Étude de la variabilité des conditions océanographiques et climatiques en Antarctique de l'Est (Terre Adélie-Georges V) au cours de l'Holocène tardif et de la période instrumentale PDF Download

Author: Philippine Campagne
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La banquise Antarctique joue un rôle important sur les flux de chaleur et les échanges de gaz à l'interface océan-atmosphère, sur la circulation océanique globale, sur l'albédo et la productivité primaire de l'Océan Austral. Cependant, du fait de son éloignement et d'un climat extrême, cette région reste à ce jour encore peu étudiés, et représente un verrou pour les modèles prédictifs du climat. De plus, de récentes observations ont montré que le continent Antarctique présente des tendances régionales, dont les causes et les mécanismes sont encore mal compris. Les reconstructions paléoclimatiques de températures tendent à montrer que ces disparités régionales ont également caractérisé la période Holocène. L'Holocène tardif représente la période sur laquelle le réchauffement récent se produit et est également caractérisée par des variations climatiques rapides généralement de plus faibles amplitudes. Afin de mieux évaluer ces changements, l'étude fine des conditions environnementales passées en Antarctique au cours de l'Holocène tardif est essentielle afin d'isoler la part de variabilité climatique naturelle de la part anthropique. Bien qu'un vaste réseau de carottes de glace en Antarctique constitue une base d'informations robuste sur la variabilité atmosphérique passée dans l'Hémisphère Sud, l'étude des conditions paléocéanographiques est contrainte dans la région par le nombre limité d'enregistrements sédimentaires marins,et qui de plus, tendent à être de faible résolution, trop courts ou discontinus. Notre étude porte sur la zone marginale du plateau de la Terre Adélie-Georges V en Antarctique de l'Est, qui a reçu peu d'attention jusqu'à présent, malgré la présence de séquences sédimentaires très épaisses et laminées, permettant la reconstruction fine des variations climatiques passées. Nos travaux ont été réalisés à partir de plusieurs enregistrements sédimentaires marins, couvrant la période instrumentale et jusqu'aux deux derniers millénaires. Nos résultats montrent que les assemblages de diatomées, les biomarqueurs spécifiques des diatomées, ainsi que de la géochimie élémentaire du sédiment traduisent efficacement des variations océanographiques et climatiques locales et aussi régionales à l'échelle interannuelle à centennale. La dynamique couplée océan-atmosphère en lien avec les modes climatiques principaux de l'Hémisphère Sud, ainsi que la dynamique glaciaire constituent les mécanismes de forçage majeurs des changements du couvert de banquise au court de l'Holocène tardif.

