Contraintes isotopiques sur l`interprétation de l`enregistrement en

Soutenance de thèse, vendredi 21 octobre 2011 à 14h, salle L. Lliboutry - LGGE
54, rue Molière – Domaine Universitaire – Saint-Martin-d’Hères
Contraintes isotopiques sur l’interprétation
de l’enregistrement en nitrate dans
la carotte de glace de Vostok
Joseph Erbland
sous la direction de Joël Savarino et Samuel Morin
Résumé
L’ion nitrate (NO−
3 ) présent dans les neiges Antarctiques est issus de l’oxydation des oxydes d’azote
(NOx = NO + NO2 ) dans l’atmosphère. Aux sites de faible accumulation de neige tels que Vostok et
Dôme C sur le plateau de l’Est de l’Antarctique, le nitrate n’est pas piégé de manière ultime dans la
neige, ce qui limite fortement l’interprétation des enregistrements en nitrate dans les carottes de glace.
Des mesures récentes de la composition isotopique en azote du nitrate (δ 15 N) montrent des valeurs
extrêmement élevées (+339 h) dans les premiers décimètres de la neige de Dôme C. Ces valeurs ont
été attribuées à la photolyse du nitrate et au recyclage important qui en résulte. Le nitrate possède,
par ailleurs, une anomalie isotopique en oxygène (∆17 O) qui permet de tracer l’activité de l’ozone
(O3 ) au cours de sa formation.
Ce travail de thèse présente le premier enregistrement de la composition isotopique complète du
nitrate (δ 15 N, ∆17 O et δ 18 O) dans une carotte de glace : la carotte de glace de Vostok dont les 64
échantillons analysés couvrent une période de 150 000 ans. Ce jeu de données a été complété par 313
échantillons collectés entre 2007 et 2010 dans le continuum atmosphère/givre/neige au Dôme C ainsi
que dans 21 puits de neige prélevés dans une zone couvrant l’essentiel de l’Est de l’Antarctique. L’analyse isotopique de ces échantillons modernes a permis de contraindre le modèle conceptuel TRANSITS
développé au cours de cette thèse et dont le but est de représenter le recyclage du nitrate à l’interface
entre l’atmosphère et la neige ainsi que son impact sur la composition isotopique du nitrate archivé.
Les valeurs positives et élevées du δ 15 N du nitrate piégé dans la carotte de glace de Vostok montrent
que le recyclage du nitrate a toujours eu lieu sur le plateau Antarctique au cours de la période étudiée. Les variations du flux primaire de nitrate reçu au site de Vostok estimées à l’aide du modèle
TRANSITS montrent, en périodes glaciaires, un flux primaire plus important qui pourrait être lié à
une dénitrification stratosphérique plus conséquente. Les valeurs de ∆17 O du nitrate montrent que
l’incursion d’ozone d’origine stratosphérique dans la troposphère était plus fréquente en périodes glaciaires. Nous proposons enfin que les résultats acquis dans le cadre de cette thèse pourraient permettre
de mieux contraindre le cycle de l’azote sur la côte Antarctique et d’apporter des éléments d’interprétation des enregistrements en nitrate dans les carottes de glace de sites de plus forte accumulation de
neige (au Groenland par exemple).
Mots clés : Antarctique, nitrate atmosphérique, isotopes stables, carottes de glace, ozone, stratosphère.
Abstract
Nitrate ions (NO−
3 ) found in Antarctic snows stem from the degradation of nitrogen oxydes (NOx
= NO + NO2 ) in the atmosphere. At sites with low snow accumulation rates such as Vostok or Dome
C (East Antarctic plateau), nitrate deposition to the snow is not irreversible and this strongly hampers
the interpretation of nitrate concentration records in ice cores. Nitrogen stable isotopic ratios (δ 15 N)
as high as +339 h were measured in nitrate in the upper firn at Dome C and have been attributed
to nitrate photolysis initiating a strong recycling at the snow surface. The oxygen isotopic anomaly
(∆17 O) reflects the activity of ozone (O3 ) in nitrate formation.
We present the first comprehensive isotopic analysis of nitrate (δ 15 N, ∆17 O and δ 18 O) in a deep
ice core. 64 samples of nitrate from the Vostok ice core have been analyzed and cover the last 150 000
years. This dataset has been completed with 313 samples recently collected in the atmosphere/surface
hoar/snow continuum at Dome C as well as in several snowpits from various sites covering most of
the East Antarctica. Those present-day samples are used to evaluate a conceptual model (named
TRANSITS) developped during this PhD and which aims at representing nitrate recycling at the
snow/atmosphere interface and at modelling its impact on the isotopic composition of the archived
nitrate.
High positive δ 15 N(NO−
3 ) values measured in the Vostok ice core reveal that nitrate recycling
has always occurred at the surface of the Antarctic plateau over this period. Past variations of the
primary flux of nitrate to the Vostok site have been estimated using the TRANSITS model. They
show that glacials are characterized by higher inputs which may be linked to a greater stratospheric
denitrification. The ∆17 O values indicate that intrusions of stratospheric air masses to the troposphere
may have been more frequent in glacials thus incorporating significant amounts of stratospheric ozone
to the lower atmosphere. Last, we suggest that this study may have some relevance to the coastal
nitrogen budget in Antarctica and to the interpretation of ice cores retrieved from high accumulation
sites (e.g. in Greenland).
Keywords : Antarctica, atmospheric nitrate, stable isotopes, ice cores, ozone, stratosphere.