Modélisation de la transformation de la neige en glace a la surface des calottes polaires PDF Download
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Author: Laurent Arnaud (auteur en géophysique).) Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
Book Description
La glace, lorsqu'elle se forme dans les zones centrales des calottes polaires, est surmontee de plus de 100 m de neige et de neve. Au moment, ou elle emprisonne dans ces bulles l'air atmospherique, l'age de cette glace peut depasser plusieurs milliers d'annees. Ce travail contribue a preciser les etapes de cette transformation neige/neve/glace en s'appuyant sur des donnees de structure de ce milieu poreux et sur une modelisation physique de ces processus. La structure 2d a ete caracterisee grace a une nouvelle methode, basee sur l'observation en episcopie coaxiale de la surface sublimee des echantillons. A l'aide de ces donnees experimentales et au regard des theories classiques du grossissement normal des grains, le grossissement dans le neve polaire et son influence sur la microstructure ont ete etudies. La densification du neve polaire a ete modelisee en utilisant les processus physiques decrits pour le pressage a chaud des ceramiques. Notre modele physique de densification du neve permet de simuler l'ensemble des profils experimentaux, en mettant en exergue le role preponderant de la densite a la transition neige-neve liee a la competition entre les mecanismes de deformation plastique. A partir des etudes sur le grossissement des grains et du modele de densification, un modele decrivant la fermeture des pores dans le neve a ete construit. Ce modele physique permet de reproduire l'evolution des courbes experimentales de porosite fermee et de proposer une explication aux variations geographiques des mesures de teneur en gaz. Enfin, les modeles de densification et de fermeture des pores ont ete utilises pour simuler la transformation de la neige en glace a vostok pour des conditions climatiques glaciaires. S'appuyant sur ces modelisations du milieu poreux, un modele de transport des gaz dans les pores, de l'atmosphere aux bulles de la glace, a ete elabore. Un interet particulier a ete porte a l'evaluation des coefficients de diffusion des gaz atmospheriques dans le neve poreux, qui ont ete mesures en fonction de la porosite ouverte sur deux sites. Le modele permet de retrouver a partir des scenario atmospheriques la composition de l'air du neve en fonction de la profondeur. Il constitue la premiere etape d'une deconvolution objective du signal mesure dans l'air des bulles de la glace en terme de composition atmospherique.
Author: Laurent Arnaud (auteur en géophysique).) Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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La glace, lorsqu'elle se forme dans les zones centrales des calottes polaires, est surmontee de plus de 100 m de neige et de neve. Au moment, ou elle emprisonne dans ces bulles l'air atmospherique, l'age de cette glace peut depasser plusieurs milliers d'annees. Ce travail contribue a preciser les etapes de cette transformation neige/neve/glace en s'appuyant sur des donnees de structure de ce milieu poreux et sur une modelisation physique de ces processus. La structure 2d a ete caracterisee grace a une nouvelle methode, basee sur l'observation en episcopie coaxiale de la surface sublimee des echantillons. A l'aide de ces donnees experimentales et au regard des theories classiques du grossissement normal des grains, le grossissement dans le neve polaire et son influence sur la microstructure ont ete etudies. La densification du neve polaire a ete modelisee en utilisant les processus physiques decrits pour le pressage a chaud des ceramiques. Notre modele physique de densification du neve permet de simuler l'ensemble des profils experimentaux, en mettant en exergue le role preponderant de la densite a la transition neige-neve liee a la competition entre les mecanismes de deformation plastique. A partir des etudes sur le grossissement des grains et du modele de densification, un modele decrivant la fermeture des pores dans le neve a ete construit. Ce modele physique permet de reproduire l'evolution des courbes experimentales de porosite fermee et de proposer une explication aux variations geographiques des mesures de teneur en gaz. Enfin, les modeles de densification et de fermeture des pores ont ete utilises pour simuler la transformation de la neige en glace a vostok pour des conditions climatiques glaciaires. S'appuyant sur ces modelisations du milieu poreux, un modele de transport des gaz dans les pores, de l'atmosphere aux bulles de la glace, a ete elabore. Un interet particulier a ete porte a l'evaluation des coefficients de diffusion des gaz atmospheriques dans le neve poreux, qui ont ete mesures en fonction de la porosite ouverte sur deux sites. Le modele permet de retrouver a partir des scenario atmospheriques la composition de l'air du neve en fonction de la profondeur. Il constitue la premiere etape d'une deconvolution objective du signal mesure dans l'air des bulles de la glace en terme de composition atmospherique.