Author: Katy Pol
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Le réchauffement climatique en cours pose la question de l’évolution de la variabilité du climat. A côté de la modélisation, la caractérisation des relations entre états moyens et variabilité passés est une source d’informations précieuses pour comprendre les observations actuelles et prédire l’évolution climatique future. Le forage EPICA Dôme C (EDC) de l’Antarctique de l’Est, a déjà produit un enregistrement continu sur 800 000 ans (800 ka) des variations de températures passées. Leur reconstruction repose sur l’analyse isotopique de l’eau contenue dans la glace. Découpée tous les 55 cm puis tous les 11 cm, la carotte d’EDC a fourni deux sortes d’échantillons pour la mesure : les « Bags », à l’origine du précédent enregistrement, et les « séries fines » qui restaient encore inexploitées. Si les Bags ont permis de couvrir une longue période de temps, leur faible résolution empêche la description détaillée des changements de températures, à l’échelle sub-millénaire en particulier. La mesure des seconds échantillons promet ainsi d’augmenter, d’un facteur 5, la résolution temporelle accessible pendant les périodes de notre choix, et améliorer en même temps, la documentation de la variabilité climatique qui les caractérise. Quatre interglaciaires ont ainsi été choisis : les stades 5 et 7 (datés il y a ~125 et 240 ka) pour leurs caractéristiques climatiques particulières (intensité et durée notamment), et les stades 11 et 19 (~400 et ~780 ka), pour leur configuration orbitale proche de l’actuelle. Grâce à nos nouvelles mesures, la variabilité climatique pendant ces interglaciaires est désormais documentée à une résolution de 20, 30, 50 et 130 ans respectivement. Les premiers résultats obtenus pour le stade 19 restent quelque peu décevants car non révélateurs d’une quelconque variabilité sub-millénaire pendant cet interglaciaire. En cause, la diffusion isotopique, processus physique qui efface progressivement les informations climatiques contenues dans la glace, et qui est ici anormalement accentuée par des températures « chaudes » (>-10°C) au fond de la carotte d’EDC. Bien que frustrante en terme d’informations climatiques, la mise en relief d’un tel phénomène reste primordiale pour de futurs projets, qui cherchent à trouver le meilleur site antarctique possible, afin de remonter encore plus loin dans le passé. La valeur ajoutée des nouvelles mesures pour la caractérisation de la variabilité climatique pendant les stades 5, 7 et 11, reste confirmée. On montre ainsi, qu’à l’image de l’Holocène, chacune des périodes interglaciaires étudiées présente une variabilité multi-décennale à multi-centennale. Cette variabilité est de plus caractérisée par des changements en termes d’amplitude, qui présentent un lien avec les variations à long terme (échelle orbitale) du climat. Une première caractéristique se dégage : le niveau de variabilité pendant les interglaciaires augmente pendant les phases de refroidissement, prémices possibles de la forte variabilité rencontrée pendant les périodes glaciaires. Dans un second temps, on montre que le ralentissement ou l’accélération des tendances à long terme engendre la décroissance ou l’augmentation de la variabilité pendant nos interglaciaires. Ces changements de variance correspondent également à des modifications de périodicités dominantes dans les analyses spectrales, qui soulignent la mise en place de nouvelles structures climatiques au moment des changements en amplitude de variabilité. Les mécanismes responsables de ces changements de variabilité, au cours des périodes interglaciaires, restent toutefois difficiles à établir, à cause : (i) des incertitudes de datation qui entachent sensiblement les analyses spectrales et les valeurs de périodicités ainsi révélées, et (ii) du manque d’autres archives climatiques disponibles à de telles résolutions, qui permettraient de mieux connaître les forçages naturels (soleil/volcan) et rétroactions (circulations atmosphérique et océanique) à l’œuvre à ces échelles de temps. Nos données pourront finalement servir à la modélisation, qui offre désormais la possibilité de simuler l’ensemble du système climatique sur des périodes longues (~10 000 ans).

Author: Loïc Barbara
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Durant les dernières décennies, la Péninsule Antarctique a été identifiée comme étant la région où le réchauffement récent est le plus marqué dans l'Hémisphère Sud. Cependant, au-delà de la période instrumentale, la variabilité climatique Holocène de cette partie du globe est en grande partie inconnue. Cette absence de données limite notre capacité à évaluer les l'amplitude des changements actuels dans le contexte de la variabilité historique ainsi que les mécanismes de forçage sous-jacents. Nous avons ainsi ciblé nos analyses sur des enregistrements sédimentaires prélevés à l'Est et à l'Ouest de la Péninsule Antarctique, avec pour objectif d'étendre les connaissances spatiales et temporelles des conditions de l'océan de surfaces dans ce secteur de l'Antarctique au cours du dernier siècle, du dernier millénaire ainsi que durant l'Holocène. La méthodologie de cette thèse est basée sur une comparaison multi-proxies qui inclut, comme outils principaux, les assemblages des diatomées et les biomarqueurs spécifiques de diatomées (HBIs). Nous avons pu ainsi documenter la réponse régionale environnementale aux variations climatiques à différentes échelles de temps, et définir les mécanismes forçant sur la variabilité des conditions d'océan de surface ainsi que la formation du couvert de banquise en Péninsule Antarctique. La comparaison de nos enregistrements avec des données issues des carottes de glace, a permis de mettre en évidence le rôle important des changements d'intensité des cellules atmosphériques sur la dynamique de la circulation océanique, la durée du cycle saisonnier de banquise et la productivité siliceuse.

