Dans les régions polaires, les ouvrages de génie civil subissent l'effet de la dérive des glaces. Celle-ci génère des sollicitations dynamiques contrôlées en partie par le frottement glace-structure. Des essais de frottement cycliques glace-béton ont été réalisés à -10°C, avec une boîte de cisaillement direct, pour différentes conditions de contact (contraintes normales de 25 à 800 kPa ; vitesses de 0,1 à 10 mm.mim-1; rugosité de la surface de béton de 0 à 0,55 mm). Des observations optiques de la glace et des mesures de suivi de la topographie de la surface de béton complètent ces essais. Ceux-ci montrent une augmentation du coefficient de frottement glace-béton au cours du temps, conséquence de la maturation du contact gouvernée par la déformation viscoplastique de la glace. Les résultats ont permis de formuler des lois d'interfaces définissant le coefficient de frottement en fonction des conditions de contact. Les observations optiques ont permis de caractériser les mécanismes physiques mis en jeu dans la glace au niveau de l'interface: déformation viscoplastique, adhérence, recristallisation, glissement aux joints de grains, micro et macrofissuration. La déformation viscoplastique et l'adhérence apparaissent comme les principaux responsables du comportement au frottement observé. Le suivi de la topographie de la surface de béton a permis de mettre en évidence l'usure du béton et d'en quantifier le taux. Une étude théorique du frottement complète ce travail expérimental. Elle prend en compte la déformation viscoplastique de la glace et l'adhérence glace-béton dans un modèle bidimensionnel de l'interface. Ce modèle rend compte convenablement des observations expérimentales et confirme le rôle de la déformation viscoplastique de la glace, qui crée un phénomène de portance limitant la pénétration des aspérités dans la glace, et celui de l'adhérence glace-béton. Il montre par ailleurs l'influence de la topographie de la plaque sur le frottement.

pas de résumé

L'objectif essentiel de cette étude était d'obtenir les premIeres séries temporelles de nombreux métaux lourds dans les neiges et glaces de haute altitude des Alpes au cours des derniers siécles. Pour ceci, nous avons mesuré une vingtaine de métaux lourds dans 24 sections de la carotte du Dôme du Goûter et 11 sections de la carotte du Colle Gnifetti. Ces métaux lourds ont été analysés par plusieurs méthodes analytiques différentes. Ces séries temporelles doivent permettre de mieux comprendre et appréhender les changements des sources tant naturelles qu'anthropiques de ces métaux à une échelle régionale, au niveau de l'Europe. Les carottes de glaces étudiées proviennent de deux glaciers éloignés d'environ 80 km l'un de l'autre. Malgré cette proximité les sources anthropiques sont certainement différentes pour ces deux glaciers. Ainsi les précipitations dans le massif du Mont Rose sont chargées en polluants provenant essentiellement des les émissions du Nord de l'Italie alors que les précipitations dans le massif du Mont blanc sont plus sensibles aux émissions françaises (Maupetit, 1994). De plus les glaciers ont des taux d'accumulation de neige (et ont donc des résolutions temporelles) trés différents. Au Dôme du Goûter le taux d'accumulation est trés important (environ 3 mètres d'équivalent en eau par an) et les chutes de neige sont bien préservées (peu de perturbation par le vent). Cette carotte se préte donc bien à une étude détaillée mais elle ne donne pas accès à de la glace très anciennne. Au Colle Gnifetti les choses se présentent différemment car l'accumulation de neige (seulement 30 centimètres en équivalent d'eau par an) y est beaucoup plus faible et certaines chutes de neiges hivernales sont soufflées par le vent. La saisonnalité n'est donc pas forcément bien préservée puisque par endroits les précipitations hivernales sont manquantes. Il y a donc aussi un risque de sous-estimation des apports. Une étude détaillée devient ainsi plus délicate, mais nous avons accès à de la glace beaucoup plus ancienne. Un premier point était donc de mieux comprendre les paramètres qui déterminent la teneur en impuretés dans la neige déposée sur ces glaciers. Nous avons effectué cette étude uniquement dans les glaces du Dôme du Goûter car la très grande accumulation et la bonne préservation nous a permis une étude détaillée sur une année complète d'accumulation. Nous avons ensuite étudié l'évolution générale des concentrations pour les métaux présentés précédemment. Afin de pouvoir faire une première. interprétation de nos données nous avons réuni des informations sur la production de ces métaux et les estimations d'émissions naturelles et anthropiques. Gràce à ceux-ci nous avons essayé d'évaluer l'importance de la perturbation des cycles des métaux par les rejets anthropiques. Pour certains métaux (Pb, Cd, Cu, Al, Zn, Sb) nous avons pu comparer nos données avec des études faites au Groenland ou avec d'autres types d'archives. Pour beaucoup de métaux, il n'existait pas d'études comparables et nous avons donc établi leurs première séries temporelles. Souvent mème, nous n'avons pu trouver d'inventaires d'émissions. Pour le plomb nous avons pu faire une étude plus approfondie gràce aux mesures des rapports isotopiques et des organo-métaux. Ainsi il a été possible d'identifier certaines sources d'émissions pour ce métal.