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LA GLACE, LORSQU'ELLE SE FORME DANS LES ZONES CENTRALES DES CALOTTES POLAIRES, EST SURMONTEE DE PLUS DE 100 M DE NEIGE ET DE NEVE. AU MOMENT, OU ELLE EMPRISONNE DANS CES BULLES L'AIR ATMOSPHERIQUE, L'AGE DE CETTE GLACE PEUT DEPASSER PLUSIEURS MILLIERS D'ANNEES. CE TRAVAIL CONTRIBUE A PRECISER LES ETAPES DE CETTE TRANSFORMATION NEIGE/NEVE/GLACE EN S'APPUYANT SUR DES DONNEES DE STRUCTURE DE CE MILIEU POREUX ET SUR UNE MODELISATION PHYSIQUE DE CES PROCESSUS. LA STRUCTURE 2D A ETE CARACTERISEE GRACE A UNE NOUVELLE METHODE, BASEE SUR L'OBSERVATION EN EPISCOPIE COAXIALE DE LA SURFACE SUBLIMEE DES ECHANTILLONS. A L'AIDE DE CES DONNEES EXPERIMENTALES ET AU REGARD DES THEORIES CLASSIQUES DU GROSSISSEMENT NORMAL DES GRAINS, LE GROSSISSEMENT DANS LE NEVE POLAIRE ET SON INFLUENCE SUR LA MICROSTRUCTURE ONT ETE ETUDIES. LA DENSIFICATION DU NEVE POLAIRE A ETE MODELISEE EN UTILISANT LES PROCESSUS PHYSIQUES DECRITS POUR LE PRESSAGE A CHAUD DES CERAMIQUES. NOTRE MODELE PHYSIQUE DE DENSIFICATION DU NEVE PERMET DE SIMULER L'ENSEMBLE DES PROFILS EXPERIMENTAUX, EN METTANT EN EXERGUE LE ROLE PREPONDERANT DE LA DENSITE A LA TRANSITION NEIGE-NEVE LIEE A LA COMPETITION ENTRE LES MECANISMES DE DEFORMATION PLASTIQUE. A PARTIR DES ETUDES SUR LE GROSSISSEMENT DES GRAINS ET DU MODELE DE DENSIFICATION, UN MODELE DECRIVANT LA FERMETURE DES PORES DANS LE NEVE A ETE CONSTRUIT. CE MODELE PHYSIQUE PERMET DE REPRODUIRE L'EVOLUTION DES COURBES EXPERIMENTALES DE POROSITE FERMEE ET DE PROPOSER UNE EXPLICATION AUX VARIATIONS GEOGRAPHIQUES DES MESURES DE TENEUR EN GAZ. ENFIN, LES MODELES DE DENSIFICATION ET DE FERMETURE DES PORES ONT ETE UTILISES POUR SIMULER LA TRANSFORMATION DE LA NEIGE EN GLACE A VOSTOK POUR DES CONDITIONS CLIMATIQUES GLACIAIRES. S'APPUYANT SUR CES MODELISATIONS DU MILIEU POREUX, UN MODELE DE TRANSPORT DES GAZ DANS LES PORES, DE L'ATMOSPHERE AUX BULLES DE LA GLACE, A ETE ELABORE. UN INTERET PARTICULIER A ETE PORTE A L'EVALUATION DES COEFFICIENTS DE DIFFUSION DES GAZ ATMOSPHERIQUES DANS LE NEVE POREUX, QUI ONT ETE MESURES EN FONCTION DE LA POROSITE OUVERTE SUR DEUX SITES. LE MODELE PERMET DE RETROUVER A PARTIR DES SCENARIO ATMOSPHERIQUES LA COMPOSITION DE L'AIR DU NEVE EN FONCTION DE LA PROFONDEUR. IL CONSTITUE LA PREMIERE ETAPE D'UNE DECONVOLUTION OBJECTIVE DU SIGNAL MESURE DANS L'AIR DES BULLES DE LA GLACE EN TERME DE COMPOSITION ATMOSPHERIQUE.
