altimétrie est un des principaux outils aptes à les observer. La manière dont l'onde radar est réfléchie et rétrodiffusée par la surface de la calotte est un problème complexe, principalement parce que le manteau neigeux est lui-même changeant et complexe. Nous évoquons l'état de l'art de la compréhension des phénomènes impliqués. Nous terminons ces travaux par une ouverture sur les techniques qui permettront d'avancer dans la compréhension des calottes polaires : nouveaux altimètres, séries de données plus longues, fusion de jeux de données provenant de capteurs différents et complémentarité avec les données in situ
The Antarctic Ice Sheet is a vast and remote hostile land. It is nonetheless an important part of the planetary climate system. Space-borne instruments are among the best tools to study the evolution of the ice sheet. In this work, we use data from one of these space sensors: the Envisat radar altimeter. This instrument provided us repeated measurements of the ice sheet surface elevation every 35 days during 8 years. From this dataset, we investigated volume change of the ice sheet between 2002 and 2010. This period is relatively short compared to the typical duration of ice sheet response (thousands of years after an ice age) but the data show some evolution, either extreme precipitation events or accelerated flow and associated thinning. The high space and time resolution also allowed us to observe rapid and local events such as subglacial lake drainages. These were only recently discovered in Antarctica and altimetry is one of the best suited tools to study them. The reflection and backscatter of the radar wave by the snowpack is still a complex problem that has to be further investigated. The own behavior of the snowpack must be better understood. We present the state of the art of the understanding of the radar/snowpack interaction. We conclude with an outlook on future techniques that will enhance our understanding of the ice sheet process and ice sheet evolution: new altimeters, longer time series, multi-sensor studies and additional in situ calibration

Les études sur l'Antarctique sont motivées par l'interprétation des données que renferme la glace ancienne sur les climats passés et sur les possibles interactions entre la calotte et un éventuel changement climatique. Les radiomètres micro-ondes sont des instruments bien adaptés pour l'étude de la neige, car ils sont indépendants des conditions nuageuses et d'éclairement. Lorsque la neige est sèche, ils sont à même de fournir des informations en profondeur. Les caractéristiques du manteau neigeux (température, densité et taille de grains) sont liées aux processus de dépôt et leur évolution dépend des conditions climatiques. Ce sont ces caractéristiques, déterminantes vis à vis de la signature spectrale de la neige, que nous cherchons à évaluer à partir des données de télédétection. Les données utilisées proviennent du Scanning Multichannel Microwave Radiometer à bord du satellite Nimbus 7 (1978-86). Dans un premier temps, ces mesures ont été comparées à des données de terrain. A une forte stratification du manteau neigeux correspond une grande différence entre les polarisations verticale et horizontale, surtout pour les fréquences 6.6 et 10.7 GHz. On a trouvé aussi une forte corrélation entre la valeur moyenne de la taille des grains sur 0-2 mètres et la différence de comportement entre les fréquences 18 et 6.6 GHz (gradient en fréquence). Dans une seconde étape, nous avons modélisé l'émissivité microonde de la neige. Le modèle est basé sur la résolution des équations de Maxwell au travers de la théorie des fortes fluctuations (Stogryn 1986). Une solution analytique a été développée dans le cas d'un milieu uniforme en profondeur. Lorsque les caractéristiques de la neige changent en fonction de la profondeur, la solution fait appel à une résolution numérique. Le manteau neigeux est considéré isotherme, stratifié horizontalement et isotrope à l'intérieur de chaque strate. Les résultats du modèle font apparaitre plus clairement les contributions de la densité de la neige, de la taille des grains et surtout de la stratification sur les signatures spectrales.

