Le mercure est un métal toxique émis dans l'environnement par des sources naturelles et anthropiques. Le cycle naturel de ce polluant, a fortiori la réponse des écosystèmes à ces perturbations par l'Homme, est encore mal quantifié. L'air des névés polaires constitue une archive de la composition passée de l'atmosphère qui permet d'améliorer la connaissance du cycle du mercure. En juillet 2009, à NEEM, Groenland du Nord, nous avons mesuré les concentrations en mercure élémentaire gazeux dans l'air du névé entre 30 et 76 mètres de profondeur, et, grâce à des travaux de modélisation des processus de diffusion, reconstruit les concentrations atmosphériques en Hg° depuis les années 1950, à une échelle spatiale représentative de l'Arctique. Le signal reconstruit présente des concentrations maximales dans les années 1970, synchrones avec le maximum d'émissions anthropiques supposé, puis une décroissance très peu marquée, suggérant une persistance de cette contamination dans l'Arctique. Le plateau antarctique revêt également un intérêt paléoenvironnemental dans la perspective de caractériser l'impact des perturbations anthropiques aux hautes latitudes sud. Néanmoins, la réactivité du mercure dans cette région est méconnue, et sa caractérisation est nécessaire. Nous avons mené une campagne de mesure en janvier 2009 sur le site de Dôme C, Antarctique de l'Est et observé une réactivité marquée du mercure dans la basse troposphère et dans l'air interstitiel du manteau neigeux, mettant en évidence l'existence de processus d'oxydation puissants dans ces deux matrices. De fortes concentrations en mercure ont aussi été mesurées dans la neige de surface.

Face à une concurrence de plus en plus vive, les professionnels se soucient de plus en plus de l'ambiance de leurs magasins. Leur intérêt se porte aujourd'hui sur la dimension olfactive de l'atmosphère. Notre objectif fut de vérifier l'intérêt de cette variable et de tester l'influence que pouvait avoir la diffusion de senteurs d'ambiance sur les réponses émotionnelles, cognitives et comportementales de clientes interrogées au sein d'un magasin de prêt-à-porter féminin. Dans une première partie, nous avons réalisé une revue de littérature qui nous a permis de revenir sur le concept de lieu. Nous avons proposé d'en distinguer trois types ainsi que trois atmosphères. Ensuite, nous avons examiné les contributions de la psychologie environnementale à l'étude de la relation individu-environnement. Enfin, nous avons confronté les mythes généralement associés aux odeurs aux connaissances scientifiques acquises sur leur perception et leur influence. La seconde partie de notre travail fut consacrée au test de l'impact de la diffusion de senteurs d'ambiance au sein d'un magasin de prêt-à-porter féminin. Nous avons adopté une approche positive basée sur le paradigme SOR. Une première étude, menée auprès de 253 femmes, a permis de sélectionner deux senteurs. Ensuite, les effets de la diffusion de ces deux senteurs furent examinés au cours d'une étude portant sur un échantillon de 230 femmes. Afin de tester les hypothèses formulées, nous avons eu recours à des analyses de variance ainsi qu'à des méthodes avancées (équations structurelles et tests non paramétriques). Cela nous a permis de vérifier l'influence que pouvait avoir la diffusion de senteurs sur les réponses affectives (dimension plaisir), cognitives (évaluation du temps écoulé...) et comportementales (temps de présence). Enfin, nous avons étudié la médiation des réponses affectives et la modération des variables âge et fumeur (équations structurelles). Enfin, différentes recommandations managériales ont été faites.

