Les Gaz à Effet de Serre (GES) jouent un rôle crucial dans la régulation du climat. Le changement climatique, conséquence de l'accumulation de GES dans l'atmosphère, a de nombreux impacts tels que les phénomènes météorologiques extrêmes (tempêtes, ouragans, cyclones, inondations, canicules, sécheresses), la disparition d'espèces animales et végétales, la prévalence croissante des maladies liées à la pollution atmosphérique (santé respiratoire par exemple). La pollution industrielle contribue au changement climatique. Par ailleurs, les firmes produisant un même bien sont en perpétuelle concurrence et leurs niveaux d'émission diffèrent selon leur technologie et leur pouvoir de marché. Compte tenu de ces effets néfastes croissants des agents économiques sur l'environnement, il est nécessaire que des politiques publiques soient mises en place pour réduire les émissions de GES.L'objectif de la thèse est triple. D'une part, elle vise à analyser la pollution dans des structures de marchés où tous les agents se comportent de manière stratégique (concurrence oligopolistique). D'autre part, elle vise à effectuer des exercices de statique comparative afin de mesurer les effets des variations de paramètres sur les équilibres stratégiques. Enfin, elle étudie différentes politiques publiques pour réguler les émissions liées à cette pollution. Notons ici que la thèse porte plus sur l'atténuation que sur l'adaptation au changement climatique.Le domaine exploré se situe au croisement de l'économie de l'environnement, et des jeux stratégiques de marché. / Greenhouse gases (GHG) play a crucial role in climate regulation. Climate change, due to the accumulation of GHGs in the atmosphere, has many consequences such as extremes weather events (storms, hurricanes, cyclones, floods, heat waves, droughts), extinction of animal and plant species, the increasing prevalence in diseases related to air pollution (e.g.,health respiratory). Industrial pollution contributes to climate change. Moreover, firms which produce the same good are in constant competition and their emission levels differ according to their technology and market power. Facing these deteriorating effects of the behaviour of economic agents on the environment, it is necessary to implement public policies to alleviate GHG emissions.The objective of this thesis is threefold. On the one hand, it aims to analyze pollution in market structures where all agents behave strategically (oligopolistic competition). On the other hand, it aims to carry out comparative static exercises in order to capture the effects of parameter variations on strategic equilibria. Finally, it studies different public policies to regulate emissions related to this pollution. It should be noted here that the thesis focuses more on mitigation than adaptation to climate change.The explored domain is at the junction of environmental economics, and strategic market games.

Un certain nombre d'études ont étudié le lien entre cancer du sein et exposition aux dioxines et au cadmium. Toutefois, les résultats de ces études ne sont pas concluants et présentent des limites méthodologiques. L'objectif principal de cette thèse était de développer un indicateur spatial permettant d'estimer les expositions atmosphériques chroniques aux dioxines et au cadmium des femmes issues de la cohorte E3N en France, entre 1990 et 2008. Nous avons créé une base de données de 2620 sources de dioxines et 2700 sources de cadmium et estimé et géolocalisé leurs émissions. L'estimation des émissions à la source et leur localisation ont servi de base pour la construction de l'indicateur spatial. Nous avons identifié une sélection de paramètres permettant d'obtenir un accord « substantiel » entre les classifications des expositions des femmes de la cohorte E3N, localisées à l'adresse de résidence, estimées avec l'indicateur, et avec le modèle gaussien SIRANE. En utilisant le modèle SIRANE, nous avons également étudié la variabilité spatio-temporelle (1990-2008) des concentrations de dioxines et de cadmium sur la métropole de Lyon. Pour la première fois des concentrations modélisées ont été comparées à des mesures de concentrations de dioxines en air ambiant. L'indicateur développé dans cette thèse a été utilisé pour estimer le risque de cancer du sein associé à l'exposition atmosphérique aux dioxines dans une étude cas-témoins niché au sein de la cohorte E3N. Il est utilisé actuellement dans une étude sur le lien entre exposition au cadmium et risque de cancer du sein, et pourra être appliqué dans de futures études portant sur d'autres polluants ou d'autres pathologies / A number of studies have examined the link between breast cancer and exposure to air pollution, including dioxins and cadmium. However, the results of these studies are inconclusive and present a number of methodological limitations. The main objective of this thesis was to develop a spatial indicator to assess chronic atmospheric exposure to dioxins and cadmium of women from the E3N cohort in France between 1990 and 2008. We first performed an inventory and created a database of 2620 dioxins and 2700 cadmium emitting sources in France between 1990 and 2008 and estimated and geolocated their annual emissions. The location of the sources and their estimated emissions were used as the basis for the construction of the indicator. Combination of additional spatial parameters, allowed us to obtain a "substantial" agreement between the dioxin and cadmium exposure classifications of the E3N subjects geolocalised at their residential address, using the estimated bythe indicator and exposures estimates derived from the Gaussian model. We also evaluated the spatial-temporal variability of dioxin and cadmium concentrations over nearly two decades in the Lyon metropolitan area, taking into account a wide variety of source types. This is the first study comparing concentrations predicted by a dispersion model to dioxin concentrations measured in ambient air. The exposure indicator was used in a case-control study within the E3N cohort to estimate the risk of breast cancer associated with atmospheric exposure to dioxins. It is currently being used in another study on cadmium exposure and breast cancer risk and may be applied in future studies on other pollutants or pathologies