L'albédo de la surface antarctique Joue un rôle important dans les études climatologiques. Essentiellement deux facteurs peuvent modifier sa valeur: la taille des grains de neige et la rugosité de surface générée par les vents dominants. Ces caractéristiques de surface varient dans l'espace et dans le temps et seuls les satellites permettent régulièrement leurs estimations sur un continent aussi vaste, inhospitalier et isolé que l'Antarctique. Parmi les in struments de télédétection, POLDER (POLarization and Directionality of the Earth's Reflectances), à bord du satellite ADEOS, est le premier à offrir jusqu'à 14 observations d'un même site, dans les domaines spectraux du visible et du proche infrarouge, sous des angles de visée différents, au cours d'une seule orbite. Comme sa fauchée est large et que les orbites d'ADEOS se recoupent à proximité des pôles, les régions polaires profitent d'une bonne couverture quotidienne. Par conséquent, POLDER semble être particulièrement bien adapté pour étudier les FDRBs (Fonctions de Distribution des Réflectances Bidirectionnelles) de la neige antarctique. Dans cette étude est montrée l'analyse des données POLDER du mois de novembre 1996, dans une région limitée de l'Antarctique. Après élimination des nuages, par l' utilisation notamment des mesures de polarisation, des FDRBs caractéristiques de différentes zones ont été restituées qui ont permis l'extraction d'informations relatives à la rugosité de surface et à la taille des grains de neige. Il apparaît que dans les zones rugueuses, les FDRBs sont caractérisées par une forte diffusion dans le demi-plan arrière (souvent plus forte que vers l'avant) que ne restituent pas les modèles de réflectance bidirectionnelle de la neige utilisés. De plus la position du pic de diffusion dans ce demi-plan arrière varie d'une région à une autre et peut donc être reliée à la rugosité de la surface. Toutefois, l'étude de cette rugosité est rendu complexe par le fait qu'il existe souvent plus d'une direction dans laquelle s'alignent les reliefs (d'érosion ou d'accumulation) de surface. L'étude comparative du rapport de réflectances mesurées par POLDER d'une part (865nm/670nm) et ATSR-2 d'autre part (1600nm/865nm), relié à la taille des grains de neige, montre les mêmes variations spatiales relatives. Cependant, la détermination des tailles de grains de neige ne peut être déduite, en valeur absolue, par les mesures satellitales.

La calotte polaire du Groenland retient dans ses glaces une contribution potentielle au niveau des mers de 7,3 mètres. Alors que des changements importants sont observés à l'heure actuelle, réaliser des projections sur son état futur à l'échelle pluri-centennal est devenu une priorité. La modélisation numérique 3D est l'un des outils pour effectuer ces projections. Ce travail incorpore largement l'utilisation des carottages profonds du Groenland, qui rassemblent une grande part d'information sur les états passés. Ainsi, l'accent est ici mis sur les validités des reconstructions effectuant constamment des aller-retour entre observations et simulations. La robustesse de ces reconstructions et des projections futures est largement questionnée au travers de nombreuses expériences de sensibilité. La calibration du modèle de glace en utilisant des contraintes sur les informations de la dernière déglaciation permet de proposer des scénarios sur l'état de la calotte au cours du précédent interglaciaire, l'Eémien, potentiel analogue pour le climat futur.

La calotte polaire du Groenland retient dans ses glaces une contribution potentielle au niveau des mers de 7,3 mètres. Alors que des changements importants sont observés à l'heure actuelle, réaliser des projections sur son état futur à l'échelle pluri-centennal est devenu une priorité. La modélisation numérique 3D est l'un des outils pour effectuer ces projections. Ce travail incorpore largement l'utilisation des carottages profonds du Groenland, qui rassemblent une grande part d'information sur les états passés. Ainsi, l'accent est ici mis sur les validités des reconstructions effectuant constamment des aller-retour entre observations et simulations. La robustesse de ces reconstructions et des projections futures est largement questionnée au travers de nombreuses expériences de sensibilité. La calibration du modèle de glace en utilisant des contraintes sur les informations de la dernière déglaciation permet de proposer des scénarios sur l'état de la calotte au cours du précédent interglaciaire, l'Eémien, potentiel analogue pour le climat futur
The Greenland ice sheet represents a potential sea level rise contribution of 7.3 meters. When drastic changes are recently observed, multi-centennal futur projections are urgently needed. 3D numerical modelling is one of the tools to realize these projections. This work intensively incorporates the use of Greenland deep ice core drillings, which represent an important amount of information of past states of the ice sheet. The validity of the reconstructions are thus assured by constant back and forth between observations and simulations. Robustness of these reconstructions and of future projections are largely questionned through wide sensitivity experiments. The ice sheet model calibration is performed during the last deglaciation considering the numerous constraints during this period. Given that, scenarios of ice sheet states during the whole last climatic cycle, in particular during the last interglacial, the Eemian, potential analogue for a future climate

