Conjonction de données et de modèles pour la datation des forages profonds d'Antarctique et du Groenland

We are hereby presenting a new dating method based on inverse techniques, which aims at calculatingconsistent gas and ice chronologies for several ice cores. The proposed method yields new datingscenarios simultaneously for several cores by making a compromise between the chronological infor-mation brought by glaciological modeling (i.e., ice flow model, firn densification model, accumulation ratemodel), and by gas and ice stratigraphic constraints. This method enables us to gather widespreadchronological information and to use regional or global markers (i.e., methane, volcanic sulfate, Beryllium-10, tephra layers, etc.) to link the core chronologies stratigraphically. Confidence intervals of the newdating scenarios can be calculated thanks to the probabilistic formulation of the new method, which takesinto account both modeling and data uncertainties. We apply this method simultaneously to oneGreenland (NGRIP) and three Antarctic (EPICA Dome C, EPICA Dronning Maud Land, and Vostok) icescores, and refine existent chronologies. Our results show that consistent ice and gas chronologies can bederived for depth intervals that are well-constrained by relevant glaciological data. In particular, wepropose new and consistent dating of the last deglaciation for Greenland and Antarctic ice and gas records.Les relations de phase entre augmentation de la concentration des gaz à effet de serreet augmentation de la température constitue un en jeu sociétal. Pour affiner notre compré-hension des mécanismes climatiques sur la Terre, une datation précise des enregistrementsclimatiques du passé (carotte de glace, carotte de sédiments marins, spéléothèmes) est in-dispensable. En échelle relative, les datations permettent d’évaluer les relations de phasedes variations climatiques en différents points du globe. En échelle absolue, les liens entrechangements de l’orbite terrestre et réponse climatique peuvent être étudiés. Les carottes deglace d’Antarctique et du Groenland constituent des archives uniques à l’échelle des grandscycles glaciaire-interglaciaire. Elles offrent de nombreux marqueurs stratigraphiques pour ladatation relative (méthane, couches de cendre...). Les échelles d’âge de ces carottes peuventen outre être calculées grâce à des modèles numériques simulant la déformation des calottes,l’évolution de la température et des précipitations, ainsi que les caractéristiques du névépolaire. Toutefois les incertitudes sur ces datations modélisées demeurent considérables, no-tamment sur la datation relative des signaux de température enregistrés dans la glace solideet des signaux de composition de l’atmosphère enregistrés dans les bulles d’air piégées dansla glace. Le gaz et la glace à une même profondeur n’ont en effet pas le même âge. Au coursde ce travail de thèse, un code d’assimilation de données a été développé afin de réduire lesincertitudes sur les chronologies. Ce code permet de calculer simultanément les datationsgaz et glace de plusieurs forages glaciaires en réalisant un compromis entre les informationschronologiques fournies par les modèles glaciologiques et celles apportées par les contraintesstratigraphiques issues des mesures dans la glace et le gaz. La méthode repose sur une in-férence Bayésienne formulée à l’aide d’une fonction coût. Cette formulation met en jeu desmatrices de covariance d’erreur qui rendent compte des incertitudes sur les données ainsique sur les sorties des modèles fournissant la première ébauche de datation. Elle permet deproposer des échelles d’âge optimisées ainsi que des intervalles de confiance. Dans ce manus-crit, on présente les premières expériences de datation réalisées avec l’outil numérique. Enparticulier, la datation simultanée des forages de North GRIP (Groenland), Vostok, EpicaDôme C et Epica Dronning Maud Land (Antarctique) montre le potentiel de cet outil pourconstruire les futures échelles d’âge des forages profonds d’Antarctique et du Groenland

A probabilistic method to construct a common and optimal chronology for an ice core

International audienc

Ice Cores Dating With a New Inverse Method Taking Account of the Flow Modeling Errors

International audienceDeep ice cores extracted from Antarctica or Greenland recorded a wide range of past climatic events. In order to contribute to the Quaternary climate system understanding, the calculation of an accurate depth-age relationship is a crucial point. Up to now ice chronologies for deep ice cores estimated with inverse approaches are based on quite simplified ice-flow models that fail to reproduce flow irregularities and consequently to respect all available set of age markers. We describe in this paper, a new inverse method that takes into account the model uncertainty in order to circumvent the restrictions linked to the use of simplified flow models. This method uses first guesses on two flow physical entities, the ice thinning function and the accumulation rate and then identifies correction functions on both flow entities. We highlight two major benefits brought by this new method: first of all the ability to respect large set of observations and as a consequence, the feasibility to estimate a synchronized common ice chronology for several cores at the same time. This inverse approach relies on a bayesian framework. To respect the positive constraint on the searched correction functions, we assume lognormal probability distribution on one hand for the background errors, but also for one particular set of the observation errors. We test this new inversion method on three cores simultaneously (the two EPICA cores : DC and DML and the Vostok core) and we assimilate more than 150 observations (e.g.: age markers, stratigraphic links,...). We analyze the sensitivity of the solution with respect to the background information, especially the prior error covariance matrix. The confidence intervals based on the posterior covariance matrix calculation, are estimated on the correction functions and for the first time on the overall output chronologies

A new inverse method to construct a common and optimal ice chronology for EPICA ice cores

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Conjunction of data and models to construct an optimal and common chronology for the Greenland and the Antarctic ice cores

International audienc

A new inverse method to construct a common and optimal ice chronology for EPICA ice cores

International audienc

Assimilation variationnelle pour la datation croisée de forages profonds en Antarctique et Groënland

National audienc

Toward unified ice core chronologies with the DatIce tool

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Assimilation variationnelle pour la datation croisée de forages profonds en Antarctique et Groënland

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Icechrono1 : un modèle probabiliste pour calculer une chronologie commune et optimale pour plusieurs carottes de glace

International audiencePolar ice cores provide exceptional archives of past environmental conditions. The dating of ice cores and the estimation of the age-scale uncertainty are essential to interpret the climate and environmental records that they contain. It is, however, a complex problem which involves different methods. Here, we present IceChrono1, a new probabilistic model integrating various sources of chronological information to produce a common and optimized chronology for several ice cores, as well as its uncertainty. IceChrono1 is based on the inference of three quantities: the surface accumulation rate, the lock-in depth (LID) of air bubbles and the thinning function. The chronological information integrated into IceChrono1 are modeling scenarios of the sedimentation process (accumulation of snow, densification of snow into ice and air trapping, ice flow), ice-and air-dated horizons, ice and air depth intervals with known durations, Δdepth observations (depth shift between synchronous events recorded in the ice and in the air) and finally ice, air or mix stratigraphic links in between ice cores. the inference problem is formulated as a least squares optimisation, implying that all densities of probabilities are assumed to be Gaussian. It is numerically solved using the Levenberg-Marquardt algorithm (thus assuming that the model is almost linear in the vicinity of the solution) and a numerical evaluation of the model's Jacobian. IceChrono1 is freely available under the General Public License v3 open source license.Les forages polaires fournissent des archives exceptionnelles des conditions climatiques et environnementales passées. Produire une datation robuste des carottes de glace ainsi qu'une estimation de l'incertitude associée est essentiel pour interpréter les enregistrements climatiques et environnementaux qu'elles contiennent. Cependant, c'est une tâche complexe car elle implique d'utiliser différentes méthodes. Dans cet article, nous présentons IceChrono1, un modèle probabiliste qui combine différentes sources d'information chronologique pour produire une datation commune et optimale pour plusieurs carottes de glace, ainsi qu'une estimation de l'incertitude associée. IceChrono1 est basé sur l'inférence de trois quantités : le taux d'accumulation de neige en surface, la profondeur de piégeage de l'air et la fonction d'amincissement. IceChrono1 intègre de multiples informations chronologiques : un scénario modélisé du processus de sédimentation (accumulation de la neige, densification de la neige en glace et piégeage de l'air, écoulement de la glace), des horizons bien datés pour contraindre l'âge de la glace ou l'âge de l'air, des intervalles de profon-deur définis sur la glace ou via des mesures sur l'air piégé dont la durée est connue, des observations du Δprofondeur (le décalage en profondeur entre des événements synchrones enregistrés dans la glace et dans l'air) et finalement des liens stratigraphiques reliant des marqueurs identifiés dans la glace, dans l'air piégé ou dans les deux à la fois entre les carottes de glace. L'inférence est formulée comme un problème d'optimisation aux moindres carrés, impliquant que toutes les densités de probabilités sont supposées gaussiennes. Elle est résolue numériquement en utilisant l'algorithme de Levenberg-Marquardt (supposant ainsi que le modèle est presque linéaire au voisinage de la solution) et une évaluation numérique du Jacobien du modèle. IceChrono1 est librement disponible sous la licence libre GPL v3 (General Public License v3)