Published September 27, 2010 | Version v1
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Climatic information and chronological constraints inferred from the air trapped in polar ice cores

Description

Polar regions are particularly sensitive to the present climate change because of amplification mechanisms at play. Ice cores from Antarctica and Greenland provide precious archives of paleo-climatic variations at these high latitudes but also provide information on environmental changes at lower latitudes. This work takes advantage of information inferred from the air trapped in ice: the elemental and isotopic composition of air (N2, O2, Ar and Kr) and the methane concentration. Our results provide new insights on three different issues: (i) Past dynamic of Antarctic firn. Measurements of krypton isotopes provide direct evidences for the presence of a deep convective zone (20-50 m) in the firn at Dome C during glacial periods. Based on nitrogen isotopic profiles (δ15N) from EPICA Dronning Maud Land (EDML) and TALDICE ice cores, we suggest that the evolution of the firn structure is mainly controlled by accumulation rate only below a threshold in accumulation defined at 5 ± 1.5 cm ice equivalent yr-1. (ii) Ice core dating. We present the first record of δO2/N2 over the EDC ice core covering the period between 300 and 800 ka. Even if we call for cautiousness in the use of this parameter as an orbital dating tool during periods characterized by a low eccentricity, the δO2/N2 is a useful tool to test the current EDC3 chronology. By coupling the isotopic composition of atmospheric oxygen and methane concentration, we synchronise the EDML (Antarctica) and NorthGRIP (Greenland) ice cores between 75000 and 123000 years with an associated uncertainty smaller than 400 years. (iii) This common timescale enables us to depict the abrupt climatic variability at the beginning of the last glacial period. We evidence sub-millennial scale climatic variations superimposed to the classical Dansgaard-Oeschger (DO) event succession, i.e. precursor-type peak events preceding some DO events and rebound-type climatic events at the end of the interstadial phase. We demonstrate that the bipolar seesaw pattern between Antarctica and Greenland is at play at a sub-millennial scale. A multi-parametric study on the first abrupt event (DO 25) identified in the NorthGRIP ice core shows that this event characterises the transition between the last interglacial and the onset of the abrupt climatic variability associated with a strong coupling between low and high latitudes. Our results highlight an intimate interplay between millennial-scale variations and long term evolution of the mean climate sate (orbital configuration, ice sheet volume). (author)

Abstract (French)

Les regions polaires sont particulierement touchees par le changement climatique actuel, en raison des mecanismes d'amplification qui y operent. Les forages de glace en Antarctique et au Groenland sont des temoins precieux des variations paleoclimatiques locales et donnent aussi acces a des informations sur les modifications environnementales des latitudes plus basses. Ce travail de these repose sur l'obtention d'informations delivrees par l'air progressivement emprisonne sous forme de bulle lors du processus de transformation de la neige en glace: la composition elementaire et isotopique de l'air (N2, O2, Ar et Kr) et la concentration en methane. Nos resultats permettent de progresser sur trois aspects differents mais intimement lies: (i) L'evolution passee de la structure des neves en Antarctique. La mesure des isotopes du krypton sur le forage profond de Dome C (EDC pour EPICA Dome C) nous permet de mettre en evidence qu'une zone convective de l'ordre de 20-50 m a pu se developper dans le neve en periode glaciaire. L'etude conjointe des profils isotopiques de l'azote (δ15N) mesures sur les forages EPICA Dronning Maud Land (EDML) et TALDICE suggerent que l'evolution de la structure du neve des deux sites ne repond plus de maniere simple aux changements du taux d'accumulation en surface lorsque celui-ci depasse un seuil de 5 ± 1.5 cm eq. glace an-1. (ii) La datation des forages glaciologiques. Nous avons exploite le premier enregistrement de δO2/N2 produit entre 300 000 et 800 000 ans sur l'air piege dans la glace de EDC. Alors qu'il semble delicat d'utiliser ce signal pour construire une nouvelle datation par calage orbital de ce forage, en particulier pour les periodes de faible excentricite, le δO2/N2 se revele etre un outil pertinent pour tester les limites et les incertitudes de la datation actuelle du forage (EDC3). L'utilisation conjointe des isotopes de l'oxygene atmospherique et du methane nous permet d'etablir une synchronisation des forages de EDML (Antarctique) et de NorthGRIP (Groenland) couvrant le debut de la derniere periode glaciaire (75000-123000 ans) avec une incertitude inferieure a 400 ans. (iii) Cette datation relative nous permet de decrire les variations climatiques rapides au debut de la derniere periode glaciaire au Groenland et en Antarctique. Nous mettons en evidence une variabilite climatique sub-millenaire superposee a la succession classique des evenements de Dansgaard Oeschger, i.e. des evenements precurseurs aux evenements rapides, des rebonds climatiques en fin d'interstade. Nous demontrons que le mecanisme de bascule bipolaire entre le Groenland et l'Antarctique est egalement operationnel a l'echelle sub- millenaire. Une etude multiparametrique sur le premier evenement abrupt enregistre dans la glace de NorthGRIP (DO25) montre que cet evenement caracterise la transition entre la derniere periode interglaciaire et la mise en place d'une variabilite abrupte couplant les hautes et les basses latitudes. L'ensemble de nos resultats etablit un lien etroit entre la dynamique climatique rapide a l'echelle millenaire et les composantes a evolution lente qui imposent l'etat de base du systeme climatique (configuration orbitale, volume des glaces). (auteur)

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Original title (French)
L'air piege dans les glaces polaires: Contraintes chronologiques et caracterisation de la variabilite climatique rapide

Publishing Information

Imprint Pagination
453 p.
Report number
FRCEA-TH--3396

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Notes
[400 refs.]; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses