Réutiliser les eaux usées en irrigation agricole aide à répondre aux besoins croissants en eau, réduit leur décharge dans les eaux conventionnelles et participe à la fertilisation des sols. Les eaux usées d'origine domestique contiennent des virus entériques de l'homme responsables d'épidémies transmises par voies hydrique et alimentaire. Leur transmission aérienne avec maladie à la clé a été mise en évidence dans d'autres contextes, mais il existe peu d’études sur le devenir de virus déposés à la surface du sol ou de végétaux. Aussi cette thèse de Doctorat avait-elle pour objectifs d'évaluer et décrire (i) l'aérosolisation des virus préalablement apportés au sol par irrigation avec des eaux usées et (ii) leur inactivation dans l'atmosphère.Pour répondre à ces objectifs, des suivis expérimentaux ont été réalisés en conditions semi-contrôlées pour l'aérosolisation (virus déposés in situ sur des placettes de sol couvertes par des tunnels) et en conditions contrôlées pour l'inactivation (virus en réacteur atmosphérique de laboratoire). La souche MC0 du mengovirus murin a été utilisée pour l'ensemble des expérimentations. Elle a été multipliée sur des cellules BGM. La teneur en ARN viral a été suivie par RT-qPCR et, pour l'étude de l'inactivation, les virus infectieux ont été simultanément dénombrés par comptage de plages de lyse sur cellules BGM. Ces suivis ont été couplés au suivi des conditions environnementales (rayonnement global, température, humidité relative de l'air, teneur en O3, auxquels s'ajoutent l'humidité et la température de surface du sol pour l'étude de l'aérosolisation). Ces travaux ont nécessité de concevoir un nouveau réacteur atmosphérique, d'évaluer les performances de biocollecteurs (Impingers et filtres), et d’améliorer le dénombrement des virus infectieux.Un modèle a été proposé pour décrire l'aérosolisation d'un ou plusieurs pools de virus aérosolisables, chacun étant caractérisé par sa taille et un coefficient cinétique d'aérosolisation. Nous l'avons utilisé pour générer des expériences numériques reproduisant la variabilité des mesures réelles, et pour ajuster à ces expériences numériques des simulations portant soit sur l'aérosolisation cumulée soit sur l'aérosolisation « instantanée ». Les ajustements sur l'aérosolisation instantanée donnent des estimations plus précises du coefficient cinétique d'aérosolisation ; il n'en va pas forcément de même pour l'estimation de la quantité de virus aérosolisables. Un modèle de dépendance du coefficient d'inactivation à l'humidité relative de l'air a été proposé.Eu égard à l'aérosolisation des virus à partir du sol, les Impingers donnent des aérosolisations estimées plus élevées que les membranes en raison de différences de piégeage et/ou d'extraction. Toutefois, ils ne piègeraient qu'environ 77 % des virus et relargueraient des virus piégés avec un coefficient de réaérosolisation de 0.11. Ces imperfections aboutissent à des estimations des quantités de virus aérosolisés environ 2 fois moins élevées qu'en réalité ; à l'inverse, elles n'affectent pas les estimations des coefficients cinétiques d'aérosolisation. Sans tenir compte de ce biais, entre 1 et 10% des virus apportés ont été aérosolisés. À notre connaissance, c'est la première mise en évidence d'un tel phénomène. On distingue un pool de virus aérosolisés quasi-instantanément (environ 1/3 des virus aérosolisés) d'un pool de virus aérosolisés de manière cinétique. Pour ce dernier pool, la constante cinétique d'aérosolisation varie entre 0.007 et 0.21 h-1 : 90 % des virus du pool cinétique sont aérosolisés au bout de respectivement 13 j et 11 h dans nos conditions. La taille du pool cinétique est bien prédite à partir de la vitesse du vent, de la température de surface du sol et de la nature de l'eau d'irrigation. / Wastewater reuse for agricultural irrigation allows coping increasing water requirements, reduces wastewater discharge in conventional water bodies, and contributes to soil fertilization. Wastewaters of domestic origin are contaminated with human enteric viruses responsible for waterborne and foodborne outbreaks. Air transmission of viruses that leads to diseases has been noted in other contexts, but nothing is known about the fate of viruses brought at the surface of the soil. The aims of this PhD thesis were to assess and describe the aerosolization of viruses previously brought to the soil surface by wastewater irrigation, and their inactivation in the atmosphere.To fulfil these objectives, experiences were performed in semi-controlled conditions for aerosolization (viruses brought in situ on soil small plots covered by wind tunnels) and in controlled conditions for inactivation (viruses in laboratory atmospheric reactor). The MC0 murine mengovirus strain was used for all these experiences. It was propagated on BGM cells. The viral RNA content was monitored by RT-qPCR; for inactivation studies, infectious viruses were simultaneously enumerated by plaque assay on BGM cells. Variations in the total or infectious virus numbers were analyzed with regard to variations in global radiation, air temperature and relative humidity, O3 concentration, as well as soil surface moisture and temperature. This work required to design a new laboratory atmospheric reactor, to assess the performance of air biocollectors (impingers and membranes), and to optimize method for infectious virus enumeration.A model has been proposed to describe the aerosolization of one or some pools of viruses, each of these pools