L’érosion éolienne des matières granulaires (minerais, charbons,. . . ) est un des facteurs influençant grandement la qualité de l’air dans l’environnement proche de nombreux sites industriels. L’objectif principal de ce travail est l’amélioration des méthodologies de quantification des émissions des sources diffuses, notamment à partir d’une meilleure prise en compte de l’exposition éolienne des sources que sont les tas de stockage et des répartitions granulométriques des matières présentes sur les sites de stockage. Les observations sur sites industriels montrent que les régions proches des tas de stockage de matières granulaires sont chargées de particules de granulométries plutôt fines. Celles-ci sont susceptibles d’être remises en suspension par les structures tourbillonnaires générées par le vent incident. Ainsi, ces zones d’envol potentiel ont fait l’objet d’analyses afin de quantifier leur contribution aux émissions globales. Une technique de visualisation d’écoulement pariétal, associée à des simulations numériques tridimensionnelles, ont été mises en oeuvre pour mieux comprendre ces structures de l’écoulement. Les matières granulaires sont un mélange de particules érodibles et non-érodibles. Le caractère érodible étant lié aux propriétés des particules (principalement granulométrie et masse volumique), ainsi qu’à la vitesse du vent incident. Dans ce cadre, deux types d’études ont été menées: des essais expérimentaux d’envol de particules dans une soufflerie et des simulations numériques tridimensionnelles avec un logiciel open-source de mécanique des fluides (Code_Saturne). Une technique originale a ainsi été développée pour quantifier, par une pesée en continue, l’influence des particules non-érodibles sur le flux massique envolé. En parallèle, le comportement des particules sur la surface est analysé à l’aide de clichés photographiques. L’analyse de l’effet des particules non-érodibles au niveau local est réalisée grâce à des simulations numériques pour des configurations polydispersées. Les résultats présentés dans ce mémoire constituent de premiers éléments pouvant possiblement contribuer à l’amélioration des modèles actuels de quantification des émissions de particules par une meilleure intégration et pris en compte de la présence de particules non-érodibles pour les matières présentant de larges spectres granulométriques. / Wind erosion of granular materials (ores, coal, ...) is one of the factors that greatly influence the quality of the air in the immediate vicinity of many industrial sites. The main objective of this work is the improvement of methodologies for quantifying emissions from diffuse sources. It may be carried out by a better consideration of wind exposure on the sources (storage piles) and larger size distributions of granular materials present at the storage sites. Observations show that areas near storage piles of granular materials on industrial sites are loaded with silt particles. These particles may be re-emitted by vortex structures. Thus, these areas of potential particles take-off were analyzed to quantify their contribution to global emissions. A wall flow visualization technique associated with three-dimensional numerical simulations have been implemented. Granular material is a mixture of erodible and non-erodible particle. The erodible character may be associated to particle properties (mainly size and density), as well as the ambient wind speed. In this context, two types of studies were conducted: experimental tests of particles take-off in a wind-tunnel and numerical simulations with a three-dimensional open-source fluid dynamics code (Code_Saturne). An original technique has been developed to quantify, by a continuous weighing, the influence of non-erodible particles of the mass flow. In parallel, the behaviour of particles on the surface is analyzed using photographs. The analysis of the effect of nonerodible particles at local level is achieved through numerical simulations for poly-dispersed configurations. The results presented in this thesis are the first elements that can potentially contribute to the improvement of current models of quantification of particulate emissions through a better integration of the presence of non-erodible particles for materials with large particle size spectra.