Plus de 80% du Groenland est recouvert de glace. Sa fonte contribue à l’augmentation du niveau des océans. Cette fonte peut être accélérée ou ralentie par les nuages qui modulent le rayonnement qui atteint la surface. Dans cette thèse, nous avons utilisé les mesures du satellite CALIPSO (produit GOCCP) pour documenter les nuages au-dessus du Groenland et éclaircir leur rôle sur la fonte de surface.Comparer ces observations avec des mesures radar et lidar réalisées à la station sol de Summit, au centre du Groenland, a montré que dans GOCCP les nuages optiquement très fins (τ < 0.3) ne sont pas détectés. Nous avons ensuite étendu l’analyse sur l’ensemble du Groenland et mis en évidence que la région nord est moins recouverte de nuages que la région sud en hiver et qu’en été, Summit, est l’une des régions les plus nuageuses en nuages liquides notamment.Pour comprendre cette particularité et les conditions favorables à la formation de nuages, nous avons utilisé des classifications en régime de temps. Cependant cette étude n’a pas mis à jour de liens entre la variabilité des nuages et la circulation atmosphérique ce qui montre la complexité de ces interactions et la nécessité d’accumuler plus d’observations sur des périodes de temps longues.Enfin nous avons évalué la représentation des nuages dans des observations lidar synthétiques, simulées à partir des sorties de modèles de climat CMIP5. Plusieurs biais qui empêchent les modèles de reproduire l’influence des nuages sur la fonte ont été identifiés. Les modèles sous estiment les températures de surface et les couvertures nuageuses. Les nuages simulés sont soit trop opaques soit trop fins pour accélérer la fonte
Over 80% of Greenland is covered by ice. Melting of this ice contributes to the sea level rise. By modulating the radiation reaching the surface, clouds can accelerate or slow down the melting. Through this thesis, we use CALIPSO satellite measurements (GOCCP product) to document clouds over Greenland, including their vertical structure, and understand their role in surface melting.We compare these observations with radar and lidar measurement taken from the Summit ground station in the middle of Greenland. The comparison shows that GOCCP does not include optically thin ice clouds (τ < 0.3). Extending this analysis over all Greenland shows that cloudiness follows different cloud annual cycles in North and South regions, and that Summit is one of the cloudiest regions of the Greenland especially for the liquid cloud cover.To understand the atmospheric conditions favorable to cloud formation, we follow two weather regime classification approaches. We do not find a clear relationship between cloud variability and atmospheric circulation. These results show the complexity of the interactions between clouds and synoptic circulation and highlight the need to accumulate more data over long time periods.Finally, we evaluate cloud representation over Greenland in simulated lidar profiles over output from CMIP5 climate models. We identify several biases that lead to models being unable to simulate surface melting. Models underestimate the surface temperature and the cloud cover. Also when clouds are simulated they are either too opaque or too thin to affect surface melting

Les variations du metabolisme des glaciers ou des calottes polaires refletent les fluctuations du climat. A l'echelle de l'annee, ces fluctuations sont traduites par des variations du bilan de masse du glacier. L'inventaire complet des mesures regroupe environ 70 glaciers repartis dans differents massifs de l'hemisphere nord et 60 points de mesure au groenland. Une analyse statistique a ensuite permis de determiner la distribution spatiale et temporelle des series, ainsi que de mieux comprendre la relation glacier-climat aux differentes echelles, depuis celle d'un glacier jusqu'a celle d'un massif. Sur le glacier, l'evolution des bilans peut etre parfois tres differente d'un point a l'autre liee a la sensibilite variable du bilan selon l'altitude. Cette etude met en evidence les disparites liees aux donnees d'accumulation hivernale et les limites d'un modele lineaire de variation pour decrire les bilans sur un glacier. En revanche, la coherence de differents glaciers entre eux peut etre tres forte si l'on passe a l'echelle du massif. C'est le cas dans les alpes et en scandinavie, meme si certaines periodes montrent de tres fortes inhomogeneites de variations, probablement liees au role plus important de l'accumulation hivernale. Cette coherence disparait cependant pour d'autres massifs parfois moins etendus comme les glaciers americains ou la zone d'accumulation du groenland. Pour cette derniere, les analyses montrent qu'il est difficile d'extraire un signal annuel coherent distinct du bruit de mesure. Enfin, l'etude des donnees meteorologiques et de l'oscillation nord atlantique (nao) permet de detailler les reponses des bilans aux sollicitations climatiques sur les dernieres decennies. Il semble que les modifications des