being characterized by its size and a kinetic coefficient of aerosolization. We used it to generate numerical experiences having the same variability as actual measurements, and to fit simulations of either cumulative or "instantaneous" aerosolized virus quantities to these numerical experiences. Fitting simulations to "instantaneous" aerosolized virus quantities leads to more precise estimates of the kinetic coefficient of aerosolization; it didn't lead to better estimates of the total amount of viruses that could be aerosolized. A relationship between the kinetic coefficient of virus inactivation and air relative moisture has also been proposed.Dealing with virus aerosolization from the soil, the amount of aerosolized viruses estimated from impinger data were higher than those estimated from membrane data, because of differences in trapping and/or latter extraction. Impingers would have trapped about 77% of air virus and virus re-aerosolization from Impingers would have concerned about 11% of the trapped viruses every hour. These limits would have resulted in estimates of the total amount of viruses that could be aerosolized about 2 times lower than in reality; conversely, they do not affect the estimates of the kinetic coefficient of aerosolization. Regardless of this bias, between 1 and 10% of viruses supplied to the soil were aerosolized. To our knowledge, this is the first evidence of such a phenomenon. We distinguish a pool of viruses that could be aerosolized nearly instantaneously (about 1/3 of aerosolized viruses) from a pool of viruses that would be aerosolized kinetically. For this last pool, the kinetic aerosolization coefficient varied between 0.007 and 0.21 h-1: 90% of the viruses belonging to the kinetic pool would be aerosolized after 13 days or 11 hours, respectively. The total amount of viruses belonging to the kinetic pool is correctly predicted by a model accounting simultaneously for the wind, the soil surface temperature and the type of irrigation water.

L'objectif de ce travail est de comprendre le processus d'altération des calcaires oolithiques et d'estimer leur cinétique d'altération en fonction des conditions climatiques présentes en France. Pour y répondre, des cycles de vieillissement accéléré, basés sur les paramètres issus de l'étude bibliographique et sur les données de température et de précipitations réelles, ont été définis. Ensuite, des lots d'échantillons de deux calcaires oolithiques ont subis ces vieillissements. Les mesures réalisées pour déterminer l'endommagement ont été choisies en fonction de leurs caractéristiques métrologiques et de leur pertinence. Les résultats obtenus ont été comparés avec les mêmes mesures réalisées sur des calcaires altérés de façon naturelle prélevés sur site. Ainsi, les liens entre le processus d'altération des calcaires et les caractéristiques mécaniques, physiques et surtout microstructurales des calcaires ont été établis. Cette analyse a également abouti à des cinétiques d'altération. Les résultats ont été validés par l'étude d'un autre calcaire oolithique sous d'autres conditions climatiques. Enfin, l'influence de changements climatiques éventuels sur les cinétiques d'altération a été déterminée à l'aide d'un outil statistique / The objective of this work is to understand the weathering process of oolitic limestone and estimate their weathering kinetics under French climatic conditions. Accelerated ageing cycles, based on parameters deduced from a literature review and on temperature and precipitation data, have been defined. Then samples of two oolitic limestones have undergone these ageing. The measurements used to determine damage were chosen based on their metrological characteristics and their relevance. The results were compared with the same measurements performed on naturally weathered limestone. Thus, the relationships between the weathering process of oolitic limestone and their mechanical, physical and microstructural characteristics have been established. This analysis also led to weathering kinetics. The results were validated by the study of another oolitic limestone under different climatic conditions. Finally, the influence of a potential climate change on the weathering kinetics was determined using a statistical tool

Avec la découverte d'anciens réseaux de rivières sur Mars et la détection de planètes telluriques tempérées autour d'étoiles voisines, nous disposons à présent d'un terrain de jeu formidable pour explorer si la vie est abondante ou rare dans l'Univers. Mon travail de thèse vise à mieux comprendre les conditions dans lesquelles une planète peut maintenir de l'eau liquide - substrat essentiel de la vie - à sa surface. À l'aide de modèles numériques de climat 3-D, et de calculs et mesures spectroscopiques, j'ai mené pendant ma thèse deux enquêtes. Premièrement, j'ai exploré les climats passés de Mars, pour comprendre comment se sont formées les énigmatiques rivières martiennes. À part la Terre, Mars est la seule planète qui a été habitable, mais nous ne savons toujours pas pourquoi. J'ai montré que les évènements extrêmes (formation des vallées de débâcle, impacts de météorites) qui ont pourtant profondément marqué la surface de Mars ne peuvent pas expliquer à eux seuls la formation de ces réseaux fluviaux. Mes travaux de thèse ont également permis d'établir que la présence de gaz à effet de serre réduits (hydrogène, méthane) offre une solution alternative prometteuse. Deuxièmement, j'ai étudié les atmosphères possibles des