Comment se forment les poussières dans un four électrique à arc d'aciérie et comment réduire leur quantité ? Telles sont les deux questions qui ont motivé ce travail. La caractérisation morpho-minéralogique des particules qui les composent suggère que l'éclatement des bulles de monoxyde de carbone à la surface du bain d'acier liquide est la principale source d'émission de poussière. Nous avons donc développé un dispositif expérimental original permettant de visualiser ce phénomène et de quantifier les gouttelettes projetées lors de l'éclatement d'une bulle. Les résultats obtenus montrent que ce sont les gouttes issues de la fragmentation du film liquide soulevé par la bulle, qui représentent la contribution majeure à la formation des poussières. La masse de gouttes de film émises est d'autant plus faible que les bulles sont petites, elle devient nulle pour une taille de bulle inférieure à 4,5 mm. Il est donc possible de réduire les émissions de poussières en maîtrisant la décarburation, à l'origine de la formation des bulles au four électrique. Après émission, les projections sont entraînées dans le système de captage des fumées où elles subissent des phénomènes d'agglomération, de coalescence et de frittage. Un modèle numérique décrivant ces phénomènes a été développé. Les résultats donnés par le calcul en termes de morphologie et de granulométrie sont très proches des caractéristiques réelles des poussières. A l'aide de ce modèle, nous avons pu préciser l'influence des conditions de captage (température, débit d'aspiration, géométrie des conduites) sur l'évolution des particules. Nous avons également déterminé par quels mécanismes et dans quelles parties du captage se forment les différentes catégories de particules, et nous avons expliqué les différences granulométriques observées entre les poussières de four électrique et celles de convertisseur.

Les émissions de dioxyde de carbone (CO2) et de méthane (CH4) et le cycle du carbone dans la retenue de barrage de Petit-Saut et la rivière Sinnamary (Guyane Française) ont été étudiés dans le but de développer un modèle couplé hydrodynamique-biogéochimie. Le développement de ce modèle a nécessité l'étude de trois processus contrôlant ces émissions : (i) la production de CO2 et de CH4 lors de la dégradation de la matière organique (MO) des sols et de végétaux, (ii) l'oxydation aérobie du CH4 dans la colonne d'eau du barrage et (iii) les processus d'échange gazeux à l'interface air-eau.<br />Sur 10 ans, les émissions atmosphériques se sont avérées très significatives, notamment les trois premières années ayant suivies la mise en eau, puis décroissent au cours du temps. Tandis que 50% des émissions de CO2 ont lieu à la surface du lac, les émissions de CH4 sont principalement localisées en aval des turbines. <br />Les émissions atmosphériques résultent de la dégradation de la MO (sol et biomasse issus de la forêt tropicale) immergée lors de la mise en eau et leur diminution au cours du temps découle de l'épuisement du stock de MO. Au terme de 10 ans, 20% du stock de carbone a été minéralisé et émis vers l'atmosphère sous forme de CO2 et de CH4. L'oxydation aérobie du CH4 transforme plus de 95% du CH4 diffusant depuis l'hypolimnion en CO2 dans la colonne d'eau du lac et 40% du CH4 entrant dans la rivière à l'aval. A l'échelle du barrage ce processus est responsable de l'oxydation de 90% du CH4 produit et de 30% des émissions totales de CO2. Le CH4 et le CO2 qui atteignent les eaux de surface du barrage sont émis vers l'atmosphère par flux diffusifs. L'étude de ce processus de transfert gazeux à l'interface air-eau montre que, en milieu tropical, les flux diffusifs sont accélérés par les fortes températures et les phénomènes pluvieux.<br />Le modèle est basé sur le modèle hydrodynamique SYMPHONIE 2D et les modules biogéochimiques développés dans le cadre de cette étude à partir des données cinétiques des processus étudiés. Les profils verticaux simulés de température, d'oxygène, de CO2 et de CH4 sont bien reproduits. Ce modèle pose les bases d'un outil opérationnel de modélisation pour la retenue de Petit Saut ainsi que pour d'autres réservoirs en milieu tropical.

