La région de l'Hindu-Kush Karakoram Himalaya (HKH) est la plus grande région englacée de la planète, hormis les calottes polaires. Dans cette région, les mesures météorologiques et de bilans de masse sont sporadiques et les observations glaciologiques concernent essentiellement les mesures de fluctuations des fronts des glaciers. Ainsi, la réponse de ces glaciers aux changements climatiques est très mal connue. Le but de ce travail de thèse est d'améliorer la connaissance des relations entre les variables météorologiques et les bilans de masse glaciaires à partir de l'étude du glacier du Chhota Shigri situé dans l'Ouest de l'Himalaya. De nombreuses mesures in-situ de bilans de masse, de vitesses d'écoulement, d'épaisseurs et de météorologie ont été réalisées depuis 2002 et au cours de ce PhD. Ces observations permettent d'analyser le comportement du glacier au regard des fluctuations climatiques. Entre 2002 et 2013, nos observations indiquent une perte de masse cumulée équivalente à une lame d'eau de -6.45 m. Par ailleurs, l'analyse des observations des flux de glace suggèrent que le glacier a connu un état proche d'un état d'équilibre avec des bilans nuls ou légèrement positifs au cours des années 1990. Nous avons dans un premier temps reconstitué les bilans de masse annuels et saisonniers depuis 1969 en utilisant un modèle degré-jour et des variables météorologiques simples, précipitations et températures. Depuis 1969, les bilans de masse sont faiblement négatifs, équivalents à -0.30 m d'eau par an. Cette reconstitution montre que le glacier était proche de l'état d'équilibre entre 1986 et 2000, ce qui confirme les résultats obtenus à partir de l'analyse des flux de glace et des mesures géodésiques. Cette étude montre également que la perte de masse glaciaire est récente et révèle des fluctuations de bilans de masse avant l'année 2000 très différentes de ce que l'on trouve dans la littérature. L'analyse des bilans de masse à l'échelle décennale révèle que les précipitations hivernales et les températures estivales jouent un rôle sensiblement équivalent. Afin de comprendre plus en détail les variables climatiques qui contrôlent le bilan de masse, nous avons, dans un second temps, analysé les flux d'énergie en surface à l'aide de stations météorologiques situées sur le glacier et à proximité du glacier. Le rayonnement de courtes longueurs d'onde contrôlent 80 % des flux d'énergie entrant en surface alors que les flux de chaleur latente, sensible et de conduction contribuent pour 13, 5 et 2 % respectivement du flux entrant total. Par ailleurs, notre étude montre que les événements de fortes précipitations au cours de la période de mousson jouent un rôle essentiel sur l'évolution des bilans de masse. Néanmoins, à cause du manque de données de précipitation dans cette région et le fort gradient régional, la distribution des précipitations sur le glacier reste mal connue. / The Hindu-Kush Karakoram Himalayan (HKH) region is the largest snow and ice reservoir on the planet outside the Polar Regions. In the HKH region the mass balance and meteorological observations are sparse and the historical knowledge is mainly concentrated on snout fluctuation records. Hitherto, the understanding of glacier-climate relationship is poor in the HKH region. Therefore, the goal of the present work is to improve the understanding of glacier-climate relationship on a representative glacier ‘Chhota Shigri' in the western Himalaya. A number of in-situ measurements concerning mass balances, surface velocity, ice thickness and meteorology have been collected during and before the present PhD work since 2002. These data sets were first analyzed to understand the glacier behaviour and then used in the models to understand the glacier relationship with climatic variables. Between 2002 and 2013, glacier showed a mass wastage/unsteady-state conditions with a cumulative mass loss of –6.45 m w.e. Further, the ice flux analysis over 2002-2010 suggested that the glacier has experienced a period of steady-state or slightly positive mass balance during the 1990s. We first reconstructed the annual and seasonal mass balances using a degree day model from simple meteorological variables, precipitation and temperature. This reconstruction allowed us to examine the mass balances between 1969 and 2012. Since 1969, Chhota Shigri showed a moderate mean mass wastage at a rate of −0.30 m w.e. a-1. A period of steady-state between 1986 and 2000, already suggested by ice flux analysis and geodetic measurements, was confirmed. The mass balance evolution of this glacier revealed that the mass wastage is recent and provide a very different pattern than that of usually found in the literature on western Himalayan glaciers. The analysis of decadal time scale mass balances with meteorological variables suggested that winter precipitation and summer temperature are almost equally important drivers controlling the mass balance pattern of this glacier. Second, in order to understand the detailed physical basis of climatic drivers, a surface energy balance study was also performed using the in-situ meteorological data from the ablation area of Chhota Shigri Glacier. Net all-wave radiation was the main heat flux towards surface with 80% contribution while sensible, latent heat and conductive heat fluxes shared 13%, 5% and 2% of total heat flux, respectively. Our study showed that the intensity of snowfall events during the summer-monsoon is among the most important drivers responsible for glacier-wide mass balance evolution of Chhota Shigri Glacier. However, due to the lack of precipitation measurements and the strong precipitation gradient in this region, the distribution of precipitation on the glacier remains unknown and needs further detailed investigations.