exoplanètes solides et tempérées, notamment celles orbitant autour de petites étoiles comme Proxima et TRAPPIST-1. J'ai montré que certaines de ces planètes ont des caractéristiques très favorables à la présence d'eau liquide en surface. Ce résultat est d'autant plus prometteur qu'il sera possible - comme démontré dans ma thèse pour le cas de la planète Proxima b - de caractériser l'atmosphère de ces planètes avec les futurs télescopes JWST et ELTs. / Ancient rivers and lakes discovered on Mars. Numerous temperate, Earth-sized exoplanets detected around nearby stars. Thanks to ground and space-based telescope observations and Solar System exploration missions, we now have a fantastic playground to explore how prevalent life is in the Universe. The main goal of my thesis work is to better understand the conditions necessary for a planet to maintain liquid water - a primary building block for life - on its surface. Using 3-D numerical climate models, as well as spectroscopic calculations and measurements, I conducted two major investigations during my thesis. First, I explored the environments of ancient Mars at multiple epochs in order to understand the conditions in which the enigmatic Martian rivers were carved. Apart from Earth, Mars is the only planet that has been habitable, but we don't know why. I showed that extreme events (outflow channel formation, meteoritic impacts) that scarred the surface of Mars cannot explain the formation of these valley networks. Nonetheless, I showed that the presence of reducing greenhouse gases such as hydrogen and methane offers a promising alternative solution. Secondly, I studied the possible atmospheres of solid, temperate exoplanets, with a particular focus on those orbiting small stars such as Proxima Centauri and TRAPPIST-1. I showed that some of these planets have characteristics that are highly favourable to the presence of liquid water on their surface. This result is really promising as it will be soon become possible - as demonstrated in my thesis for Proxima b - to characterize the atmosphere of these planets with the future JWST and ELTs astronomical observatories.

Les nuages sont une composante majeure du système Terre-océan-atmosphère car ils couvrent en moyenne 40% de la surface du globe. Ils contribuent à refroidir la troposphère car ils réfléchissent une part importante du rayonnement solaire (effet d’albédo), mais ils contribuent également à la réchauffer car ils réémettent une partie du rayonnement infrarouge terrestre (effet de serre naturel). La détermination des effets radiatifs des nuages a été identifiée par le GIEC comme l’une des sources principales d’incertitude sur la prévision du climat. Dans ce contexte, la question se pose quant au rôle de la variabilité décennale de ces propriétés nuageuses. Plus particulièrement, on cherche à identifier une possible évolution ou variation des propriétés des nuages et à comprendre l'impact de cette variabilité sur celle du climat régional (température au sol), et inversement : ici, la région d'étude est l'Europe. On sait en effet qu'au 1er ordre le climat régional européen est contrôlé par la circulation atmosphérique de grande échelle (Cattiaux et al., ou Cassou et al., 2005) mais celle-ci ne suffit pas à expliquer certaines anomalies ou extrêmes de température. Des anomalies de propriétés nuageuses sont donc une piste importante à étudier pour expliquer ce type d’événement extrême. Durant cette thèse, nous proposons donc d'appréhender cette question à partir d'observations spatiales et de simulations. Les observations seront celles de l'Aqua-Train : (1) l'instrument MODIS à bord du satellite Aqua permet, à l'aide d'algorithmes développés à la Nasa, de caractériser le forçage radiatif des nuages depuis 9 ans (i.e. leur capacité à refroidir ou à réchauffer); (2) le lidar du satellite CALIPSO couplé au radar du satellite CloudSat nous renseigne sur la structure verticale de ces mêmes couches nuageuses, leurs propriétés précipitantes et microphysiques depuis 7 ans. Les simulations utilisées pour compléter ces observations sont déjà existantes : elles ont été réalisées avec le modèle régional WRF et couvrent l'ensemble de l'Europe sur une période suffisamment longue pour pouvoir travailler sur la variabilité interannuelle à décennale des nuages. L’objet de la thèse est d'analyser à l'échelle régionale les relations entre les anomalies nuageuses et les anomalies de température. On cherchera à comprendre si les propriétés des nuages sont perturbées pour un régime synoptique donné et si ces perturbations peuvent expliquer certaines anomalies de température via leur effet radiatif direct ou plus indirect dans le cas des nuages convectifs. La démarche suivante sera appliquée : (1) Les observations et les simulations seront analysées conjointement pour mieux caractériser les propriétés nuageuses et surtout leur variabilité spatiale et interannuelle. (2) Ce travail de caractérisation des propriétés nuageuses devra se faire pour chaque régime synoptique identifié. Les saisons d'hiver et d'été seront caractérisées grâce aux régimes de l'Oscillation Nord Atlantique (NAO) (en collaboration avec le LSCE), tandis qu'un travail sur les régimes des saisons intermédiaires sera nécessaire. (3) Nous chercherons ensuite à comprendre comment ces propriétés typiques d’un régime sont perturbées. A régime fixé, nous tenterons de relier des anomalies de couverture nuageuse à des anomalies de température, et les périodes identifiées seront étudiées