Les phénomènes météorologiques locaux observés dans les vallées alpines conduisent fréquemment à l'accumulation des émissions anthropiques dans les basses couches de l'atmosphère. Le développement d'un modèle numérique a permis de reproduire l'évolution chimique de la masse d'air pendant les périodes d'observations intensives du programme POVA. Dans les vallées de Chamonix et de Maurienne, les simulations réalisées démontrent par l'étude d'indicateurs photochimiques (NOy, O3/NOz, H2O2/HNO3) un régime de production de l'ozone contrôlé par les composés organiques volatils ainsi qu'une prépondérance régionale de ce composé secondaire. Le développement d'un indicateur localisant les zones de production de l'ozone peut aider à définir des scénarios d'abattement. Le mécanisme chimique RACM permet de décrire l'évolution de nombreuses espèces, il est possible de conclure qu'en hiver, le trafic routier et le chauffage sont les principaux émetteurs des composés organiques volatils.

La nécessité d'effectuer des prévisions climatiques fiables renforce le besoin de représenter correctement notre système Terre dans les modèles de climat. Or, les interactions entre la surface continentale et l'atmosphère restent simplistes dans la plupart des modèles de circulation générale atmosphérique (MCGAs). L'objectif de cette thèse était ainsi de contribuer à la compréhension du rôle de la surface sur le climat des régions boréales, particulièrement sensibles aux changements climatiques, et sur leur sensibilité climatique. L'introduction dans le MCGA LMDz de deux caractéristiques des terres boréales, les sols gelés et les zones inondées (lacs et zones humides), a permis de quantifier leurs impacts respectifs sur différents climats (présent, Dernier Maximum Glaciaire, futur). Les émissions de méthane atmosphérique provenant des zones humides simulées par LMDz ont été estimées depuis le DMG. Le régime thermique des sols gelés a été examiné dans les récentes réanalyses européennes.

La possibilité de reconstruire l'histoire de la pollution atmosphérique Européenne a été exploré au Col du Dôme (CDD) (4250 m d'altitude, Massif du Mont Blanc). Pour cela une carotte de 126 m a été analysé à haute résolution pour les ions majeurs, le F- et les carboxylates, et des mesures atmosphériques continues de l'aérosol effectuées sur le site (Observatoire Vallot). Ceci a montré que des informations atmosphériques peuvent être obtenues avec une résolution saisonnière à partir de la glace du CDD et ce au moins sur les 80 dernières années mais que des précautions sont à prendre pour tenir compte du fluage de la glace lors de l'interprétation de ces signaux en terme de changements atmosphériques. Les enregistrements "glace" montrent que les valeurs estivales de SO4 2- suivent l'évolution des émissions anthropiques de SO2 des pays situés à 1000 km autour des Alpes tandis qu'en hiver elles reflètent plus la contamination diffuse de la troposphère libre à l'échelle de l'Europe entière. En utilisant la relation "air/neige" obtenue à Vallot, les concentrations atmosphériques passées de SO4 2- ont été reconstituées et comparées aux simulations des modèles de chimie. Nous avons estimé que les émissions naturelles représentent environ 20% des émissions actuelles de NO. L'évolution passé de NO3- est en bon accord avec l'histoire des émissions anthropiques de NO de l'Europe, il n'en va pas de même pour NH4+ dont la tendance apparait plus importante que ce que l'on peut attendre avec les estimations actuelles d'émission anthropique de NH3. Notre examen du budget de F- et HCl montrent qu'en plus de la combustion du charbon, l'industrie de l'aluminium et l'incinérarion des déchets ont été les sources anthropiques majeures de ces composés entre 1935 et 1975, après 1960, respectivement. Finalement les sources naturelles semblent dominer le budget de l'oxalate depuis 80 ans tandis que le formate et l'acétate indiquent une tendance anthropique entre 1950 et 1980.