Au-delà de leur rôle d’icône du changement climatique, les glaciers de montagne sont une composante essentielle de notre planète. Ils sont, de plus, de véritables « climat-mètres » naturels. Malgré leur faible superficie (0.5% des terres émergées), les glaciers de montagne contribuent à hauteur de 30% à la hausse du niveau des mers. Dans certaines régions, ils constituent de véritables enjeux quant à l’eau potable, l’agriculture, la production hydroélectrique ou les aléas glaciaires. Peu sont en revanche instrumentés (<0.0025%) et leurs fluctuations à l’échelle de régions entières sont mal connues.Grâce au développement de capteurs satellitaires à haute résolution spatiale (métrique à décamétrique), le développement de méthodes automatisées permet aujourd’hui d’augmenter considérablement le nombre de glaciers observés. Après avoir dressé un état de l’art des méthodes existantes et identifié les verrous méthodologiques, nous avons développé deux méthodes en particulier.La première se base sur la détection automatique de l’altitude de la limite glace/neige (i.e. ligne de neige) à la surface du glacier, à partir d’images satellites optiques. Cette altitude, lorsque mesurée à la fin de l’été, est un marqueur du changement de masse à la surface du glacier ayant eu lieu au cours de l’année (appelé bilan de masse de surface). Cette approche nous a permis d’estimer le bilan de masse de surface annuel de 239 glaciers dans les Alpes européennes et de 82 glaciers dans les Andes tropicales pour la période 2000-2016 et 2000-2018, respectivement. La perte moyenne annuelle observée est de -0.74 et de -1.29 m équivalent eau par an pour les deux régions respectivement. A notre connaissance, cette approche a permis d’établir le premier jeu de données de bilans de masse de surface annuels pour des glaciers individuels à échelle régionale à partir d’images satellites optiques. Une dépendance du bilan de masse de surface moyen par glacier à des caractères morpho-topographiques (e.g. pente, altitude médiane …) a été observée, où plus les glaciers sont pentus et hauts en altitude, moins leur perte de masse est importante. Une comparaison avec des mesures in situ dans les Alpes Européennes révèle une surestimation de la perte de masse par ces dernières si on les extrapole spatialement, notamment à cause de la faible représentation de glaciers à forte pente (>20°) dans les mesures in situ. Notre étude sur les Alpes Européennes a de plus permis d’identifier une variabilité interannuelle hétérogène sur cette région, en partie expliquée par des contextes climatiques différents grâce à l’utilisation de données issues de ré-analyses.Le développement d’une autre méthode a permis, à partir de l’analyse de carte d’albédo issues du capteur MODIS, de caractériser le bilan de masse de surface annuel et estival de 30 glaciers dans les Alpes françaises. Cette étude ouvre la porte à l’utilisation de cette méthode pour l’analyse du bilan annuel et saisonnier à l’échelle régionale.Ce travail a permis, à travers des applications dans différentes régions englacées, de développer et valider des méthodes capables, à partir d’images satellites optiques, d’estimer le bilan de masse de surface annuel et saisonnier de glaciers de montagne à l’échelle de régions entières. Ces estimations peuvent ensuite être utilisées pour : (1) étudier l’impact du climat local sur les glaciers de montagne ; (2) d’investiguer de possibles conditions