Mars est entourée d'une atmosphère ténue, composée à 95% de dioxyde de carbone (CO2). Au cours d'une année martienne, des transferts de masse (jusqu'à 30% du CO2 atmosphérique) entre l'atmosphère et les calottes polaires produisent des variations temporelles à très grande longueur d'onde du champ de gravité, notamment des harmoniques zonaux de son développement en harmoniques sphériques (de fait les coefficients ”composites” de degré 2 et 3). D'un autre côté, le potentiel gravitationnel du Soleil induit des déformations, dites de marée, du volume martien. Ces déformations produisent un potentiel perturbateur en tout point extérieur à la planète, proportionnel à son nombre de Love de degré 2 k2. k2 traduit la réponse élastique de la planète au potentiel solaire et permet de caractériser physiquement le noyau de Mars (sa nature, solide ou liquide, et son rayon). Une manière de quantifier les transferts de la masse atmosphérique et l'état du noyau est de déterminer les perturbations inhérentes sur le mouvement d'un satellite artificiel. Le cycle saisonnier du CO2 et l'état du noyau impliquent aussi des variations de la rotation de Mars. Une autre manière de quantifier les transferts de la masse atmosphérique et l'état du noyau est donc d'observer leurs effets sur la rotation. Des simulations d'observations de trajectographie de satellites (comme celles de Mars Global Surveyor, MGS, Odyssey, MODY) et/ou de la position d'un réseau de stations à la surface de Mars (comme dans l'expérience NEIGE) nous ont permis de voir s'il est possible de restituer précisément les variations des harmoniques zonaux de gravité de bas degré et/ou la rotation. Avec les observations réelles de trajectographie des missions américaines MGS et MODY, on a restitué les variations des harmoniques zonaux de gravité de bas degré et k2.

Les océans Pacifique et Indien tropicaux se partagent la plus grande étendue d'eau chaude et de convection profonde de la planète. Cette région est le siège de la branche ascendante de la circulation de Walker, circulation atmosphérique d'échelle planétaire parfois décrite comme la " machine thermique " de la Terre. Cette région, dont les répercussions sur le climat sont importantes, est aussi source de variabilité océanique et atmosphérique aux échelles intrasaisonnières et interannuelles . En effet, la variabilité interannuelle associée à El Niño, dans l'océan Pacifique, et - dans une moindre mesure - au dipôle de l'Océan Indien (DOI) ont des conséquences climatiques marquées sur les pourtours de ces bassins et à l'échelle du globe. La variabilité intrasaisonnière liée à l'oscillation de Madden-Julian (OMJ) a également des conséquences climatiques marquées : modulations des moussons indiennes et australiennes et un rôle potentiellement important dans le déclenchement d'ENSO. Dans ce mémoire, je vais décrire mes travaux de recherche sur la variabilité océanique et atmosphérique aux échelles intrasaisonnière et interannuelle dans les Océans Indien et Pacifique. El Niño ou le DOI sont des modes couplés : c'est la rétroaction positive découlant des interactions océan-atmosphère qui est source de variabilité (le " Bjerknes feedback "). À l'échelle intrasaisonnière, le rôle du couplage océan-atmosphère semble moins primordial, et modifie seulement des modes de variabilité essentiellement atmosphériques ou océaniques. Par exemple, les ondes d'instabilité dans le Pacifique Est sont le résultat d'une instabilité interne océanique. Cependant, elles affectent la stabilité atmosphérique, les vents de surface, et cela tend à réduire légèrement leur activité. À l'inverse, l'OMJ est un phénomène dont la source est atmosphérique, naissant du couplage entre dynamique et convection dans les tropiques. Toutefois, nous verrons que ce phénomène a une réponse océanique forte dans l'Océan Indien, à la fois en termes de dynamique et de thermodynamique. Le degré d'influence du couplage dans les propriétés de l'OMJ reste toutefois une question largement ouverte. Nous nous intéresserons aussi à la question des interactions entre ces différents modes de variabilité. Nous verrons par exemple comment la variabilité intrasaisonnière atmosphérique peut déclencher un El Niño, comment El Niño peut supprimer l'activité des ondes tropicales d'instabilité et l'effet retour, comment le DOI module l'activité de l'OMJ et enfin, quelles sont les interactions entre DOI et El Niño. Je présenterai alors une région de l'Océan Indien assez emblématique de ces interactions d'échelle, et dans laquelle j'ai développé une activité d'observations (campagnes océanographiques Cirene de 2005 à 2008 et projet de campagne TRIO). La bande 5°S-10°S dans l'Océan Indien est une région très particulière. En raison de la structure des vents, la thermocline y est proche de la surface et la couche de mélange est peu profonde, ce qui induit une forte réactivité de la température de surface aux sollicitations de l'atmosphère. De plus, la température de surface en hiver boréal est proche du seuil de convection, impliquant une sensibilité accrue de l'atmosphère à de petites variations de température. Ces deux facteurs augmentent le couplage océan atmosphère dans cette région qui a une variabilité très marquée aux échelles synoptiques (cyclones), intrasaisonnières (OMJ) et interannuelle (réponse à El Niño, mais aussi au DOI). Cette région a enfin des conséquences climatiques marquées (sur l'intensité des pluies de la mousson suivante, sur le nombre de cyclones dans le secteur La Réunion-Madagascar, sur la convection au-dessus du continent maritime, et même sur l'Amérique du Nord). Pour conclure, je présenterai ma réflexion sur mes axes de recherches futurs, ainsi que mes projets en termes de campagnes et réseaux d'observations.