Author: Daphné Buiron
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Le réchauffement climatique enregistré depuis le début du siècle, et imputé en grande partie à la production massive de gaz à effets de serre par les activités anthropiques, se traduit par différentes réponses du système climatique terrestre. Les projections pour l'évolution climatique future requièrent l'utilisation de modèles, dont la fiabilité dépend en partie des tests conduisibles sous des conditions aux limites variables. Afin de contraindre les paramètres mal connus de ces modèles, l'étude des climats du passé constitue un moyen adapté. Le projet TALDICE de forage dans la glace prend place dans ce contexte général. Son objectif principal vise à enrichir notre connaissance de la variabilité climatique passée enregistrée sur le continent antarctique, en focalisant plus particulièrement sur les disparités régionales et le comportement des régions situées en bordure du plateau est-antarctique, notamment lors de variations rapides du climat. Le forage glaciaire profond TALDICE a été conduit à Talos Dome, en Terre de Victoria, près de la Mer de Ross. Dans ce travail de thèse nous nous sommes attelés à la construction d'une échelle d‘âge précise pour la carotte TALDICE, en nous appuyant, dans un premier temps, sur l'analyse du méthane et des isotopes de l'air contenu dans les bulles incluses au sein de la matrice glaciaire, et dans un second temps, sur l'utilisation de divers modèles de datation, dont une nouvelle méthode inverse optimisant la cohérence entre les marqueurs stratigraphiques et les contraintes glaciologiques. L'échelle d'âge TALDICE-1 ainsi édifiée a permis 1) de montrer que l'enregistrement climatique de la carotte était exploitable sans hiatus jusqu'à un âge de 250.000 ans avant notre ère, 2) de discuter les relations de phase des évènements climatiques rapides observés durant la dernière déglaciation et la fin de la période glaciaire (stade isotopique marin n°3) entre TALDICE et d'autres carottes de glace issues des deux hémisphères. Une analyse multi-proxies, accompagnéee par l'exploitation de simulations d'un modèle de climat global couplé océan-atmosphère (le modèle IPSL-CM4), nous a permis de conclure 1) à la synchronicité du signal climatique de TALDICE avec ceux des autres régions antarctiques lors des variations rapides de température, étendant ainsi à cette région l'empreinte du mécanisme de bascule bipolaire lors des variations climatiques rapides, 2) à l'observation de disparités régionales dans les taux de changement de la température entre les différents secteurs de l'Océan Austral, probablement gouvernées par des variations locales du couvert de glace de mer, ainsi que de l'intensité et de la localisation des vents zonaux. Nous concluons à une sensibilité accrue du secteur atlantique de l'Océan Austral lors des variations globales de température par rapport au secteur indien.

Author: Delphine Denis
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L'Holocène a été marqué par une variabilité plurimillénaire, ponctuée par une variabilité millénaire rapide. L'étude d'enregistrements à forts taux de sédimentation couplée à une approche multi-proxy s'avère indispensable pour comprendre la dynamique de la machine climatique au cours de l'Holocène à travers tous ses compartiments climatiques: cryosphère, océan, banquise, atmosphère et biosphère. Nous avons appliqué ce type d'approche multi-échelle et multi-proxy à deux enregistrements marins de la marge continentale Est Antarctique afin d'appréhender les variations climatiques d'une échelle plurimillénaire à séculaire au cours de l'Holocène dans l'environnent singulier de la zone marginale des glaces. Cette étude a permis de caractériser la réponse des différents compartiments climatiques en Antarctique aux variations d'ordre plurimillénaire à millénaire et de documenter la cohérence spatiale de ces changements à l'échelle de l'Antarctique grâce à une comparaison modèle-donnée. Cette approche a permis de souligner les forçages climatiques intervenant à l'échelle du forçage orbital et de documenter les connections inter sous-systèmes climatiques, mettant en lumière le rôle clé de la banquise. A l'échelle sub-Milankovitch, les compartiments climatiques affichent aussi des réponses synchrones mais les facteurs forçant restent à éclaircir.