en détail pour comprendre quels sont les mécanismes qui permettent de passer d’une anomalie de l’un à une anomalie de l’autre : en d’autres termes, il s’agira d’estimer si le forçage radiatif de ces « anomalies nuageuses » peut conduire à l’anomalie de température détectée. Les comparaisons entre simulations et observations seront utiles pour analyser ces liens (existent dans les 2, ou uniquement dans l'un et pourquoi). Le travail de thèse pourra alors consister à réaliser de nouvelles simulations afin de mieux comprendre ces relations. / We characterize the seasonal and inter-annual variabilities of the clouds fraction profiles in both observations and simulation since they are critical to better assess the impact of clouds on climate variability. The spaceborne lidar onboard CALIPSO, providing cloud vertical profiles since 2006, is used together with a 23-year WRF simulation at 20 km resolution. A lidar simulator helps to compare consistently model with observations. The bias in observations due to the satellite under-sampling is first estimated. Then we examine the vertical variability of both occurrence and properties of clouds. It results that observations indicate a similar occurrence of low and high clouds over continent, and more high than low clouds over the sea except in summer. The simulation shows an overestimate (underestimate) of high (low) clouds comparing to observations, especially in summer. However the seasonal variability of the cloud vertical profiles is well captured by WRF. Concerning inter-annual variability, observations show that in winter, it is twice more important for high clouds than for low clouds, which is well simulated. In summer, the observed inter-annual variability is vertically more homogeneous while the model still simulates more variability for high clouds than for low clouds. The good behavior of the simulation in winter allows us to use the 23 years of simulation and 8 years of observations to estimate the time period required to characterize the natural variability of the cloud fraction profile in winter, i.e the time period required to detect significant anomalies and trends.

L'objectif de cette thèse est d'étudier les phénomènes d'import et d'export de la pollution gazeuse et particulaire au-dessus du Bassin Méditerranéen (BM). Ce travail consiste dans un premier temps à étudier l'évolution de l'ozone (O3) de surface dans un contexte de changement climatique au-dessus du BM entre 2000 et 2100, en exploitant les sorties issues de 13 modèles participant à l'exercice ACCMIP (Atmospheric Chemistry and Climate Model Intercomparison Project). Nous avons montré que l'ozone de surface diminue entre 2000 et 2030 (2100) pour 3 RCPs (Representative Concentration Pathway) : -14% (-38%) pour le RCP2.6, -9% (-24%) pour le RCP4.5 et -10% (-29%) pour le RCP6.0, alors que pour le scénario RCP8.5, l'ozone de surface reste stable au cours du XXIème siècle. Dans un second temps, nous avons identifié les sources et les chemins de transport de l'O3 et du monoxyde de carbone (CO) représentatifs des différentes régions du BM : l'Est, l'Ouest et le Centre entre 2012 et 2014, en utilisant une approche statistique qui combine des observations de surface et des rétro-trajectoires issues du modèle HYSPLIT (Hybrid Single Particle Lagrangian Trajectory). En général, l'O3 et le CO sont transportés, respectivement, depuis l'Europe continentale et l'Europe de l'Est vers le BM. Finalement, nous avons étudié les phénomènes d'import et d'export de la pollution au-dessus du BM, en utilisant le modèle MOCAGE (Modèle de Chimie Atmosphérique à Grande Échelle) et le modèle HYSPLIT, et en exploitant les observations récoltées lors des deux campagnes de mesures TRAQA (TRAnsport à longue distance et Qualité de l'Air) (été 2012) et GLAM (Gradient in Longitude of Atmospheric constituents above the Mediterranean basin) (août 2014) réalisées dans le cadre du programme ChArMEx (The Chemistry-Aerosol Mediterranean Experiment). Nous avons mis en évidence le transport à longue distance des masses d'air enrichies en O3 et l'impact du Mistral sur le mélange des masses d'air. Le bilan d'O3 et de CO a été aussi réalisé sur le BM pour l'année 2012 à partir des simulations du modèle MOCAGE. Les résultats montrent que le CO est importé vers le BM pendant le printemps et l'été alors que l'O3 est importé vers le BM durant la période janvier-juin puis exporté le reste de l'année. / The objective of this thesis is to study the import and the export processes of gaseous and particulate air pollution over the Mediterranean Basin (MB). Firstly, we investiga- ted the evolution of surface ozone (O3) over the MB over the time period 2000-2100 in a context of climate change, using the Atmospheric Chemistry and Climate Model In- tercomparison Project (ACCMIP) outputs from 13 models. Compared to the reference period (2000), we found a net decrease in the ensemble mean surface O3 over the MB in 2030 (2100) for 3 RCPs (Representative Concentration Pathway) : -14% (-38%) for RCP2.6, -9% (-24%) for RCP4.5 and -10% (-29%) for RCP6.0. For the RCP8.5 scenario, the ensemble mean surface O3 is almost constant over the MB from 2000 to 2100. Se- condly, we identified the geographical sources and the transport pathways of polluted air masses inducing high levels of surface O3 and carbon monoxide (CO) concentrations in di erent regions of the MB, representative of the west, the center and the east of the MB between 2012 and 2014, using several backward trajectory