Les apports atmosphériques sont suspectés de jouer un rôle important dans les processus biogéochimiques des régions océaniques HNLC. Des échantillons de dépôt atmosphérique total et d'aérosols ont été collectés en continu entre 2009 et 2010 dans l'océan austral indien, aux îles Kerguelen et de Crozet. Ils ont été mesurés par HR-ICP-MS. Les concentrations en surface des aérosols terrigènes sont basses et ne peuvent rendre compte des flux de dépôt de poussières qui sont plus élevés que ceux précédemment observés pour la région mais qui restent en adéquation avec les modèles atmosphériques. Le calcul des coefficients d'abattement suggère que l'aérosol mesuré en surface n'est pas représentatif de celui qui va générer le dépôt et qui est présent plus haut dans la colonne troposphérique, ce qui interdit ici l'estimation du flux à partir de ces mesures. Les flux de dépôt ont été établis pour une large gamme d'éléments identifiés comme venant de source terrigène ou marine. Pour certains d'entre eux (Pb, As, ...), une contribution anthropique a été observée pendant l'hiver austral. Les flux des éléments crustaux Al, Fe, Mn et Si sont similaires pour Kerguelen et Crozet ; ceux des autres éléments non marins sont différents d'un facteur deux à cinq avec un gradient décroissant de Crozet aux Kerguelen. Les rapports isotopiques de plomb montrent que le dépôt reçu aux Kerguelen provient principalement d'Amérique du sud ; le dépôt à Crozet semble fortement influencé par les apports africains. Les profils de REE pourraient confirmer ces observations. Les concentrations de métaux sont très basses dans les pluies avec une solubilité très élevée.

Ce travail a été consacré à l'étude de deux transformations: d'une part l'évolution texturale d'une poudre de titanate de baryum, d'autre part une voie de synthèse de cet oxyde à partir de nitrate de baryum et de dioxyde de titane à l'état solide. Nous avons montré que la vitesse absolue de chacune de ces transformations peut être reliée à la vitesse spécifique du phénomène, calculée à l'aide d'une modélisation physico-chimique et qui s'exprime en fonction des contraintes expérimentales (pressions partielles de gaz, rapport Ba/Ti, ... ). Une étude cinétique de l'influence de ces contraintes a donc été réalisée pour chaque transformation. Dans le cas du grossissement de grains, cette étude a révélé un effet accélérateur de la vapeur d'eau et du rapport Balfi sur la chute de surface spécifique du titanate de baryum. En ce qui concerne la réaction de synthèse, l'étude expérimentale (par thermogravimétrie) a mis en évidence un effet très fortement ralentisseur du monoxyde d'azote et un effet ralentisseur moindre de l'oxygène. Des modèles physico-chimiques ont été proposés, qui ont conduit à l'expression des vitesses théoriques pour chaque transformation, et ont permis de rendre compte des résultats expérimentaux, qualitativement dans le cas de la synthèse, et de manière quantitative pour le grossissement de grains. Deux voies parallèles de transport de matière ont d'ailleurs été mises en évidence dans ce dernier cas, l'une faisant intervenir un effet catalytique de la vapeur d'eau, l'autre se déroulant par l'intermédiaire des défauts intrinsèques seulement (les lacunes d'oxygène).