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Le déphasage entre augmentation de température et augmentation de gaz à effet de serre (GES) dans l'atmosphère lors des grandes transitions climatiques passées est estimé grâce aux mesures effectuées dans les carottes de glace polaires dans la phase glace pour la température et dans la phase gaz (bulles d'air piégées) pour la concentration en GES. Ce déphasage est encore mal contraint et, pour résoudre ce problème, il est nécessaire de mieux comprendre le processus mécanique de transformation de neige en glace près de la surface de la calotte (centaine de mètres supérieurs, le névé). En l'absence de fusion, la transformation de la neige (matériau à porosité ouverte en contact avec l'atmosphère) en glace (matériau contenant des bulles d'air isolées) s'effectue progressivement sous l'action des gradients de température près de la surface, puis sous l'action du poids des couches de neige situées au-dessus. Selon les conditions de température et précipitation, ce processus peut prendre quelques décennies à plusieurs millénaires et s'étend sur une centaine de mètres de profondeur. Il contrôle la différence d'âge entre la glace et les gaz qu'elle renferme. La prédiction de la profondeur de piégeage des gaz représente un enjeu majeur pour la paléoclimatologie en particulier sur la séquence des changements relatifs de température et de concentration en gaz à effet de serre.Un modèle thermo-mécanique de densification de la neige a été conçu et développé au LGGE en intégrant la formulation des processus mécaniques, des propriétés thermiques, et des critères de piégeage des gaz. Les performances de ce modèle peuvent être testées et améliorées grâce à des études de structure de névés actuels (densité, rapport porosité ouverte/fermée, ...). Pour les périodes plus anciennes, des mesures d'isotopes des gaz inertes d15N et d40Ar) dans l'air piégé dans les carottes de glace polaire permettent d'obtenir des informations directes sur les variations passées de la structure du névé (e.g. épaisseur de la zone diffusive). Les larges divergences observées en Antarctique entre les sorties de modèle de densification et les mesures isotopiques de gaz piégé dans la glace génèrent une grande incertitude sur les reconstructions climatiques passées et comprendre ce désaccord est un défi majeur de la paleoclimatologie actuelle.Dans le cadre de cette thèse, nous avons pris en compte les influences de la dépendance à la température des énergies d'activation et des impuretés (poussières) sur la vitesse de densification. Cela a permis de concilier les données et le modèle. Les résultats du modèle modifié sont globalement cohérents avec les profils de densité mesurés pour des névés actuels et les données d'isotopes de gaz inertes pour les déglaciations (aussi appelées terminaisons). Nous avons également présenté de nouvelles mesures à haute résolution de d15N et d40Ar pour les terminaisons 2 (129-138ka) et 3 (243-251ka) des carottes antarctiques de Dôme C et Vostok. Nous avons montré que les différentes évolutions de d15N entre les différents sites et différentes déglaciations s'expliquaient largement par les différences de taux d'accumulation qui contrôlent la profondeur de transition neige-glace. Nous avons aussi montré que l'utilisation des isotopes de l'air était un complément important à l'utilisation des isotopes de l'eau pour contraindre la dynamique climatique locale en Antarctique de l'Est lors des déglaciations.
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La modélisation des calottes polaires est importante pour reconstruire l'état passé des calottes, comprendre l'état présent, et prévoir son évolution dans le contexte du réchauffement climatique et de l'élévation du niveau des mers. Les mécanismes qui interviennent dans la dynamique des calottes de glace et qui dépendent du climat sont nombreux, mais pour l'Antarctique il y a deux mécanismes très importants qui s'opposent : L'augmentation de la température qui est supposée entraîner une augmentation de la précipitation et un épaississement de la calotte, et l'intensification de l'écoulement de la glace qui tend à amincir la calotte. Pour étudier ces deux mécanismes, nous avons suivi deux approches : caractériser la calotte à partir des observations directes (c.-à-d. topographie de la surface et les vitesses d'écoulement de glace) ou indirectes (c.-à-d. Flux de bilan). Et la modéliser avec GRISLI (GRenoble Ice Shelf and Land Ice), en prenant en considération la dynamique des fleuves de glace et leurs localisations précises, pour mieux comprendre les mécanismes actifs qui interviennent dans la calotte. Le sujet de la thèse est l'amélioration de la modélisation de la calotte Antarctique à partir des données disponibles. Notamment celles basées sur la première et la deuxième dérivées de la surface (pente et courbures respectivement) pour faire des liens avec le drainage de la glace, et les structures de vitesses de bilan. Ces informations nous ont permis entre autres de développer différentes méthodes pour autoriser les fleuves de glace, qui ensuite ont été introduites dans GRISLI. Nous avons ensuite fait plusieurs études de sensibilité de la calotte sur les localisations des fleuves de glace, les données du flux géothermique et des paramètres qui contrôlent le glissement et la déformation de la glace. Enfin nous avons fait des comparaisons entre les structures observées et modélisées de la calotte, et nous avons vu que le modèle n'est pas loin de reproduire les structures observées.