statistical analyses combining in situ measurements and back trajectories obtained from the HYSPLIT (HYbrid Single- Particle Lagrangian Integrated Trajectory) model. In general, O3 and CO are transported to the MB from continental Europe and Eastern Europe, respectively. Finally, we studied the import and export processes of pollution over the MB using the chemical transport model MOCAGE (MOdele de Chimie Atmosphérique à Grande Échelle) and the HYS- PLIT model. We also investigated in situ measurements carried out during both TRAQA (TRAnsport à longue distance et Qualité de l'Air) (2012) and GLAM (Gradient in Longi- tude of Atmospheric constituents above the Mediterranean basin) (2014) field campaigns performed within the framework of the ChArMEx (The Chemistry-Aerosol Mediterranean Experiment) program. We highlighted the long-range transport of air masses rich in O3 and the impact of the Mistral wind on the air mass mixing. The budget of O3 and CO was also performed over the MB for the year 2012 using the MOCAGE model simulations. We found that the MB is an import area for CO during the spring-summer period, whilst tropospheric O3 is imported to the MB during the January-June period and exported the rest of the year.

Le climat primitif martien fascine la recherche martienne. Identifier avec le plus de précision possible les conditions primitives martiennes permettrait de contraindre les différents états de l’eau au cours de l’histoire martienne. Aujourd’hui deux hypothèses font débat, la première est celle d’un climat chaud et humide régnant à la surface de Mars à la fin du Noachien/début Héspérien. La deuxième, à l’inverse, semble indiquer que le climat aurait été froid et englacé sur les plus hautes altitudes martiennes. Néanmoins, cette deuxième hypothèse est souvent contestée, car contrairement à la présence de marqueur d’eau liquide à la surface de Mars, aucune morphologie de surface attestant d’un climat froid n’avait été identifiée. Au cours de cette thèse, nous avons étudié de manière morphométrique les structures et morphologies à la surface de Terra Sabaea, qui constitue 1% de la superficie totale de la planète. Ces structures constituent des héritages morphologiques des activités climatiques passées. Afin de caractériser au mieux l’origine érosive de ces structures, nous avons créé une nouvelle méthode d’analyse morphométrique à partir de différentes méthodes terrestres et martiennes. Cette nouvelle méthode permet d’extraire plus de 20 données exploitables par vallée. Il a donc été question de mesurer un maximum de vallée afin d’établir une base de données que nous avons comparée avec des bases de données de morphologies terrestres et martiennes. Grâce à cette analyse, il a été possible de mettre en évidence, la présence d’un paysage glaciaire dans la région de Terra Sabaea. Ce paysage est composé de (1) vallées glaciaires liées avec (2) des cirques glaciaires. La source de cette glace semble être (3) des calottes de plateaux locales à des altitudes > 3500 m. Nous avons donc démontré pour la première fois la présence de morphologies glaciaires attestant d’un climat froid il y a 3.6 Ga. Néanmoins, la présence de telles morphologies n’indique pas que l’ensemble de Terra Sabaea était englacé. L’analyse morphométrique a démontré la présence de morphologie fluviatile géographiquement proche des morphologies glaciaires et souvent à la même altitude, entre 1500 et 3500 m. Cette observation nous a permis de mettre en évidence (4) que la pente était un facteur qui influençait sur l’état de l’eau. En effet, pour une même altitude, les morphologies fluviatiles sont situées sur les pentes douces (< 3°) alors que les morphologies glaciaires sont situées sur les remparts internes des cratères d’impacts présentant une forte pente (> 10°). Cependant (5) l’altitude semble également être un facteur déterminant puisque l’on ne retrouve pas de morphologie glaciaire à des altitudes < 1500 m. L’analyse des terrains de Terra Sabaea a également mis en évidence (6) qu’il existait un lien génétique entre les morphologies glaciaires de hautes altitudes et les vallées fluviatiles plus bas. En effet, il est possible de suivre une vallée qui prend sa source sur les hauts plateaux englacés en amont, jusqu’en aval où elle rejoint des morphologies témoignant d’une activité fluviatile. Cette continuité dans les morphologies glaciaires et fluviatiles permet (7) de mieux définir l’origine des vallées ramifiées, et notamment l’origine de Naktong vallis, et il semblerait que la fonte des glaces a joué un rôle dans leurs formations. De plus, cette continuité morphologique permet de supposer qu’il existait (8) un cycle de l’eau similaire à la Terre dans la région de Terra Sabaea il y a 3.6 Ga. / The primitive Martian climate fascinates Martian research. Identifying Martian primitive conditions as accurately as possible would make it possible to constrain the different states of water during Martian history. Today two hypotheses are debated, the first is that of a hot and humid climate prevailing on the surface of Mars at the end of the Noachian / early Hesperian. The second, on the contrary, seems to indicate that the climate was cold and glacial on the highest Martian altitudes. Nevertheless, this second hypothesis is often disputed, because unlike the presence of liquid water marker on the surface of Mars, no surface morphology attesting to a cold climate had been identified. In this thesis, we studied morphometrically structures and morphologies