météorologiques favorisant les fluctuations observées ; (3) calibrer et valider les modèles glacio-hydrologiques utilisés pour estimer les contributions actuelles et futures des glaciers de montagne au fonctionnement hydrologique des bassins versants et à l'élévation du niveau des mers. / Beyond their iconic role of climate change, mountain glaciers can be considered as Earth’ essential component and natural “climate-meter”. Despite their small spatial coverage (0.5% of emerged land), mountain glaciers contribute as high as 30% of the observed sea-level rise. In some regions, they are considered as essential issues because of their importance in terms of potable water, agriculture, hydroelectricity or natural hazards. A small share is however monitored in situ (<0.0025%) and their fluctuations at regional scale are poorly known.Thanks to the development of high spatial resolution satellite sensors (metric to decametric), new methods are today available to significantly increase the number of monitored glaciers. After a state of the art of the existing methods and an identification of the limitations, we focused our attention on the development of two methods.The first one is based on the automatic detection of the snow/ice interface altitude (i.e. snowline) at the glacier surface from optical satellite images. This altitude, when estimated at the end of summer, is a proxy of the annual glacier-wide mass change at the glacier surface (called surface mass balance, SMB). Using this approach, we estimated the annual SMBs of 239 glaciers in the European Alps and 82 glaciers in the tropical Andes for the period 2000-2016 and 2000-2018, respectively. The mean mass loss are -0.74 and -1.29 m water equivalent per year for the two regions, respectively. This approach allowed to derive the first dataset of annual SMBs for individual glaciers at regional scale from optical remote sensing. We found significant relationships between the computed SMBs and the glacier morpho-topographic features (e.g. slope, median altitude, …), with steeper and higher glaciers, experiencing less mass losses. Comparison with in situ monitored SMBs revealed an overestimation of mass losses from in situ estimates, due to a low representativeness of steep glaciers (>20°) in the in situ datasets. Our study also revealed heterogeneous inter-annual variability across the European Alps, partially explained by the climatic context of the studied sub-regions, thanks to the analysis of climate reanalysis data.We developed a second method to derive the annual and summer SMBs from albedo maps, computed from MODIS images. With an application on 30 glaciers in the French Alps, this work opened the way toward a regional application of this method, in order to estimate both annual and summer SMBs.By performing regional applications on different glacierized regions, we developed and validated methods capable of deriving the annual and summer SMBs of individual mountain glaciers at regional scale, from optical remote sensing data. These data could then be used to (1) assess the impact of peculiar climatic conditions onto mountain glaciers; (2) investigate possible meteorological conditions driving the documented glacier fluctuations; (3) calibrate and validate glacio-hydrological models used to estimate the current and future contributions of mountain glaciers to the hydrological functioning of mountain catchments and to sea level rise.