Dans le contexte actuel du réchauffement climatique, l'une des principales sources d'incertitude pour l'élévation du niveau de la mer est la contribution de la calotte Antarctique. L'étendue et les conditions météorologiques extrêmes de ce continent font de la télédétection spatiale un moyen utile pour son suivi sur le long terme. Les observations satellites altimétriques et radiométriques dans la gamme des micro-ondes rendent compte de l'évolution des propriétés du manteau neigeux de la calotte. L'altimétrie radar, par des mesures répétées de l'élévation de la topographie de surface, permet de quantifier les variations de volume sur l'ensemble du continent. Cependant, la pénétration de l'onde radar dans la neige affecte négativement cette quantification. Les méthodes proposées pour minimiser les erreurs de pénétration sont toutes basées sur des relations avec le coefficient de rétrodiffusion radar. La compréhension des variations annuelles et inter-annuelles du coefficient de rétrodiffusion est nécessaire pour améliorer la précision de l'estimation de l'élévation de la surface donc du bilan de volume de la calotte. Cette thèse a pour objectif d'étudier le coefficient de rétrodiffusion mesuré par les altimètres sur l'ensemble du continent, sujet qui jusqu'à aujourd'hui a reçu peu d'attention. Les altimètres radars embarqués à bord d'ENVISAT (bandes S et Ku) et de SARAL/AltiKa (bande Ka) ont des sensibilités différentes aux propriétés de la neige. Nous nous sommes intéressés aux caractéristiques annuelles et inter-annuelles des coefficients de rétrodiffusion dans ces trois bandes. Une étude de sensibilité a été réalisée avec un modèle électromagnétique afin de déterminer les propriétés du manteau neigeux qui dominent le signal saisonnier. On montre que le signal saisonnier est sensible à la densité et la rugosité de surface dans la bande S, à la température de la neige dans la bande Ka et à l'une ou à l'autre de ces variables selon la région dans la bande Ku. Les caractéristiques saisonnières du coefficient de rétrodiffusion sont ensuite comparées à celles des températures de brillance acquises par les radiomètres à bord de SARAL et de SSM/I. Les résultats indiquent une influence significative de la rugosité de surface sur les températures de brillance de la bande Ka, influence souvent considérée négligeable dans la modélisation de la température de brillance. Cette étude apporte une meilleure connaissance de la dynamique saisonnière des propriétés de proche surface de la calotte Antarctique. Elle fournit de nouveaux indices pour développer dans le futur des algorithmes robustes de correction de l'erreur de pénétration. Elle met également en lumière l'importance des missions altimétriques multi-fréquences et les possibilités qu'offrent le signal de la bande S pour l'étude des variabilités saisonnières de la rugosité de surface. En définitive, la rugosité de surface est un paramètre important à prendre en compte pour obtenir de meilleures estimations et modélisations des coefficients de rétrodiffusion et des températures de brillance
In the context of global climate changes, the Antarctic ice sheet contribution to sea-level rise is one of the main uncertainty sources. The extent and extreme meteorological conditions of this continent render remote sensing a useful tool for long term monitoring. Altimetry and radiometry observations in the microwave range reveal variations of the volume of the ice sheet and surface properties of the snowpack. Radar altimeters, provide repeated observations of the surface topography elevation, which allow the quantification of volume variations of the ice sheet. However, the penetration of radar waves in dry and cold snowpack adversely affects the estimated surface elevation. Approaches to minimize the penetration error are all based on a relationship with the backscattering coefficient. Understanding the annual and interannual variations of the backscattering coefficient is thus a key issue in order to improve the estimation accuracy of the surface elevation and to refine the ice-sheet volume trend. This thesis aims at studying the backscattering coefficients acquired by radar altimeters, which until now have received little attention. Radar altimeters on board ENVISAT (S and Ku bands) and SARAL/AltiKa (Ka band) have different sensitivities to the snowpack properties. The annual and interannual variations of the backscattering coefficient at the three bands is investigated. Sensitivity tests are carried out with an electromagnetic model to determine the prevailing snowpack properties that drive the signal. The seasonal signal is sensitive to surface density and roughness at S band, to snow