on the surface of Terra Sabaea, which constitutes 1% of the total surface of the planet. These structures constitute morphological legacies of past climatic activities. In order to better characterize the erosive origin of these structures, we have created a new method of morphometric analysis from different terrestrial and Martian methods. This new method makes it possible to extract more than 20 exploitable data per valley. It was therefore a question of measuring a valley maximum in order to establish a database that we compared with databases of terrestrial and Martian morphologies. Thanks to this analysis, it has been possible to highlight the presence of an ice landscape in the Terra Sabaea region. This landscape is composed of (1) glacial valleys linked or not with (2) glacial cirques. The source of this ice appears to be (3) local plateau caps at altitudes> 3500 m. We thus demonstrated for the first time the presence of glacial morphologies attesting to a cold climate there are 3.6 Ga. Nevertheless, the presence of such morphologies does not indicate that the whole of Terra Sabaea was glaciated. Morphometric analysis has demonstrated the presence of fluvial morphology geographically close to glacial morphologies and often at the same altitude, between 1500 and 3500 m. This observation allowed us to highlight (4) that the slope was a factor influencing the state of the water. Indeed, for the same altitude, fluvial morphologies are located on gentle slopes (<3 °) while glacial morphologies are located on the inner walls of impact craters with a steep slope (> 10 °). However (5) altitude also seems to be a determining factor since we do not find glacial morphology at altitudes <1500 m. Terra Sabaea land analysis also revealed (6) that there is a genetic link between high altitude glacial morphologies and lower river valleys. Indeed, it is possible to follow a valley that has its source on the highlands glaciers upstream, downstream where it joins morphologies testifying to a fluviatile activity. This continuity in glacial and fluvial morphologies makes it possible (7) to better define the origin of branched valleys, and in particular the origin of Naktong vallis, and it seems that melting ice has played a role in their formations. Moreover, this morphological continuity makes it possible to suppose that there existed (8) a cycle of water similar to the Earth in the region of Terra Sabaea there is 3.6 Ga.

Cette thèse analyse in situ ce que SNCF fait de la connaissance disponible sur les impacts du changement climatique et ce que cette connaissance lui fait. Elle cherche à contribuer à la compréhension de la manière dont les grandes organisations se transforment face au changement global décrit et annoncé. L’enquête, ancrée dans une méthodologie inductive, s’attache dans un premier temps à décrire en détails l’adaptation telle qu’elle se fait aujourd’hui chez SNCF, principalement de manière réactive et incrémentale, au niveau du siège et au niveau régional (en Occitanie). Elle explore ensuite les conséquences possibles des changements les plus disruptifs anticipés par les études scientifiques et le rapport des différents acteurs à d’éventuelles transformations plus profondes de leurs visions et de leurs pratiques. Le dispositif mis en place montre que l’accroissement de la variabilité et des extrêmes climatiques est effectivement à même d’interroger les politiques internes et les choix stratégiques de l’entreprise. Au-delà des enjeux techniques, l’adaptation pose des questions de gouvernance qui débordent largement SNCF. Face à ces problématiques, une diversité de postures d’adaptation et de configurations des jeux d’acteurs est possible. Ce résultat amène à préciser les questions économiques pertinentes pour mieux répondre à ce défi. Cette thèse défend que c’est en tant que science de la gouvernance que l’économie, aux côtés d’autres heuristiques, a un rôle clé pour déployer les implications du changement climatique, explorer les pistes et ouvrir des espaces où mettre en débat les choix d’adaptation sur le long terme. / This thesis describes and analyzes in situ how SNCF, the French national railway company, deals with the scientific knowledge on the impacts of climate change. It intends to improve our understanding of how large organizations adapt to multifaceted changes and address wicked environmental problems. Based on an inductive inquiry, the research describes how adaptation happens for now at SNCF, mostly on a reactive and incremental mode, first at the corporate level then in one specific region (Occitanie). In a second step, it explores possible consequences of the most disruptive changes announced by science and how various actors consider more transformative adaptations of their world-views and practices. The device set up showed that increases in climate variability and evolutions of extreme events might actually question current policies and strategical choices. Beyond technical stakes, adaptation raises important governance challenges. Different sub-entities of SNCF but also local authorities, traffic authorities or other mobility providers can make contrasted adaptation choices. Following these observations, this research identifies salient research questions to improve adaptation decisions. It defends that, along with other heuristics, economics have a major role to play to unfold critical consequences of climate change, explore adaptation options and display controversies regarding long-term adaptation.