Résumé : Le contexte récent d’accélération de la fonte des glaciers et calottes glaciaires (GCG) de l’archipel arctique canadien, jumelé aux difficultés de suivi des GCG de cette région, rendent essentiels le développement et l’utilisation de nouvelles approches innovatrices de suivi. Le potentiel de la stéréo radargrammétrie (SRG) RADARSAT-2 est ici caractérisé pour l’extraction d’élévations et le calcul de changements d’élévation et de bilans de masse (historiques et récents) sur les calottes glaciaires Barnes et Penny (Nunavut, Canada). Par la méthode semi-automatisée de recherche de corrélation à partir de couples stéréoscopiques RADARSAT-2 de 2013 (mode wide ultra-fin; résolution spatiale de 3 m; taille d’image de 50 km x 50 km), une précision verticale de ~7 m (LE68) est mesurée sur la terre ferme, et cette valeur de précision est possiblement légèrement supérieure sur la calotte Barnes, étant donné la variabilité de profondeur de pénétration. Par captage 3D, une précision altimétrique de ~3-4 m (LE68) est mesurée par différents photo-interprètes à partir de couples RADARSAT de 2012 en zone d’ablation de la calotte Penny. Sur la calotte Barnes, les changements d’élévation mesurés par rapport aux premiers modèles numériques de terrain disponibles permettent de mesurer un bilan de masse spécifique historique (1960-2013) de -0,49 ± 0,20 m w.e./année, pour un bilan de masse total de -2,9 Gt/année. Entre 2005 et 2013, le bilan de masse spécifique de cette calotte augmente significativement à -1,20 ± 0,86 m w.e./année, pour un bilan de masse total de -7 Gt/année. En zone d’ablation de la calotte Penny, un changement d’élévation annuel moyen de -0,59 m/année est mesuré entre 1958 et 2012. Parallèlement, plusieurs aspects méthodologiques et techniques sont discutés et analysés. Des profondeurs de pénétration nulles (bande C) sont mesurées à partir des images acquises sur la calotte Barnes à la toute fin de la saison d’ablation (fin septembre/début octobre), alors que cette profondeur augmente à ~2,5-3 m pour des images acquises à la fin octobre/début novembre (période de gel). Nos résultats suggèrent aussi que le modèle de fonction rationnelle, lorsqu’utilisé avec des images RADARSAT-2 en mode wide ultra-fin, permet d’obtenir des précisions plus constantes que le modèle hybride de Toutin. De par son indépendance des conditions météorologiques, son utilisation possible sans point de contrôle et sa simplicité de traitement, la SRG RADARSAT-2 s’avère donc être une excellente alternative aux technologies actuelles pour le suivi de GCG situés dans des régions affectées par des contraintes opérationnelles importantes. / Abstract : Given the recent melt acceleration of the Canadian arctic archipelago’s ice caps and the monitoring difficulties of this remote region, the development of new innovative monitoring tools has become essential. Here, the potential of the RADARSAT-2 stereo radargrammetry (SRG) is characterized for elevations extraction, as well as for elevation changes/mass balances calculations (historical and recent) on Barnes and Penny ice caps (Nunavut, Canada). Using the semi-automatic approach of correlation search from RADARSAT-2 stereoscopic couples of 2013 (wide ultra-fine mode; spatial resolution of 3 m; coverage of 50 km x 50 km), a vertical precision of ~7 m (LE68) is measured on ice-free terrain and this precision is possibly slighty worse on the ice cap because of the penetration depth’s variability. On the other hand, the 3D vision extraction approach reveals an altimetric precision of ~3-4 m (LE68) on the ablation area of the Penny Ice Cap. On the Barnes Ice Cap, elevation changes calculated relative to the oldest digital elevation models available allows to calculate an historical specific mass balance (1960-2013) of -0,49 ± 0,20 m w.e./year, resulting in a total annual mass balance of -2,9 Gt/year. Between 2005 and 2013, the specific mass balance of this ice cap increases to -1,20 ± 0,86 m w.e./year, which equals to a total annual mass balance f -7 Gt/year. On Penny Ice Cap’s ablation area, an average elevation change of -0,59 m/year is measured between 1958 and 2012. As also suggested in the literature, the recent melt acceleration is highly linked to warmer summer temperatures. Methodological and technical aspects are also presented and analyzed. No penetration depth (C band) is perceived on elevations derived from late ablation season images (late September/beginning of October), while a penetration of ~2,5-3 m is measured from images acquired in late October/beginning of November (freeze period). Our results also suggest the superiority and better consistency of the rational function model for geometrical correction of wide ultra-fine mode RADARSAT-2 images, compared to the hybrid Toutin’s model. Because of its all-weather functionality, its possible use without any ground control point and the simplicity and facility of its treatment, the RADARSAT-2 SRG represents a really good technology for glacier monitoring in regions affected by serious operational constraints.