ISBA-A-gs est une option du modèle de surface continentale du CNRM, ISBA, qui simule les échanges de carbone entre la biosphère terrestre et l'atmosphère. Au cours de cette thèse, le modèle est utilisé pour la première fois à l'échelle globale en mode forcé. Plusieurs simulations globales sont réalisées pour évaluer la sensibilité des flux turbulents et du LAI à un doublement de CO2 et au changement climatique prévu pour la fin du XXIe siècle.<br />Une nouvelle option du modèle, nommée ISBA-CC, est aussi développée afin de simuler de manière plus réaliste la respiration de l'écosystème, en distinguant la respiration autotrophe et la respiration hétérotrophe.<br />La validation de la dynamique de la végétation et des flux de carbone échangés, à la fois à l'échelle globale à l'aide de données satellitaires, et à l'échelle locale sur 26 sites de mesure du réseau FLUXNET, montre que le modèle de surface est suffisamment réaliste pour être couplé à un modèle de circulation générale, afin de simuler les interactions entre la surface continentale, l'atmosphère et le cycle du carbone.

Depuis 1992, mon activité scientifique est axée vers l'étude des basses couches de l'atmosphère où on s'attache à comprendre et à modéliser le forçage surfacique (quantité de mouvement, flux de chaleur latent et sensible, topographie) sur la dynamique et la microphysique de l'atmosphère dans ses premiers kilomètres. Les mécanismes de transport vertical dans la couche limite atmosphérique contrôlent la qualité de l'air dans les zones urbanisées, la répartition spatio-temporelle des précipitations et le transport de la neige dans les régions montagneuses. <br />Par exemple, l'ozone troposphérique, issu d'une réaction entre hydrocarbures et oxydes d'azote alimentée par le rayonnement solaire, est un oxydant redoutable qui s'attaque à la végétation et au système respiratoire humain. Les valeurs maximums sont enregistrées dans les périphéries des villes et non dans les zones où les émissions des polluants primaires sont les plus fortes. Pour mieux prévoir (et donc à terme, mieux gérer), la dynamique des basses couches doit faire l'objet d'une attention toute particulière.<br />Il en est de même pour l'aménagement du territoire face au risque d'inondation. La réponse hydrologique à un forçage pluviométrique sera d'autant plus pertinent en terme de prévision que le signal pluviométrique précis (en quantité et en localisation).<br /><br />Ces deux problèmes sont des questions où la demande sociétale est forte, et les mécanismes qui y sont associés sont des problèmes fondamentaux qui doivent encore retenir toute notre attention. Rappelons que la Loi sur L'air et L'utilisation Rationnelle de l'Energie (dite loi Lepage, mise en application au 1er janvier 1997) stipule dans son premier article « ...Cette action d'intérêt général consiste à prévenir, à surveiller, à réduire ou à supprimer les pollutions atmosphériques... » car il "est reconnu à chacun le droit à respirer un air qui ne nuise pas à sa santé". La Loi sur l'Eau (3 janvier 1992) a pour objectif de proposer un cadre législatif pour une gestion équilibrée, en autre, « de la conservation et du libre écoulement des eaux et de la protection contre les inondations ».<br /><br />La méconnaissance de ces mécanismes liés au transport et au mélange dans les basses couches entraîne des difficultés importantes lorsque l'on souhaite proposer des outils de gestion et de prévention de la qualité de l'air ou lorsque l'on souhaite affiner les prévisions à petite échelle de la répartition spatio-temporelle des précipitations. <br /><br />Mon outil d'investigation est la modélisation non-hydrostatique tridimensionnelle de l'atmosphère. Pour les applications dédiées à l'évaluation de la qualité de l'air comme pour celles dédiées au risque d'inondation, l'imbrication d'échelles ainsi que la définition des interfaces sont des problématiques communes. A ces échelles, l'interaction sol – atmosphère est importante à bien reproduire à travers toutes les hétérogénéités que composent un sol urbain (succession de rues hétérogènes) ou un massif montagneux (délimité par un système de vallées). Le forçage des échelles supérieures doit, également, rendre compte du milieu atmosphérique non fermé et de son caractère fortement instationnaire et turbulent.<br />Je me suis attachée à comprendre les mécanismes physiques liés au transport vertical et le rôle de la stratification dans le développement de ces mouvements ainsi que les processus liés au mélange des quantités scalaires passifs (traceur) ou qui interagissent avec la dynamique (microphysique). Les échelles caractéristiques sont celles d'une vallée comme celle de Grenoble ou d'un massif montagneux comme celui des Cévennes.<br />Compte tenu du rôle important de la stratification atmosphérique dans les processus physiques étudiés et de son caractère fortement instationnaire et inhomogène en espace aux échelles proposées, il me semble raisonnable d'aborder cette thématique pour deux études dissociées où la stratification agit différemment : (i) transport d'un traceur passif dans une vallée et effet de la stratification stable, (ii) forçage topographique sur un système précipitant (stratification instable). <br />A travers ce document, je souhaiterai synthétiser ma contribution personnelle à ces questions en n'oubliant pas que ma démarche s'est enrichie des nombreuses collaborations que j'ai pu avoir avec des chercheurs confirmés et à travers les divers encadrements de jeunes chercheurs qui ont rythmé ces 10 dernières années.