Author: Simon Waly Faye
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« La circulation atmosphérique dans l'hémisphère Sud est principalement contrôlée par les forts vents de la ceinture des vents d’ouest. Ces vents ont une influence considérable sur la circulation océanique dans l’Atlantique Sud et le Pacifique Sud. La Patagonie est la seule masse continentale qui intercepte l’essentiel des vents d’ouest et représente donc une région clé pour l’étude des variations passées de ces vents. Cependant, l’étude sur la dynamique de ces vents fait l’objet de discussion dans la littérature scientifique. En outre, la majeure partie de ces études en lien avec les conditions océaniques dans le Pacifique Sud est localisée dans la partie ouest de la Patagonie. Par contre, la variation passée de ces vents en relation avec les conditions océaniques dans l’Atlantique Sud reste faiblement documentée. Sous cet angle, 52 échantillons de surface et 3 carottes sédimentaires prélevés dans le golfe de San Jorge (GSJ), situé dans l’Atlantique Sud-Ouest, ont été étudiés dans cette thèse. L’objectif était de mieux saisir les interactions entre le climat actuel et passé, la végétation et les conditions océaniques dans l’Atlantique Sud. Dans le chapitre 1, la distribution spatiale des assemblages modernes de kystes de dinoflagellés à partir des échantillons de surface a permis d’établir une base de données de référence pour les interprétations paléocéanographiques en identifiant les assemblages qui reflètent les conditions modernes de surface dans le golfe. À partir des résultats, deux assemblages ont été identifiés. Le premier assemblage est situé dans le GSJ alors que le second assemblage est localisé au large du GSJ. Les assemblages de kystes de dinoflagellés sont dominés par les taxons autotrophes avec une forte présence de taxons hétérotrophes au nord et au large du GSJ. La distribution des kystes de dinoflagellés semble être contrôlée par l’upwelling au large, la présence de proies (e.g. les diatomées) et la productivité primaire. Dans le Chapitre 2, les patrons de dispersion moderne du pollen et des spores ont été caractérisés en relation avec les provinces phytogéographiques adjacentes au golfe à partir des échantillons de surface. Les résultats ont permis également d’établir une base de données moderne pour décrire l’histoire de la végétation et de décrire les flux d’apports éoliens afin d’identifier des indicateurs pour étudier les variations passées des vents d’ouest. Les résultats attestent que la distribution pollinique reflète la végétation adjacente au GSJ et ainsi démontrent la validité des études polliniques dans la zone d’étude. Dans les sédiments, nous avons retrouvé le pollen de Nothofagus et de Podocarpus transportés sur une longue distance (~350 km) par les vents d’ouest vers le GSJ. L’abondance de ces taxons dans les sédiments du golfe a été identifiée comme un excellent traceur pour décrire la dynamique passée des vents d’ouest. Dans le chapitre 3, les assemblages fossiles de pollen & spores et de kystes de dinoflagellés préservés dans 3 séquences sédimentaires dans le GSJ ont permis de documenter l’histoire de la végétation, de retracer la migration latitudinale de la ceinture des vents d’ouest dominants en relation avec les conditions océaniques dans le golfe durant le Pléistocène supérieur et l’Holocène. Les résultats des chapitres précédents ont été utilisés comme bases de données modernes dans l’interprétation des archives sédimentaires. Les assemblages sporo-polliniques fossiles et de kystes de dinoflagellés combinés aux données sédimentologiques, géochronologiques (AMS-14C) suggèrent des conditions arides et un environnement subaérien probablement lagunaire avant 14 000 cal BP dans le GSJ. Cette période est suivie d’une immersion du golfe et d’une transition vers des conditions semi-arides sur le continent marquées par le développement de la steppe patagonienne. L’indice P:D (indicateur des apports continentaux) et les flux de pollen de Nothofagus dans le GSJ ont été identifiés comme des indicateurs de l’intensité des vents d’ouest. Les résultats suggèrent une position nord des vents d’ouest au cours du Pléistocène supérieur, puis une migration sud durant l’Holocène inférieur suivi d’une migration progressive vers le nord durant le reste de l’Holocène. Cette migration progressive est marquée par une intensification des vents d’ouest au centre de la Patagonie à la fin l’Holocène inférieur jusqu’à l’Holocène moyen entrainant une augmentation de la productivité dans le GSJ en raison de la fertilisation du golfe par les flux terrigènes. -- Mot(s) clé(s) en français : Ceinture des vents d’ouest, distribution pollinique, kystes de dinoflagelés, Patagonie, plateau continental argentin. »--