temperature at Ka band and to either snow surface density and roughness or temperature depending on the location on the continent at Ku band. The seasonal signal of the backscattering coefficient is then compared with that of the brightness temperature measured by radiometers on SARAL and SSM/I. The results show a significant influence of surface roughness on brightness temperatures at Ka band, which has often been neglected in brightness temperature modeling studies. This thesis provides a better understanding of the seasonal dynamics of the near surface properties of the Antarctic ice sheet. It also provides new clues to build a more robust corrections of the penetration errors in the future. It highlights the importance of multi-frequency altimetry missions and the potential of the S band to study the seasonal variability in surface roughness. In summary, surface roughness is an important property which should be taken into account for a better modeling of backscattering coefficient and brightness temperature

Recent progress in the modelling of the dynamics of the Antarctic ice sheet has led to a paradigm shift in the perception of the Antarctic ice sheet in a changing climate. New understanding of the dynamics of the Antarctic ice sheet now suggests that the response of the Antarctic ice sheet to climate change will be driven by instability mechanisms in marine sectors. As concerns have grown about the response of the Antarctic ice sheet in a warming climate, interest has grown simultaneously in predicting with quantified uncertainty the evolution of the Antarctic ice sheet and in clarifying the role played by uncertainties in predicting the response of the Antarctic ice sheet to climate change. Essential ice-sheet models have recently emerged as computationally efficient ice-sheet models for large-scale and long-term simulations of the ice-sheet dynamics and integration into Earth system models. Essential ice-sheet models, such as the fast Elementary Thermomechanical Ice Sheet (f.ETISh) model developed at the Université Libre de Bruxelles, achieve computational tractability by representing essential mechanisms and feedbacks of ice-sheet thermodynamics through reduced-order models and appropriate parameterisations. Given their computational tractability, essential ice-sheet models combined with methods from the field of uncertainty quantification provide opportunities for more comprehensive analyses of the impact of uncertainty in ice-sheet models and for expanding the range of uncertainty quantification methods employed in ice-sheet modelling. The main contributions of this thesis are twofold. On the one hand, we contribute a new assessment and new understanding of the impact of uncertainties on the multicentennial response of the Antarctic ice sheet. On the other hand, we contribute new methods for uncertainty quantification of geometrical characteristics of the spatial response of physics-based computational models, with, as a motivation in glaciology, a focus on predicting with quantified uncertainty the retreat of the grounded region of the Antarctic ice sheet. For the first contribution, we carry out new probabilistic projections of the multicentennial response of the Antarctic ice sheet to climate change using the f.ETISh model. We apply methods from the field of uncertainty quantification to the f.ETISh model to investigate the influence of several sources of uncertainty, namely sources of uncertainty in atmospheric forcing, basal sliding, grounding-line flux parameterisation, calving, sub-shelf melting, ice-shelf rheology, and bedrock relation, on the continental response on the Antarctic ice sheet. We provide new probabilistic projections of the contribution of the Antarctic ice sheet to future sea-level rise; we carry out stochastic sensitivity analysis to determine the most influential sources of uncertainty; and we provide new probabilistic projections of the retreat of the grounded portion of the Antarctic ice sheet. For the second contribution, we propose to address uncertainty quantification of geometrical characteristics of the spatial response of physics-based computational models within the probabilistic context of the random set theory. We contribute to the development of the concept of confidence sets that either contain or are contained within an excursion set of the spatial response with a specified probability level. We propose a new multifidelity quantile-based method for the estimation of such confidence sets and we demonstrate the performance of the proposed method on an application concerned with predicting with quantified uncertainty the retreat of the Antarctic ice sheet. In addition to these two main contributions, we contribute to two additional pieces of research pertaining to the computation of Sobol indices in global sensitivity analysis in small-data settings using the recently introduced probabilistic learning on manifolds (PLoM) and to a multi-model comparison of the projections of the contribution of the Antarctic ice sheet to global mean sea-level rise.