L'étude des surfaces planétaires a été profondément modifiée par la dernière génération d'instruments spatiaux : les spectro-imageurs. Ces détecteurs produisent de nombreuses images hyperspectrales, pour lesquelles chaque pixel est associé à un spectre. Ils permettent un suivi spatial et temporel des propriétés optiques des sols. Le premier objectif de cette thèse est de proposer des outils permettant de traiter la grande quantité d'images et de spectres afin d'aborder des problématiques planétologiques. Deux types d'analyse des images produites par l'instrument OMEGA (Mars Express/ESA) sont avancées : (i) WAVANGLET, une méthode rapide de détection des corps chimiques au sol, (ii) JADE+BPSS, une séparation de source en aveugle qui permet de détecter des corps chimiques sans a priori. <br />Les régions polaires de Mars sont le siège d'un cycle climatique annuel d'échange de CO2 entre atmosphère et surface. Pendant la nuit polaire, le CO2 atmosphérique se condense au sol, tandis qu'il se sublime à nouveau pour gonfler l'atmosphère, dès les premiers rayons du soleil au printemps. Ce cycle a été mis à jour depuis les années 60 mais aujourd'hui encore, le détail microphysique d'interaction entre atmosphère et surface demeure inconnu. Le second objectif de cette thèse est d'établir un modèle de sublimation des dépôts saisonniers martiens. Le bilan de masse est simulé par un bilan radiatif sur une surface rugueuse. La confrontation de ce modèle avec différents jeux de données spatiales a permis de montrer que la sublimation de la calotte saisonnière sud de Mars est contrôlée majoritairement par son albédo. Des études ultérieures seront nécessaires pour saisir quels sont les mécanismes à l'origine des variabilités d'albédo (métamorphisme, contamination en poussière, . . . ).

Alors que depuis un peu plus de 2000 ans, le niveau moyen de la mer a peu varié, ce niveau s'est élevé d'environ 2 mm/an au cours du 20ème siècle. Cette hausse soudaine est attribuée au réchauffement climatique d'origine anthropique enregistré depuis plusieurs décennies. Depuis une douzaine d'années, on mesure de façon globale et précise les variations du niveau de la mer grâce aux satellites altimétriques Topex/Poseidon et Jason-1. Ces observations indiquent une hausse moyenne globale d'environ 3 mm/an depuis 1993, valeur sensiblement plus grande que celle des dernières décennies. <br />Diverses observations disponibles depuis peu nous ont permis de quantifier les contributions des divers facteurs climatiques à la hausse observée du niveau de la mer : expansion thermique de la mer due au réchauffement des océans, fonte des glaciers de montagne et des calottes polaires, apport d'eau des réservoirs continentaux. Le bilan de ces nouvelles observations nous permet d'expliquer en partie la hausse observée du niveau de la mer. En particulier, nous montrons que l'expansion thermique des océans n'explique que 25% de la hausse séculaire du niveau de la mer enregistrée par les marégraphes depuis 50 ans, tandis qu'elle contribue à la hauteur de 50% à la montée du niveau marin au cours de la dernière décennie. Parallèlement, des études récentes estiment que la fonte des glaciers de montagne et des calottes polaires pourraient contribuer pour environ 1 mm/an à l'élévation du niveau de la mer au cours de la dernière décennie. <br />De plus, la forte variabilité régionale des vitesses d'évolution du niveau de la mer révélée par les observations altimétriques de Topex/Poseidon résulte en grande partie de l'expansion thermique. Nous mettons également en lumière l'importante variabilité spatio-temporelle décennale de l'expansion thermique des océans au cours des 50 dernières années, qui semble dominée par les fluctuations naturelles du climat. De plus nous posons pour la première fois la question du lien qui existe entre les fluctuations décennales de l'expansion thermique des océans et la contribution climatique des eaux continentales au niveau de la mer. Enfin, une analyse préliminaire des observations gravimétriques de la mission spatiale GRACE sur les océans nous permet d'évaluer les variations saisonnières du niveau moyen de la mer liées aux variations du bilan de masse d'eau des océans.