Author: Jorge Alvarez-Solas
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Pages : 256

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La période du Quaternaire est caractérisée par une alternance de périodes froides, les phases glaciaires, dans lesquelles deux calottes additionnelles se développent sur l'hémisphère Nord (en Amérique du Nord et en Eurasie), et des périodes relativement chaudes (similaires à l'Holocène) où les seules calottes de glace présentes à la surface du globe sont le Groenland et l'Antarctique. L'étude des carottes marines et continentales ainsi que celles de glace ont révélé l'existence d'une variabilité millénaire dans le système climatique du Quaternaire. Cette variabilité semble beaucoup plus importante lors des périodes glaciaires que lors des périodes interglaciaires, mais à l'heure actuelle il n'existe toujours pas un consensus total sur son origine. Premièrement, le Dansgaard-Oeschger sont caractérisés par de transitions abruptes (quelques décennies), mais d'un caractère pseudo-périodique d'une fréquence trop élevée pour être associée aux seules variations de l'insolation dues à des changements orbitaux. Deux types d'explications concernant le mécanisme déclencheur ont été proposées: un forçage périodique externe et des oscillations internes au système climatique dans lesquelles la circulation océanique est vraisemblablement impliquée. Quels sont exactement ces mécanismes ? Comment les différents sous-systemes climatiques interagissent entre eux ? Pourquoi cette variabilité se manifeste-t-elle plus fortement en période glaciaire ? Ces questions intrigantes, qui restent toujours d'actualité au sein de la communauté scientfiique, constituent l'objet principal de cette thèse. J'ai donc essayé au cours de ce travail d'apporter de nouvelles réponses plus cohérentes avec nos connaissances actuelles des différents sous-systèmes. En particulier, les épisodes de dépôts de matériel détritique qui ont marqué les enregistrements sédimentaires de l'Océan Nord-Atlantique glaciaire (connus comme les événements de Heinrich) sont toujours particulièrement durs à comprendre. Ces événements sont attribués à un relargage massif d'icebergs originairesdes calottes polaires de l'hémisphère Nord, mais le mécanisme permettant le développement de ces immenses flottes d'icebergs fait encore l'objet d'une controverse passionnante.Nous utilisons ici un modéle numérique conceptuel pour simuler les effets des changements de la circulation océanique sur la géometrie des plates-formes de glace flottantes. Nous analisons l'impacte de ces changements sur la dynamique des fleuves de glace et de la calotte posée. Nos résultats demontrent que des oscillations de la température océanique impactent la fusion basale sous les plates-formes et génèrent des débâcles périodiques d'icebergs vers la mer. Ce travail est ensuite focalisé sur l'événement de Heinrich 1. Grâce à des simulations effectués avec un modèle tri-dimensionelle des calottes polaires et un modèle climatique couplé océan-atmosphère, nous proposons un nouveau mécanisme déclencheur basé sur les effets d'un réchauffement océanique de subsurface sur la dynamique des fleuves de glace.Finalement, dans le contexte du climat actuel qui risque de se modifer considérablement du fait de la pression anthropique, une autre question surgit : est-il possible que la transition vers un climat plus chaud dans le futur provoque l'apparition d'une nouvelle variabilité rapide ? La dernière partie de cette thèse est dediée à cette thematique.