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La neige est la surface terrestre la plus réfléchissante et sa présence sur de vastes étendues comme l'Antarctique affecte considérablement le bilan énergétique de la Terre. L'albédo de la neige dépend de ses propriétés physiques, et notamment de sa surface spécifique, c'est-à-dire de la surface totale de ce milieu poreux accessible aux gaz, par unité de masse. La surface spécifique (SS) est également une variable importante pour la chimie des interactions neige-atmosphère, car elle permet de quantifier les molécules adsorbées. Cependant, faute de méthodes simples pour la mesurer, la SS de la neige antarctique a été très peu étudiée. Un des objectifs de ce travail a été de concevoir et de mettre au point un nouveau dispositif expérimental pour mesurer la SS de la neige à partir de sa réflectance dans l'infra-rouge. Ce dispositif permet une mesure rapide avec une précision de 10 % et il est facile à mettre en œuvre dans les conditions hostiles des régions polaires. Nous avons ainsi réalisé les premières mesures de SS de la neige de surface sur le plateau Antarctique, à Dôme C (DC) et sur le trajet entre DC et la base côtière de Dumont D'Urville (DDU). Ces mesures ont été effectuées dans des puits d'environ un mètre de profondeur. Des suivis de l'évolution journalière de la SS ont également été réalisés. Il a été mis en évidence que les propriétés physiques de la neige sont spatialement inhomogènes à l'échelle de quelques mètres sur le plateau Antarctique car l'accumulation y est très faible et le vent remobilise la neige de surface, pour la redéposer en couches discontinues. Des hétérogénéités sont aussi observées entre DC et DDU, à cause notamment de l'augmentation de la vitesse du vent lorsque l'on se rapproche de la côte. A l'échelle journalière, les variations de la SS de la neige observées pour les deux premiers centimètres du manteau neigeux s'expliquent par la formation de givre de surface la nuit et de cristaux de sublimation le jour. Toutes ces mesures nous ont permis de calculer l'albédo de la neige sur le plateau Antarctique et ses variations journalières. Une étude préliminaire propose une comparaison de ces mesures avec des observations satellitales et les premiers résultats sont très encourageants quant à la possibilité de déterminer la SS de la neige depuis l'espace.
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La neige est la surface terrestre la plus réfléchissante et sa présence sur de vastes étendues comme l'Antarctique affecte considérablement le bilan énergétique de la Terre. L'albédo de la neige dépend de ses propriétés physiques, et notamment de sa surface spécifique, c'est-à-dire de la surface totale de ce milieu poreux accessible aux gaz, par unité de masse. La surface spécifique (SS) est également une variable importante pour la chimie des interactions neige-atmosphère, car elle permet de quantifier les molécules adsorbées. Cependant, faute de méthodes simples pour la mesurer, la SS de la neige antarctique a été très peu étudiée. Un des objectifs de ce travail a été de concevoir et de mettre au point un nouveau dispositif expérimental pour mesurer la SS de la neige à partir de sa réflectance dans l'infra-rouge. Ce dispositif permet une mesure rapide avec une précision de 10 % et il est facile à mettre en œuvre dans les conditions hostiles des régions polaires. Nous avons ainsi réalisé les premières mesures de SS de la neige de surface sur le plateau Antarctique, à Dôme C (DC) et sur le trajet entre DC et la base côtière de Dumont D'Urville (DDU). Ces mesures ont été effectuées dans des puits d'environ un mètre de profondeur. Des suivis de l'évolution journalière de la SS ont également été réalisés. Il a été mis en évidence que les propriétés physiques de la neige sont spatialement inhomogènes à l'échelle de quelques mètres sur le plateau Antarctique car l'accumulation y est très faible et le vent remobilise la neige de surface, pour la redéposer en couches discontinues. Des hétérogénéités sont aussi observées entre DC et DDU, à cause notamment de l'augmentation de la vitesse du vent lorsque l'on se rapproche de la côte. A l'échelle journalière, les variations de la SS de la neige observées pour les deux premiers centimètres du manteau neigeux s'expliquent par la formation de givre de surface la nuit et de cristaux de sublimation le jour. Toutes ces mesures nous ont permis de calculer l'albédo de la neige sur le plateau Antarctique et ses variations journalières. Une étude préliminaire propose une comparaison de ces mesures avec des observations satellitales et les premiers résultats sont très encourageants quant à la possibilité de déterminer la SS de la neige depuis l'espace.