Les variations du métabolisme des glaciers ou des calottes polaires reflètent les fluctuations du climat. A l'échelle de l'année, ces fluctuations sont traduites par des variations du bilan de masse du glacier. L'inventaire complet des séries de bilans de masse glaciaires représente environ 60 glaciers repartis dans différents massifs de l'hémisphère nord et 60 points de mesure au Groenland. Ces séries couvrent essentiellement la deuxième moitié du vingtième siècle. A partir de cet ensemble de données, une analyse statistique a permis de déterminer la distribution spatiale et temporelle des séries, ainsi que de mieux comprendre la relation glacier-climat aux différentes échelles, depuis celle d'un glacier, jusqu'à celle d'un massif ou d'un continent. Sur le glacier, l'évolution des bilans peut être parfois très différente d'un point à l'autre à cause de la sensibilité variable du bilan aux fluctuations climatiques selon l'altitude. Cette étude met en évidence les disparités liées essentiellement aux données d'accumulation hivernale et aux mesures en zone d'accumulation. Elle montre les limites d'un modèle linéaire de variation pour décrire l'histoire des bilans annuels sur un glacier. En revanche, la cohérence des différents glaciers entre eux peut être très forte si l'on passe à l'échelle du massif. C'est le cas dans les Alpes et en Scandinavie, même si certaines périodes montrent de très fortes inhomogénéités de variations, probablement liées au rôle plus important de l'accumulation hivernale dans l'explication du bilan. Cette cohérence disparaît cependant pour d'autres massifs parfois moins étendus comme les glaciers américains ou la zone d'accumulation du Groenland. Pour cette dernière, les analyses montrent qu'il est difficile d'extraire un signal annuel cohérent distinct du bruit de mesure. Enfin, l'étude des données météorologiques et de l'Oscillation Nord Atlantique permet de détailler les réponses des bilans aux sollicitations climatiques sur les dernières décennies. Il semble que les modifications des caractéristiques des températures et des précipitations sur le bassin Atlantique (et par conséquent, les variations des bilans des glaciers bordant ce bassin) sont assez fortement reliées aux changements décennaux de l'Oscillation Nord Atlantique (NAO).

Les glaciers tropicaux sont des indicateurs climatiques très sensibles. Pour relier les fluctuations de leur bilan de masse aux changements climatiques, nous avons réalisé un bilan d'énergie à la surface du Glacier Zongo (16°S), en Bolivie, entre mars 96 et août 98. Cette thèse présente, d'une part les méthodes employées pour obtenir le cycle annuel du bilan d'énergie ponctuel, et d'autre part l'intérêt de cette étude pour la compréhension du fonctionnement du glacier et sa relation avec la climatologie locale. Dans la première partie, nous nous attachons à décrire les conditions climatiques régnant sur ce glacier, à partir des enregistrements des stations météorologiques installées sur le Glacier Zongo. Les glaciers tropicaux sont soumis à des températures et des radiations solaires incidentes peu variables au cours de l'année, alors que le débit du torrent émissaire est très saisonnier. Pour comprendre quels sont les flux d'énergie responsables de la saisonnalité de la fusion en surface du glacier, nous avons dressé le bilan d'énergie en un point du glacier, dans la zone d'ablation, à 5150 m d'altitude. Ce bilan d'énergie traduit un métabolisme propre aux glaciers tropicaux. L'albédo est le paramètre essentiel qui contrôle la quantité d'énergie disponible pour la fusion en surface du glacier. La particularité fondamentale de ces glaciers réside en la très forte consommation d'énergie sous forme de chaleur latente (ce qui se traduit par une sublimation élevée). En outre, le flux de chaleur latente présente une saisonnalité marquée à l'origine du régime hydrologique du torrent qui s'échappe du glacier. En effet, en saison sèche, la sublimation est maximale et il reste peu d'énergie pour la fusion d'où le faible débit du torrent émissaire. La situation opposée se produit en saison humide. À l'échelle de l'ensemble de la période étudiée, le bilan de masse nettement déficitaire de l'année El Nino 1997-98 s'explique surtout par un déficit de précipitations, responsable d'une chute de l'albédo moyen annuel. Le manteau neigeux réduit lors de la saison d'accumulation 1997-98 a disparu plus vite que celui de l'année précédente, laissant affleurer une surface de glace sale, d'albédo faible, pendant une période plus longue. De plus, la chaleur sensible plus élevée et la sublimation réduite ont aussi contribué à augmenter la fusion superficielle, diminuant ainsi le bilan de masse du glacier.