Les enregistrements climatiques globaux à l’échelle géologique entre le Crétacé et le début du Cénozoïque indiquent des variations de grande amplitude. Sur le long terme, celles-ci sont déterminées par l’équilibre entre la composition atmosphérique en gaz à effet de serre, principalement le CO2, issus du dégazage volcanique et l’altération continentale, modulée par les mouvements tectoniques des continents. Dans cette thèse, les liens entre paléogéographie et CO2 ont été étudiés dans le contexte des interactions entre climat et calottes de glace au cours d’un intervalle de temps dit de « greenhouse », entre 120 et 34 Ma. L’utilisation d’une suite de modèles impliquant un modèle couplé moyenne résolution, un modèle atmosphérique haute résolution et un modèle de calotte de glace, a permis de montrer que les changements paléogéographiques survenant au Crétacé ont régulé la présence de glace en Antarctique. Dans un second temps, une nouvelle méthode de couplage climat-calotte a été développée pour étudier la glaciation Eocène-Oligocène. Ces développements ont permis de reconstruire une évolution fidèle de celle-ci, en bon accord avec les données. Deux rétroactions liées à cette glaciation et à la chute concomitante du CO2 atmosphérique sont étudiées. En premier lieu, l’impact de la glaciation sur le Courant Circumpolaire Antarctique est abordé, montrant que celle-ci génère une intensification de ce courant. Ensuite, au sein d’une étude mêlant données et modèles pour documenter la présence de moussons en Asie dès l’Eocène moyen, il est montré que le changement climatique de la fin de l’Eocène induit une baisse d’intensité de la mousson asiatique. Enfin, dans la perspective d’analyser les conséquences des changements paléogéographiques du Cénozoïque sur la biogéochimie marine, des tests de sensibilité aux passages océaniques de Panama et de Drake ont été réalisés. / On geological timescales, global climate proxies indicate that variations of large magnitude occur between the Cretaceous and the Cenozoic. On the long term, these variations are mostly determined by the equilibrium between the greenhouse gases composition of the atmosphere, primarily the CO2, and continental weathering set up by the spatial location of Earth’s landmasses. Here, the links between paleogeography and CO2 are looked upon in a climate-ice sheet interactions framework during a greenhouse period of Earth history (120 – 34 Ma). A suite of models involving both coupled and ice sheet models have been used to demonstrate that paleogeographic reorganizations have regulated the presence of ice over Antarctica during the Cretaceous. In a second time and using a similar setup, a new method for climate-ice sheet coupling have been developed and applied to the Eocene-Oligocene (EO) glaciation to yield a new scenario of ice evolution, in good agreement with data. Two feedbacks related to this glaciation and the coeval atmospheric CO2 fall are investigated. First, it is shown that the EO glaciation generates an intensification of the Antarctic Circumpolar Current. Second, within a data-model study demonstrating active Asian monsoons as old as the mid-Eocene, it is shown that the climatic change at the end of the Eocene is responsible for a reduction in the intensity of the Asian monsoon. Finally, with the aim of analysing the effect of paleogeographic changes on marine biogeochemistry during the Cenozoic, sensitivity tests to Drake Passage and Panama Seaway have been carried out.

La variabilité interannuelle du Pacifique tropical est aujourd’hui principalement modulée par l’oscillation ElNiño/Oscillation Australe (ENSO). Étant donnés les forts impacts économiques et sanitaires de ce phénomène,la compréhension de son évolution au fil du temps représente un enjeu majeur. Étudier la variabilité ENSOdans différents contextes climatiques permet de comprendre comment celle-ci est reliée à l’état moyen duclimat. Nous utilisons des simulations climatiques de l’Holocène moyen (6 000 ans et 4 000 ans avant nosjours), du dernier maximum glaciaire (21 000 ans avant nos jours) et d’un climat théorique avec le dioxyde decarbone atmosphérique multiplié par quatre, réalisées avec plusieurs modèles numériques. Nous montrons que lavariabilité ENSO a des caractéristiques significativement différentes dans chaque contexte climatique. Les liensentre ces différences et l’état moyen du climat sont nombreux et non linéaires. L’étude des paléoclimats est alorsnécessaire pour comprendre les changements d’ENSO et pouvoir projeter son évolution future. De nombreusesarchives climatiques utilisées pour reconstruire le paléo-ENSO sont situées dans le sud-ouest du Pacifiquetropical, sous l’influence de la zone de convergence du Pacifique sud (SPCZ). Nous montrons que l’impactd’ENSO sur la position de la SPCZ change avec le climat. Or, celui-ci est déterminant pour l’interprétation dusignal issu des archives. Ainsi, les mécanismes reliant ENSO à la SPCZ dans le climat moderne ne peuvent pasêtre directement extrapolés à d’autres contextes climatiques. En combinant l’information des modèles et desarchives, nous pouvons avancer sur la compréhension des changements de variabilité dans le Pacifique sudouestet sur l’interprétation des enregistrements fossiles. En dernier lieu, nous abordons les