L'atmosphère des hautes latitudes sud demeure très peu documentée à l'heure actuelle. Or, la compréhension des systèmes biogéochimiques à ces latitudes est nécessaire tant pour l'interprétation des archives glaciaires que pour évaluer l'importance de ces régions dans le climat actuel et futur, en liaison notamment avec les émissions océaniques de diméthylsulfure (DMS). Des études de distributions en taille de l'aérosol sur la base côtière antarctique de Dumont d'Urville ont permis de mieux cerner les problèmes de fractionnement de l'aérosol marin par rapport à la composition de l'eau de mer. En hiver, un déficit de sulfate par rapport au sodium ou au chlore est observé. La chronologie et l'ampleur de ce phénomène ont pu être précisés, dans le but de quantifier le nss-sulfate hivernal. Un second phénomène de fractionnement du sel de mer, lié à la remobilisation de HCI et traduit par un déficit de chlore par rapport au sodium, se révèle peu marqué sur le site suite à la combinaison de plusieurs paramètres, parmi lesquels l'influence locale d'émissions ornithogéniques alcalines. Depuis fin 1998, des mesures de DMS et de DMSO complètent les prélèvements d'aérosols continus depuis 1991. Après trois années de mesures, il apparaît une très grande variabilité interannuelle des teneurs en DMS liée à une variabilité importante de la source océanique locale en été. Si les niveaux de DMS paraissent fortement dépendants de cette source à une échelle locale, les espèces oxydées (MSA, sulfate) sont plutôt représentatives en été des émissions océaniques à une échelle régionale. En hiver, leurs teneurs sont très faibles (15 à 20 ng/m3 de nss-sulfate, hors perturbation volcanique, dont une moitié serait d'origine biogénique). Enfin, des études de photochimie en été ont confirmé l'importance d'un puits hétérogène du DMSO qui semble avoir une dépendance photochimique et s'inscrit comme étant une voie de production privilégiée de MSA particulaire.

Les inventaires d'émissions biogéniques dans les modèles de qualité de l'air sont peu adaptés, car basés sur l'utilisation de facteurs d'émission (FE) moyens ils intègrent partiellement les variables environnementales et techniques pilotant ces émissions. Le but de cette thèse a été d'améliorer la prise en compte des émissions de NO par les sols agricoles dans le modèle de chimie transport CHIMERE. Ce travail se base sur un modèle d'agro-écosystème CERES-EGC, qui simule la dynamique de l'azote dans le système sol-plante. Un module d'émission de NO y a été intégré et le test sur des données expérimentales a montré la nécessité de modéliser les échanges de masse et de chaleur près de la surface du sol. Des simulations annuelles ont révélé une variabilité saisonnière des émissions selon le climat et les pratiques culturales. Les émissions varient de 1 à 4 kg N-NO ha-1 sur un an, soit à des FEs de 1-2% selon les doses de fertilisation. Puis, une cartographie des émissions a été réalisée pour l'Ile de France, en combinant l'utilisation de CERES-EGC à des méthodes de systèmes d'information géographique et diverses bases de données. La prise en compte des pédopaysages de la région a fortement influencé les émissions. Notre approche conduit à des émissions totales de 2.7 kt N-NO sur 14 mois et à une moyenne de 5.1 kg N-NO ha-1 (FE de 3.4%). Enfin, l'outil a été couplé à CHIMERE afin d'évaluer l'impact des émissions de NOx par les sols sur la formation d'O3. L'influence des émissions s'explique par les régimes chimiques (perte d'Ox dans le panache urbain et production d'Ox supplémentaire aux alentours) et varie de 1 à 8 ppb d'Ox pour des concentrations de fond de 50 à 100 ppb.