Les progrès récents effectués dans la modélisation de la dynamique de la calotte polaire de l'Antarctique ont donné lieu à un changement de paradigme vis-à-vis de la perception de la calotte polaire de l'Antarctique face au changement climatique. Une meilleure compréhension de la dynamique de la calotte polaire de l'Antarctique suggère désormais que la réponse de la calotte polaire de l'Antarctique au changement climatique sera déterminée par des mécanismes d'instabilité dans les régions marines. Tandis qu'un nouvel engouement se porte sur une meilleure compréhension de la réponse de la calotte polaire de l'Antarctique au changement climatique, un intérêt particulier se porte simultanément vers le besoin de quantifier les incertitudes sur l'évolution de la calotte polaire de l'Antarctique ainsi que de clarifier le rôle joué par les incertitudes sur le comportement de la calotte polaire de l'Antarctique en réponse au changement climatique. D'un point de vue numérique, les modèles glaciologiques dits essentiels ont récemment été développés afin de fournir des modèles numériques efficaces en temps de calcul dans le but de réaliser des simulations à grande échelle et sur le long terme de la dynamique des calottes polaires ainsi que dans l'optique de coupler le comportement des calottes polaires avec des modèles globaux du sytème terrestre. L'efficacité en temps de calcul de ces modèles glaciologiques essentiels, tels que le modèle f.ETISh (fast Elementary Thermomechanical Ice Sheet) développé à l'Université Libre de Bruxelles, repose sur une modélisation des mécanismes et des rétroactions essentiels gouvernant la thermodynamique des calottes polaires au travers de modèles d'ordre réduit et de paramétrisations. Vu l'efficacité en temps de calcul des modèles glaciologiques essentiels, l'utilisation de ces modèles en complément des méthodes du domaine de la quantification des incertitudes offrent de nombreuses opportunités afin de mener des analyses plus complètes de l'impact des incertitudes dans les modèles glaciologiques ainsi que de développer de nouvelles méthodes du domaine de la quantification des incertitudes dans le cadre de la modélisation glaciologique. Les contributions de cette thèse sont doubles. D'une part, nous contribuons à une nouvelle estimation et une nouvelle compréhension de l'impact des incertitudes sur la réponse de la calotte polaire de l'Antarctique dans les prochains siècles. D'autre part, nous contribuons au développement de nouvelles méthodes pour la quantification des incertitudes sur les caractéristiques géométriques de la réponse spatiale de modèles physiques numériques avec, comme motivation en glaciologie, un intérêt particulier vers la prédiction sous incertitudes du retrait de la région de la calotte polaire de l'Antarctique en contact avec le lit rocheux. Dans le cadre de la première contribution, nous réalisons de nouvelles projections probabilistes de la réponse de la calotte polaire de l'Antarctique au changement climatique au cours des prochains siècles à l'aide du modèle numérique f.ETISh. Nous appliquons des méthodes du domaine de la quantification des incertitudes au modèle numérique f.ETISh afin d'étudier l'impact de différentes sources d'incertitude sur la réponse continentale de la calotte polaire de l'Antarctique. Les sources d'incertitude étudiées sont relatives au forçage atmosphérique, au glissement basal, à la paramétrisation du flux à la ligne d'ancrage, au vêlage, à la fonte sous les barrières de glace, à la rhéologie des barrières de glace et à la relaxation du lit rocheux. Nous réalisons de nouvelles projections probabilistes de la contribution de la calotte polaire de l'Antarctique à l'augmentation future du niveau des mers; nous réalisons une analyse de sensibilité afin de déterminer les