changements de lavariabilité ENSO avec un nouvel angle de vue, celui de son rôle au sein du bilan énergétique global. D’aprèsles résultats du modèle IPSL-CM5A-LR, la contribution relative des événements El Niño à la redistributionglobale d’énergie est amoindrie à l’Holocène moyen, par rapport au climat moderne. Par ailleurs, la capacitédu Pacifique tropical à exporter l’énergie en moyenne est aussi réduite. Ainsi, la pompe à chaleur globaleconstituée par le Pacifique tropical est moins puissante à l’Holocène moyen, à la fois par la réduction de sacapacité moyenne à exporter que par la contribution amoindrie d’El Niño. Ce résultat suggère qu’il y a unecohérence entre le changement d’ENSO et le rôle de pompe à chaleur joué par le Pacifique tropical. / Interannual variability in the tropical Pacific is mainly modulated by the El Niño / Southern Oscillation (ENSO).Understanding the time evolution of this phenomenon is a major issue, given its strong impacts on health andeconomics. Studying the ENSO variability in different climatic contexts allows us to understand its links to themean-state. We use climatic simulations of the mid-Holocene (6,000 years and 4,000 years before present),the last glacial maximum (21,000 years before present) and a theoretical climate with atmospheric carbondioxyde multiplied by four, computed with several numerical models. We show that ENSO characteristics aresignificantly different in the different climatic contexts. The links between these differences and the climatemean-state are numerous and non linear. Studying paleoclimates is then necessary to understand ENSOchanges and to be able to project its future evolution. Some of the past archives that are used to reconstructthe paleo-ENSO are located in the southwest Pacific, under the influence of the south Pacific convergencezone (SPCZ). We show that the impact of ENSO on the location of the SPCZ changes with the climate.This determines how to interpret archives’ records. Thus, the mechanisms linking ENSO to the SPCZ in themodern climate cannot be directly extrapolated to other climates. By combining information from models andarchives, we are able to improve our understanding on the variability changes in the southwest Pacific. Finally,we address the ENSO change with a new vision, through its role within the global energetic budget. Accordingto the IPSL-CM5A-LR model, the relative contribution of El Niño events to the global energy redistribution isreduced in the mid-Holocene, compared to the modern climate. The mean capacity of the tropical Pacific toexport its energy is reduced. Therefore, the global heat pump represented by the tropical Pacific is less powerfulin the mid-Holocene, both by its reduced capacity to export energy and by the reduced El Niño contribution.This result suggests that there is consistency between the ENSO change and the role of heat pump played bythe tropical Pacific.

L’évolution future de la calotte groenlandaise est une préoccupation sociétale majeure de par sa contribution potentielle à la remontée du niveau marin global. Elle est contrôlée par la dynamique de la glace et les conditions climatiques. Sa modélisation est un véritable défi à cause du manque de données disponibles à l’échelle de la calotte, et des processus d’interactions climat-calotte à très fine échelle. Pour mieux comprendre le rôle du Groenland dans le système climatique, j’ai d’abord développé une méthode d’inversion pour obtenir des conditions initiales fiables du modèle de glace GRISLI.J’ai ensuite appliqué cette procédure au couplage de GRISLI avec un modèle atmosphérique régional (MAR). J’ai alors montré que la représentation des interactions atmosphère – calotte est essentielle pour ne pas sous-estimer la remontée du niveau marin dans les projections pluri-centennales. Enfin, nous avons appliqué ces modèles au dernier interglaciaire (130 – 115 ka), période chaude au cours de laquelle le niveau marin était 6-9 m plus haut qu’à l’actuel. Ce travail montre que l’apport de la régionalisation des champs atmosphériques grande échelle est nécessaire pour la représentation des interactions climat – calottes. / The evolution of the Greenland ice sheet in the future is a major societal issue, given its potential contribution to global sea level rise. The ice sheet is controlled by ice dynamics and climate conditions. Its modelling is a challenge due to the lack of data covering the whole ice sheet and the fine scale of the interaction processes between the ice sheet and the atmosphere. To improve our understanding of the role of the Greenland ice sheet in the climate system, I have first developed an inverse method to obtain appropriate initial conditions for the GRISLI ice sheet model. I then applied this procedure for coupling the MAR regional atmospheric model to GRISLI. I have shown that representing atmosphere – ice sheet interactions at fine scales is essential to avoid underestimating global sea level rise in multi-centennial future projections. Finally, I have used the same models to study the last interglacial (130 – 115 ky BP), which is a warm period during which the sea-level was 6 to 9 m higher than today. My work shows that downscaling large scale model outputs at the regional scale is required to represent climate – ice sheet interactions.