La variété des pratiques de compostage et les différences de nature des substrats modifient la vitesse de dégradation de la matière organique (MO), la qualité finale du compost produit et la part d'émissions sous forme de polluants gazeux. L'optimisation du procédé nécessite la prédiction de ces transformations ou la réalisation d'essais empiriques. Cette thèse analyse les interactions entre les processus biologiques, biochimiques, physico-chimiques et thermodynamiques majeurs à l'origine de la stabilisation de la MO et des émissions gazeuses de CO2, H2O, NH3, N2O. Elle se focalise sur le compostage par aération passive en andain d'effluents d'élevage. La méthode s'appuie sur la modélisation dynamique et des expérimentations. L'impact des interactions entre la biodégradabilité du carbone, la disponibilité de l'azote, l'humidité et la porosité, sur la cinétique et la stœchiométrie des émissions gazeuses est analysé à partir d’observations en conditions contrôlées et sur une plateforme de compostage. Les écarts de répétabilité faibles en conditions contrôlées deviennent élevés en conditions de reproductibilité sur le terrain. Un modèle dynamique de compostage a été développé simulant la stabilisation de la MO et les émissions de CO2, H2O, NH3, N2O. Il est composé de quatre modules simulant les cinétiques d'oxydation de la MO par une population microbienne, les échanges thermiques et l'aération passive, le transfert d'oxygène, les transformations de l'azote. Lors de la phase thermophile, le facteur limitant le plus rapidement l'organisation de la MO est la disponibilité de l'azote. L'abaissement de la porosité entraîne une diminution des pertes gazeuses par l'augmentation de l'organisation de la MO. Le fractionnement initial de la MO ainsi que la teneur initiale en biomasse microbienne sont les facteurs clés pour prédire les cinétiques d'organisation de la MO. La calibration des paramètres d’initialisation du modèle reste à améliorer / The variety of the practices and the differences in nature of the substrates modify the kinetics of degradation of organic matter (OM), the final quality of the produced compost and the fraction emitted as gaseous pollutants. To optimize the composting process, it is required to predict these transformations or to do some empirical test. This thesis analyzes the interactions between the main biological, biochemical, physicochemical and thermodynamic processes which explain the OM stabilization and the gaseous emissions of CO2, H2O, NH3, N2O. Focus is done on windrow composting with passive aeration. The method is based on dynamic semi-empirical modeling of the process and experimentations. The impact of the interactions between bioavailability of carbon and nitrogen, moisture and porosity, on the kinetics and the stoechiometry of the gaseous emissions is analyzed with data gathered in controlled conditions and on a commercial composting plant. The repeatability differences are small in controlled conditions but higher in field conditions. A dynamic model of composting was developed simulating the stabilization of OM as well as the emissions of CO2, H2O, NH3, N2O. This model is composed of four coupled modules which simulate the kinetics of oxidation of OM by a heterotrophic microbial population, the heat transfers leading to the passive aeration, the transfer of oxygen, the transformations of nitrogen. During the thermopilic phase, the first factor limiting the organization of OM is the availability of nitrogen. The decrease in porosity induces a reduction in the gas losses through the increase in the organization of OM. The initial OM fractionation and the initial microbial biomass are the key factors to predict the kinetics of organization of OM. The calibration of the specific parameters used for model initialization needs a further implementation