sources d'incertitude les plus influentes; et nous réalisons de nouvelles projections probabilistes du retrait de la région de la calotte polaire de l'Antarctique en contact avec le lit rocheux.Dans le cadre de la seconde contribution, nous étudions la quantification des incertitudes sur les caractéristiques géométriques de la réponse spatiale de modèles physiques numériques dans le cadre de la théorie des ensembles aléatoires. Dans le cadre de la théorie des ensembles aléatoires, nous développons le concept de régions de confiance qui contiennent ou bien sont inclus dans un ensemble d'excursion de la réponse spatiale du modèle numérique avec un niveau donné de probabilité. Afin d'estimer ces régions de confiance, nous proposons de formuler l'estimation de ces régions de confiance dans une famille d'ensembles paramétrés comme un problème d'estimation de quantiles d'une variable aléatoire et nous proposons une nouvelle méthode de type multifidélité pour estimer ces quantiles. Finalement, nous démontrons l'efficacité de cette nouvelle méthode dans le cadre d'une application relative au retrait de la région de la calotte polaire de l'Antarctique en contact avec le lit rocheux. En plus de ces deux contributions principales, nous contribuons à deux travaux de recherche additionnels. D'une part, nous contribuons à un travail de recherche relatif au calcul des indices de Sobol en analyse de sensibilité dans le cadre de petits ensembles de données à l'aide d'une nouvelle méthode d'apprentissage probabiliste sur des variétés géométriques. D'autre part, nous fournissons une comparaison multimodèle de différentes projections de la contribution de la calotte polaire de l'Antarctique à l'augmentation du niveau des mers.
Doctorat en Sciences
info:eu-repo/semantics/nonPublished

La déformation plastique du monocristaI de glace se produit essentiellement par glissement de dislocations dans les plans de base. Le glissement sur d'autres systèmes ou une éventuelle montée de dislocations basales limite la vitesse de déformation de la glace polycristalline. Dans les glaces des calottes polaires, une orientation préferentielle des axes c se développe au cours de la déformation, induisant une forte anisotropie viscoplastique. Un modèle auto-cohérent viscoplastique (VPSC) est utilisé pour calculer le comportement mécanique de la glace polycristalline et le développement des textures. Les résultats sont comparés à ceux du modèle à contraintes uniformes (borne inférieure) et à déformations uniformes (borne supérieure). Dans les modèles, il est supposé que le monocristal de glace se déforme par glissement basal, prismatique, et pyramidal. La résistance des systèmes de glissement d'un grain in-situ est déterminée à partir de résultats d'essais mécaniques sur des échantillons polycristallins fortement anisotropes. D'après le modèle VPSC, le comportement d'un grain in-situ est semblable à celui d'un monocristal isolé. Ce modèle reproduit parfaitement le comportement expérimental des glaces polycristallines anisotropes. Lorsqu'un polycristal est déformé de telle manière à ce que le glissement basal soit difficilement activé, la direction de la vitesse de déformation est très sensible à la direction de la contrainte, appliquée. De telles conditions de déformation devraient se retrouver dans le voisinage des dômes des calottes polaires. Dans les couches de surface des calottes polaires (zone de grossissement de grains), le modèle VPSC permet d'obtenir une bonne estimation du développement des textures. Dans les glaces plus profondes, on montre que la recristallisation par rotation a une influence significative sur le développement des textures. Une série d'essais mécaniques en laboratoire indique une tendance au comportement newtonien sous de très faibles contraintes.

