L’étude des isotopes de l’eau en Antarctique permet à la fois de reconstruire les climats passés à partir des carottes de glace et d’étudier le cycle de l’eau atmosphérique actuel, essentiel pour anticiper l’évolution du bilan de masse de surface du continent. L’objectif de cette thèse est d’améliorer notre compréhension du cycle de l’eau atmosphérique en utilisant les isotopes comme traceurs des processus de couche limite et de la dynamique à grande échelle, via une approche combinant observations isotopiques au niveau des stations Concordia et Dumont d’Urville et modélisation avec LMDZiso (composante atmosphérique du modèle de climat IPSL-CM).

En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur les processus atmosphériques contrôlant la variabilité isotopique de la vapeur en Antarctique. Après avoir évalué et optimisé les performances du modèle à différentes échelles spatiales et temporelles pour limiter les biais isotopiques, nous analysons la variabilité de la vapeur dans la couche limite en conditions de ciel clair. Nous étudions ensuite deux rivières atmosphériques atteignant Dôme C (décembre 2018 et mars 2022), afin de caractériser l’interaction entre processus locaux et advection d’humidité à grande échelle via leur signature isotopique en surface. Nos résultats montrent que le signal isotopique de surface ne peut être expliqué par le seul transport synoptique et nécessite une représentation fine des processus locaux de couche limite.

Nous avons ensuite centré notre travail sur les interactions neige-vapeur. Nous améliorons nettement la représentation du cycle diurne isotopique en introduisant un fractionnement lors de la sublimation et une formulation de fractionnement cohérente avec celle de la sublimation pour la condensation, en accord avec la théorie de la turbulence utilisée pour la vapeur d’eau. Enfin, nous explorons l’empreinte laissée dans la neige par la rivière atmosphérique de mars 2022 à l’aide de carottes de neige virtuelles, ouvrant des perspectives prometteuses pour l’étude des événements extrêmes passés à partir des carottes de glace.

Abstract:

The study of water isotopes in Antarctica enables both the reconstruction of past climates from ice cores and the investigation of the present-day atmospheric water cycle, which is essential for anticipating the evolution of the continent’s surface mass balance. The objective of this thesis is to improve our understanding of the atmospheric water cycle by using isotopes as tracers of boundary-layer processes and large-scale dynamics, through an approach combining isotopic observations at the Concordia and Dumont-d’Urville stations and modelling with LMDZiso (the atmospheric component of the IPSL-CM climate model).

First, we focused on the atmospheric processes controlling the isotopic variability of water vapour in Antarctica. After evaluating and optimising model performance at different spatial and temporal scales to limit isotopic biases, we analyse vapour variability in the boundary layer under clear-sky conditions. We then study two atmospheric rivers reaching Dome C (December 2018 and March 2022), in order to characterise the interaction between local processes and large-scale moisture advection through their isotopic signature at the surface. Our results show that the surface isotopic signal cannot be explained by synoptic-scale transport alone and requires a detailed representation of local boundary-layer processes.

We then focused on snow–vapour interactions. We greatly improve the representation of the diurnal isotopic cycle by introducing fractionation during sublimation and a fractionation formulation for condensation consistent with that used for sublimation, in accordance with the turbulence theory applied to water vapour. Finally, we explore the imprint left in the snow by the March 2022 atmospheric river using virtual snow cores, opening promising perspectives for studying past extreme events from ice-core records.

Lieu
Amphithéâtre Claude Bloch, Building 773 – Orme des Merisiers, CEA Saclay

Accès en transports en commun : Depuis Paris, prendre le RER B (direction Saint-Rémy-lès-Chevreuse ou Orsay-ville), descendre à la station Le Guichet, puis prendre le bus 4609 jusqu’à l’arrêt Orme des Merisiers.

Zoom
https://cnrs.zoom.us/j/96026753319?pwd=w0bFLOECCaseMSkL4is2cvh9aLaY41.1

• Franziska AEMISEGGER – Professor at the University of Bern, Switzerland (Rapportrice)
• Michael LEHNING – Professor at the Laboratory of Cryospheric Sciences and at the Institute for Snow and Avalanche Research, Switzerland (Rapporteur)
• Irina GORODETSKAYA – Senior researcher at the Interdisciplinary Centre of Marine and Environmental Research, Portugal (Examinatrice)
• Valérie MASSON-DELMOTTE – Directrice de recherche CEA au Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (Examinatrice)
• Martin MENEGOZ – Chargé de recherche CNRS à l’Institut des Géosciences de l’Environnement (Examinateur)
• Cécile AGOSTA – Chercheuse CEA au Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (Directrice de thèse)