Author: Olivier Torinesi
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Dans une première partie de ce travail, la fonte estivale partielle de la neige Antarctique, qui affecte fortement l'émissivité micro-onde de la surface, est identifiée et comptabilisée au cours de 18 années sur la période 1980-1999. Pour cela, un algorithme de traitement des données satellitales s'adaptant à la variabilité spatiale et inter-annuelle de la température de brillance moyenne de la neige a été développé. Le cumul du produit de la surface affectée par la fonte par la durée de la période de fonte, appelé Cumulative Melting Surface (CMS), est un des 3 indices définis et discutés ici. En moyenne sur les 20 années, le CMS Antarctique a diminué de 1.8 [plus ou moins] 1 %/an, résultat cohérent avec un refroidissement des températures moyennes du mois de janvier sur le continent, récemment identifié par d'autres à partir de mesures dans l'infra-rouge. De plus, les indices de fonte comportent les signatures de l'Oscillation Antarctique (AO), et peut-être de l'oscillation Sud El Nino (ENSO). Les modèles actuels de circulation générale de l'atmosphère (MCGA) prennent mal en compte certaines des caractéristiques du climat des zones polaires. Ainsi, la simulation du bilan d'énergie de surface, donc la fonte, par le MCGA LMDz est encore peu fiable. Afin d'améliorer ce point, nous avons testé une paramétrisation non-locale des flux turbulents de surface pour les couches limites très durables et très stables (typiques de la longue nuit polaire antarctique). Cette paramétrisation autorise la propagation verticale des ondes de gravité depuis la troposphère libre, et simule donc l'apparition de turbulence intermittente dans la couche stable. Malgré la forte variabilité climatique inter-annuelle, il semblerait que la température du sol et l'intensité du vent soient généralement mieux décrites à l'intérieur du continent, mais un problème de découplage entre le sol et le premier niveau vertical du modèle apparaît près de Vostok.

Author: Michaël Grelaud
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Pages : 263

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L'hydrographie de surface de la marge Pacifique nord américaine est caractérisée par le système de courants de Californie dont l'intensité répond saisonnièrement à la dynamique des cellules atmosphériques nord-est Pacifique. Sur une plus grande échelle de temps, son intensité dépend d'oscillations climatiques : l'Oscillation Australe - El Nino (ENSO) et l'Oscillation Pacifique Décennale (PDO). Les assemblages fossilisés de coccolithophoridés de bassins sédimentaires océaniques (Santa Barbara et Soledad) ont permis de reconstruire la dynamique climatique de ces oscillations sur les derniers 28000 ans. L'ENSO et la PDO ont persisté durant toute cette période et se sont renforcées au cours du temps, leur cyclicité répondant à la précession des équinoxes. Les maxima de leur intensité sont observés à l'Holocène moyen et durant le 20ème siècle. L'étude morphométrique des coccolithes montre que leur calcification est principalement contrôlée par la température des eaux de surface océaniques.

Author: Marc Delmotte
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La complexite du systeme climatique necessite de recourir a une grande variete d'indicateurs pour reconstruire ses variations passees. A ce titre, les glaces polaires constituent un outil d'investigation privilegie compte tenu de la grande diversite d'informations qu'elles recelent. Dans cette etude, nous nous interessons plus particulierement au forage antarctique cotier de dss, sur le site du law-dome et aux indicateurs climatiques que constituent les teneurs isotopiques et la teneur en air de la glace. Le nombre d'analyses et la precision des mesures isotopiques requises pour l'etude d'un forage polaire demande une adaptation et une mise en oeuvre specifique des techniques classiques de spectrometrie de masse. Notre etude presente une technique nouvelle et originale d'injection des echantillons mise au point sur l'un des spectrometre de masse du laboratoire ; elle a permis d'accroitre sensiblement le rendement de l'appareil en conservant la precision experimentale. Recemment de nouvelles etudes ont remis en cause l'interpretation quantitative classique des isotopes en termes de temperature. L'analyse de nouveaux echantillons de neige de surface sur la zone de l'antarctique de l'est nous permet de discuter la validite de la relation spatiale isotope/temperature et de proposer une estimation de l'erreur associee. L'utilisation de l'exces en deuterium et d'un modele isotopique simple apportent une information supplementaire sur l'origine des precipitations actuelles. Face aux interrogations sur l'impact des activites humaines sur le climat, il est essentiel de replacer les fluctuations recentes dans la cadre de la variabilite climatique naturelle. L'unique resolution temporelle offerte par le forage de dss nous permet d'etudier en detail le climat des 4000 dernieres annees. L'analyse spectrale des enregistrements suggere l'existence de modes oscillatoires a rapprocher des phenomenes enso et/ou de l'onde circumpolaire antarctique. L'analyse de la teneur en air des echantillons de dss nous apporte enfin une information sur les variations d'altitude probablement subies par le law-dome au cours de la derniere transition climatique.