Author: Michel Gay Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 200
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LA TELEDETECTION SATELLITAIRE EST EN MESURE DE FOURNIR DES INFORMATIONS GLOBALES SUR LES CALOTTES POLAIRES ET D'EN EFFECTUER UN SUIVI REGULIER DANS LE TEMPS. POUR ETRE FACILEMENT INTERPRETEES, AFIN D'EN DEDUIRE LES CARACTERISTIQUES DU MANTEAU NEIGEUX OBSERVE DEPUIS L'ESPACE (TAILLE, FORME DE GRAINS, RUGOSITE DE SURFACE), LES DONNEES SATELLITAIRES DOIVENT ETRE VALIDEES ET INVERSEES A L'AIDE DE PARAMETRISATIONS SIMPLES. IL EST ALORS INDISPENSABLE DE DEFINIR DES PARAMETRES ROBUSTES ET SIMPLES DE LA TAILLE ET DE LA FORME DES GRAINS DE NEIGE A PARTIR DE LEUR OBSERVATION. UN MOYEN D'OBSERVATION ET DE MESURE EST LE TRAITEMENT D'IMAGES QUI A PERMIS D'ETABLIR CES RELATIONS ET QUI A PERMIS UN TRAITEMENT AUTOMATIQUE D'UN GRAND NOMBRE DE DONNEES INDEPENDAMMENT DE L'OBSERVATEUR. UN AUTRE PROBLEME GLACIOLOGIQUE, EST L'INTERPRETATION DES DONNEES ISSUES DE L'ANALYSE DES GAZ PIEGES DANS LES BULLES D'AIR. CETTE ETUDE IMPLIQUE, EN PARTICULIER, LA DATATION DE LA GLACE DANS LE NEVE LORS DE LA FERMETURE DES PORES, INDISPENSABLE POUR DETERMINER DANS LA GLACE PROFONDE L'AGE DU GAZ PAR RAPPORT A LA GLACE QUI L'EMPRISONNE. EN EFFET LA DATATION DES GAZ CONTENUS DANS LES BULLES DES CAROTTES DE GLACE S'EFFECTUE A PARTIR DE L'AGE DE LA GLACE, ET PAR CONSEQUENT, ELLE NECESSITE LA CONNAISSANCE DE LA DIFFERENCE D'AGE ENTRE LES GAZ ET LA GLACE LORS DE LA FERMETURE DES PORES. CES DATATIONS NECESSITENT L'UTILISATION DES MODELES DE DENSIFICATION, DE FERMETURE DES PORES, ET DE DIFFUSION DES GAZ DANS LE NEVE. LES CAROTTAGES REALISES DANS LES REGIONS CENTRALES DE L'ANTARCTIQUE ET DU GROENLAND PERMETTENT D'OBTENIR DES DONNEES EXPERIMENTALES ESSENTIELLES POUR CARACTERISER LE NEVE POLAIRE. LE TRAITEMENT AUTOMATIQUE DES IMAGES ISSUES DE CES DONNEES A FOURNI LES PARAMETRES DE STRUCTURE INTRODUITS DANS CES MODELES. UN AUTRE ASPECT ETUDIE AU LABORATOIRE DE GLACIOLOGIE EST L'AUGMENTATION DE LA TAILLE MOYENNE DES CRISTAUX DE GLACE AVEC LA PROFONDEUR OU L'AGE DE LA GLACE. LES ANALYSES DES LAMES MINCES DE GLACE PERMETTANT DE DETERMINER CES LOIS DE GROSSISSEMENT DES GRAINS ONT ETE REALISEES JUSQU'A PRESENT MANUELLEMENT. LE TRAITEMENT AUTOMATIQUE D'IMAGES 2D A PERMIS D'ANALYSER LES LOIS DE GROSSISSEMENT DES GRAINS SUR D'AUTRES SITES ET A PERMIS D'ETUDIER LES MICROSTRUCTURES EN TERME D'EVOLUTION DES DISTRIBUTIONS DE TAILLE ET EN TERME D'EVOLUTION DE LA TOPOLOGIE DES GRAINS.
Author: Laurent Arnaud (auteur en géophysique).)
Author: Laurent Arnaud (auteur en géophysique).)
Author: LAURENT.. ARNAUD
Author: Erland M. Schulson
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Author: K. Hutter
Author: Camille Bréant
Author: Giuliat Navas
Author: Jean-Charles Gallet
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Author: Michel Gay