Dans l'optique de fournir un cadre scientifique aux politiques de réduction des émissions de polluants atmosphériques (Convention de Genève sur la pollution transfrontière et à longue distance) ce travail se propose d'établir une cartographie de dépôts de métaux lourds dans le massif alpin français. Pour ce faire, l'intégralité des précipitations neigeuses de deux hivers consécutifs (97-98 et 98-99) a été prélevée dans 15 sites de moyenne altitude (-2000m) du massif alpin, isolés de toute source de pollution locale. Nous avons ensuite transcris les concentrations de métaux dans la neige en flux de métal déposé pour la période concernée. Au delà de ce travail de cartographie, cette étude s'attache également à identifier les sources de métaux déposés dans le manteau neigeux, en essayant notamment de discriminer les sources régionales des sources issues d'un transport à longue distance. Pour ce faire, la démarche de l'analyse isotopique du plomb a été utilisée, en parallèle avec une analyse des trajectographies de masses d'air conduisant aux précipitations neigeuses sur les sites de prélèvement. Deux études de cas particuliers ont été développées. La première s'est attachée à caractériser le transfert air-neige, en collectant parallèlement des échantillons de neige et des filtres atmosphériques. La deuxième a permis de suivre la distribution spatiale des métaux en fonction de l'altitude et d'identifier ainsi l'influence des émissions de la vallée sur le dépôt. Les principaux résultats de ce travail montrent que le dépôt de métaux lourds dans le massif alpin est principalement gouverné par l'important relief de ce dernier, qui constitue le premier véritable obstacle aux perturbations d'origine atlantique, majoritaires en Europe en période hivernale. Les polluants s'avèrent avoir une origine plutôt régionale (Région RhôneAlpes et Italie) qu'issue d'un transport longue distance, ce qui est mis en évidence grâce à la composition isotopique du plomb. La détermination de cette signature fait également ressortir la contribution négligeable des émissions automobiles au plomb atmosphérique total, reflétant l'utilisation croissante de l'essence "sans plomb".

Dans une première partie de ce travail, la fonte estivale partielle de la neige antarctique, qui affecte fortement l'émissivité micro-onde de la surface, est identifiée et comptabilisée au cours de 18 années sur la période 1980-1999. Pour cela, un algorithme de traitement des données satellitales s'adaptant à la variabilité spatiale et inter-annuelle de la température de brillance moyenne de la neige a été développé. Le cumul du produit de la surface affectée par la fonte par la durée de la période de fonte , appelé Cumulative Melting Surface CMS), est un des 3 indices définis et discutés ici. En moyenne sur les 20 années, le CMS Antarctique a diminué de 1.8 ± 1 % an- l, résultat cohérent avec un refroidissement des températures moyennes du mois de janvier sur le continent, récemment identifié par d'autres à partir de mesures dans l'infra-rouge. De plus, les indices de fonte comportent les signatures inter-annuelles de l'Oscillation Antarctique (AO), et peut-être de l'Oscillation Sud El Nino (ENSO). Les modèles actuels de circulation générale de l'atmosphère (MCGA) prennent mal en compte certaines des caractéristiques du climat des zones polaires. Ainsi, la simulation du bilan d'énergie de surface, donc la fonte, par le MCGA LMDz est encore peu fiable. Afin d'améliorer ce point, nous avons testé une paramétrisation non-locale des flux turbulents de surface pour les couches limites très durables et très stables (typiques de la longue nuit polaire antarctique). Cette paramétrisation autorise la propagation verticale des ondes de gravité depuis la troposphère libre, et simule donc l'apparition de turbulence intermittente dans la couche stable. Malgré la forte variabilité climatique inter-annuelle, il semblerait que la température du sol et l'intensité du vent soient généralement mieux décrites à l'intérieur du continent, mais un problème de découplage entre le sol et le premier niveau vertical du modèle apparaît près de Vostok.