Le Modèle Atmosphérique Régional (MAR, dx=40 km) est mis en œuvre sur l'Afrique de l'Ouest pour souligner la sensibilité du régime pluviométrique et de la dynamique simulée à la température de surface océanique du Golf de Guinée durant l'année sèche 1984. Cette influence est très marquée au sud de 12°N. Au-delà, il semble que les précipitations soient plus influencées par les interactions avec la surface continentale et les structures synoptiques. La zone Sahélienne apparaît donc pertinente pour étudier le couplage entre la surface continentale et l'atmosphère. Ainsi, une architecture originale fondée sur l'utilisation des codes patrimoines permettant modularité, portabilité, extensibilité et interopérabilité a été développé et utilisé en premier lieu en mode forcé de l'atmosphère vers le bassin versant de la Sirba (39000 km2) modélisé par le modèle hydrologique ABC (dx~1.8 km). Un algorithme de désagrégation des pluies convectives basé sur la prise en compte de plusieurs maximums convectifs pour un même évènement a ainsi été testé avec succès. La prépondérance de la sensibilité de l'échantillonnage temporel sur le spatial est ainsi soulignée.<br />Enfin, une expérience de couplage entre les modèles MAR et ABC interfacés à l'aide de modèles SVAT (Surface Vegetation Atmosphere Transfer) est réalisée sur le bassin de la Sirba.<br />La haute résolution du SVAT sur la Sirba entraîne alors des modifications dans le traitement des flux, de la température de surface, et dans le bilan en eau. La partie hydrologique montre, pour sa part, sa capacité à moduler les variations apportées par le SVAT haute résolution en modifiant le bilan en eau et par là même l'albedo et le bilan d'énergie.

Depuis une vingtaine d'années, la qualité de la prévision de la trajectoire des cyclones tropicaux a fortement progressé mais peu d'améliorations ont été apportées à la prévision de l'intensité. Cette thèse s'intéresse aux changements d'intensité des cyclones tropicaux du sud-ouest de l'océan Indien sous l'angle original de l'activité électrique. Une première étude climatologique s'appuyant sur les données du réseau de détection d'éclairs World Wide Lightning Location Network (WWLLN) a permis de valider la qualité de ces données et de montrer que les cyclones tropicaux pouvaient être une source importante de production d'éclairs à l'échelle du bassin. À partir de ce résultat, une étude ciblée a été menée en considérant la spécificité du bassin et trois régions ont été définies (océan ouvert, région à proximité de la côte est de Madagascar et Canal du Mozambique). L'activité électrique des cyclones tropicaux dépend de la région où ils se trouvent ainsi que de leur stade d'intensité. Les éclairs semblent être un marqueur des phases d'intensification et d'affaiblissement dans certains situations. La troisième étape de cette thèse a consisté à simuler de manière idéalisée un cyclone tropical mature et a tenté d'expliquer les processus physiques à l'origine de l'activité électrique. Le modèle reproduit bien le comportement sporadique des éclairs habituellement observé. Des bilans montrent que ce cyclone présente trois phases caractéristiques, chacune associée à un comportement dynamique, microphysique et électrique différent. Enfin, une deuxième étude purement numérique a tenté d'identifier des estimateurs de l'activité électrique. Pour celà deux approches ont été adoptées : une étude globale et une étude par cellule. Dans les deux cas, les meilleurs estimateurs sont la masse totale de graupel, le volume d'updraft et le produit des flux des masses de glace précipitante et non précipitante.