La qualité des eaux des lacs et le risque d’eutrophisation peuvent être évalués par une étude des composés biogènes. Les sources et les puits de nutriments qui déterminent les processus biogéochimiques peuvent être quantifiés avec un bilan de masse de matière. L’objectif de la thèse était de réaliser ce bilan de masse pour les nutriments dans les deux grands lacs côtiers médocains, Lacanau et Carcans-Hourtin (SW France). Pour cela, j'ai réalisé un suivi de la concentration en nutriments et des paramètres associés des eaux de pluie, des rivières, des canaux, des eaux des lacs et des eaux souterraines au cours de deux cycles hydrologiques en 2014 et 2015. Les processus biogéochimiques à l’interface eau-sédiment et les flux benthiques ont été déterminés à partir de carottes sédimentaires prélevées saisonnièrement et la construction d’une carte sédimentaire des deux lacs. Le bilan hydrologique a pu être réalisé à partir des données de débit et de hauteur d'eau, des mesures géophysiques et des mesures de 222Rn. Nos résultats ont permis de faire un bilan de masse complet de l'azote, du phosphore, de la silice, du fer et de l'alcalinité. Nous avons déterminé les principales sources et les puits de matière et leur évolution au cours de l’année. Les principaux résultats de la thèse sont avant tout la création d’un jeu de données original et riche qui permet pour la première fois d’avoir une vue d’ensemble de la biogéochimique des lacs aquitains. Nous montrons que l’impact des flux souterrains est faible. Les flux benthiques jouent un rôle majeur pour l’azote. L’export de composés biogènes à la sortie des lacs vers le milieu côtier a été quantifié et comparé aux apports par le bassin versant, ce qui a permis d’évaluer la capacité de séquestration des nutriments dans les sédiments. Nous montrons que ces lacs sont pauvres en phosphore, ce qui limite la productivité biologique. Nous avons aussi défini les conditions et les conséquences de la stratification transitoire des eaux des lacs en été. Cet ensemble de données a également permis d'apporter des connaissances supplémentaires sur la dynamique du mercure dans les lacs aquitains. Nous montrons le rôle que jouent les apports en sulfate du bassin versant sur la production de méthylmercure dans les sédiments. / To evaluate water quality and the risk of eutrophication of lakes, the dynamics of biogenic compounds must be studied. Sources and sinks of nutrients that define lake biogeochemical processes can be assessed from a mass balance approach and the study of internal reactions. The objective of the thesis was to realize a mass balance for nutrients in two coastal lakes: Lacanau and Carcans-Hourtin (SW France). For this purpose, I conducted a monitoring of rainwater, rivers, canals, lakes and groundwater concentration of nutrients and associate parameters during the two hydrological cycles of 2014 and 2015. Biogeochemical processes at the sediment water interface and benthic fluxes were determined from sediment cores collected at each season, and from the drafting of a new sediment map. The water balance was obtained from water level and discharge measurements, geophysical prospection and 222Rn measurements. Our results allowed us to make a full mass balance of nitrogen, phosphorus, silica, iron and alkalinity. We have identified the main sources and sinks of nutrients and their evolution along the year. The main results of the thesis is that groundwater discharge is not a significant contribution of nutrients; benthic fluxes supply high amount of dissolved nitrogen and most of the nutrient are sequester in the lake sediments. Total export of nutrient at the outlet of lakes has been quantified and compared to inputs from the watershed. We point out that phosphorus limits lake productivity. We also show the dynamics of transient lake stratification in summer and its impact on biogeochemical processes. This set of data has also provided additional insight into the dynamics of mercury in Aquitaine lakes. We show the role of sulphate inputs from the watershed in the production of methylmercury in lake sediments. All these results give for the first time an overall view of Aquitaine lake biogeochemistry.

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