La calotte polaire Antarctique conditionne un flux d’eau douce dans l’océan Austral par deux voies d’égale importance : une injection immédiate et localisée par fonte des plateformes glaciaires, et une injection « offshore » et différée par production (« vêlage ») puis fonte d’icebergs. On estime ainsi que les icebergs, en fondant, pourraient modifier les caractéristiques hydrologiques et biogéochimiques de la colonne d’eau. Les modèles numériques visant à estimer cet impact présentent des résultats contrastés. Ils sont limités dans leurs stratégies de représentations des icebergs, notamment parce que les connaissances sur la distribution spatiale et de taille des icebergs ou encore leurs mécanismes de perte de masse sont réduites. Une méthode récente exploitant des mesures par altimétrie satellitaire a permis la création d’une base de données cartographiant la distribution des icebergs Antarctiques avec une couverture spatiale et temporelle inédite. Notre analyse conjointe entre ces données et des champs de concentration en glace de mer met en lumière le transport d’eau douce injecté par les icebergs et son impact sur la banquise. On analyse également les liens entre icebergs de différentes tailles : les gros peuvent être vus comme des réservoirs de volume de glace, qu’ils diffusent dans tout l’océan en se fragmentant en petits icebergs de différentes tailles. On étudie alors l’évolution de deux icebergs géants, on propose une première paramétrisation du phénomène de fracturation et analyse la distribution de taille résultante. Ces résultats peuvent permettre une représentation plus réaliste du flux d'eau douce conditionné par les icebergs dans les modèles
The Antarctic polar ice cap constrains a freshwater flaux into the Austral Ocean through two equally important pathways : a localized and immediate injection through the melting of ice-shelves bases, and a delayed offshore injection through the calving and subsequent melt of icebergs. Some studies reckon that melting icebergs have the capacity to alter the hydrological and biogeo-chemical characteristics of the water column. The numerical models trying to evaluate this impact have shown contrasting results. Yet, they might suffer from a poor representation of the icebergs, namely due to our limited knowledge on both the spatial and size distributions of the icebergs, or even the processes involved in their mass loss. A new method using satellite altimetry measurements has lead to the creation of a database mapping Antarctic icebergs distribution with an unprecedented spatial and temporal coverage. Our joint analysis between these data and sea ice concentration fields highlights a possible transport of the freshwater injected by an iceberg and its impacts on sea ice.We also analyze the links between icebergs of different sizes : the large ones can be seen as ice buffers that diffuse across the whole ocean when breaking into small fragments of various sizes. We finally study the evolution of two giant icebergs, suggest the first parametrization of the fragmentation process and analyze the subsequent size distribution of the fragments. These results can be valuable to account in a more realistic way the fresh water flux constrained by icebergs in models

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.

Le cristal de glace est l'un des matériaux naturels les plus anisotropes. L'analyse des glaces polaires indique que les cristaux s'orientent selon des directions privilégiées et que la fabrique (distribution des orientations cristallines des grains) du polycristal de glace est le résultat de l'histoire des déformations que ce polycristal a subi. Le comportement macroscopique du polycristal dépend de la fabrique et peut être lui aussi fortement anisotrope. Il a été montré que cette anisotropie est propice à créer des perturbations de la stratigraphie et qu'elle influence fortement l'écoulement de la calotte.
L'objectif de cette étude est de construire un modèle d'écoulement pour la glace polaire anisotrope et l'évolution de sa fabrique.
Dans ce but, nous modélisons le monocristal de glace comme un matériau continu orthotrope de révolution autour de son axe c et nous le comparons à un modèle de grain à plans de glissement. La fabrique est décrite de manière continue par le tenseur d'orientation d'ordre 2 et une fonction de fermeture pour le tenseur d'orientation d'ordre 4. Par homogénéisation, en supposant des contraintes ou des vitesses de déformation uniformes, nous obtenons des solutions analytiques pour le comportement du polycristal de glace et l'évolution de sa fabrique. A partir de ces solutions, nous adoptons une loi de comportement orthotrope linéaire pour le polycristal et une équation d'évolution pour le tenseur d'orientation du second ordre. Ces équations permettent de bien reproduire les résultats du modèle auto-cohérent utilisant une description discrète de la fabrique, avec un gain important au niveau du temps de calcul et du nombre de variables nécessaires pour décrire la fabrique.
Ces équations sont implantées ensuite dans un code aux éléments finis utilisé pour simuler l'écoulement d'une calotte polaire présentant une anisotropie induite évolutive. Par des tests synthétiques, nous montrons l'influence de l'anisotropie sur l'écoulement de la calotte. Enfin, nous présentons une analyse des données de fabrique du forage de Dôme C à la lumière de notre modèle.