Le but de notre travail est de contribuer à la compréhension des interactions entre les gaz acides et la glace, à la fois pendant la phase atmosphérique de la glace, c'est à dire dans les nuages, et dans la neige après dépôt au sol. Les gaz polaires en général, et les acides en particulier, interagissent fortement avec la glace dans la quelle ils peuvent se dissoudre. Dans les nuages, ces interactions peuvent modifier fortement la composition de l'air, et ce point reste une inconnue majeure en chimie atmosphérique. La compréhension de la relation entre la composition de l'air et celle de la glace, appelée fonction de transfert air-neige, est également indispensable pour reconstituer la composition des paléoatmosphères à partir des carottes de glace. Afin de contribuer à élucider ces problèmes, nous avons étudié l'incorporation dans la glace des composés gazeux HCI et HN03. Les compositions à l'équilibre thermodynamique des solutions solides HCl-glace et HN03-glace, en fonction de la température et de la pression partielle du gaz, ont été obtenues expérimentalement en mesurant les profils de diffusion du gaz dans des monocristaux de glace. A -15 °C, le coefficient de diffusion est de l'ordre de 10-12 cm2/s pour HCI et de 10-10 cm2/s pour HN03. A la même température, sous une pression de 6 x 10-3 Pa, HN03 est environ 25 fois moins soluble que HCI avec pour solubilité respectives de 2,2 x 10-7 et 5 x 10-6 fraction molaire. Ces données ont été appliquées à différents phénomènes d'intérêt atmosphérique. Dans le cadre de la fonction de transfert air-neige, nos résultats ont été comparés à des données de terrain obtenues au Groenland. Il apparaît que, dans les flocons de neige, HCI en solution solide n'est pas en équilibre avec HCI en phase gazeuse. La teneur en HCI dans la neige est déterminée par des facteurs cinétiques lors de la formation des cristaux. Les résultats concernant HN03 suggèrent en revanche que, dans les flocons analysés, HN03 est en équilibre avec la phase gazeuse sans doute grâce à sa cinétique de diffusion plus rapide. Suite à ces résultats, nous avons proposé un mécanisme d'incorporation des gaz dans la glace lors de la croissance des cristaux. Celui-ci suggère que la relation liant la composition atmosphérique à la composition de la glace des nuages est fortement influencée par la dynamique atmosphérique et, en particulier, par les paramètres température et vitesse de refroidissement lors de la phase de formation du nuage. Les données obtenues au laboratoire intéressent aussi le domaine de l'hydrologie appliqué à la composition des eaux de fonte des neiges. Les résultats sur les solubilités de HCI et de HN03 et leur localisation probable dans le névé en cas de sursaturation expliquent semi quantitativement le phénomène observé d'élution préférentielle de l'ion nitrate par rapport à l'ion chlorure.

Le manteau neigeux de quatre glaciers de haute altitude (3000-3500 m) des Alpes francaises a été échantillonné pendant 3 saisons consécutives. En complément, un carottage de 13 m couvrant 3,5 années sur un glacier froid a permis de retracer la chimie de la précipitation annuelle. L'analyse des ions majeurs et des acides organiques par chromatographie ionique et par titration acide a permis d'équilibrer la balance ionique de la précipitation alpine. La neige alpine a un caractère légérement acide du essentiellement à l'ion nitrate et à la fraction d'acide sulfurique non neutralisée par l'ammoniac et les aérosols minéraux basiques. Les précipitations les plus acides reflètent l'influence des émissions de polluants des régions européennes les plus industrialisées. Les ions majeurs présentent des variations saisonnières avec un maximum d'été. Les arrivées de poussières sahariennes affectent de façon ponctuelle les hautes régions alpines, la neige étant alors alcaline. Ces poussières favorisent des réactions de neutralisation avec les composés atmosphériques acides augmentant ainsi leur dépôt. Les concentrations des acides organiques sont généralement faibles dans la neige alpine. La reprise de ces composés par les cristaux de neige est trés peu efficace du fait de leur réémission en phase gazeuse. Leurs sources sont principalement naturelles. L'ion fluoruré est présent dans la neige alpine au niveau du ppb. Au printemps et en été, les émissions de HF d'origine anthropique permettent vraisemblablement d'expliquer le bruit de fond de fluor observé hors événements sahariens

Le transport de la neige par le vent est une composante importante de l'interaction entre l'atmosphère et la cryosphère. En zone de montagne, il influence la distribution temporelle et spatiale de la couverture neigeuse au cours de l'hiver et a en premier lieu des conséquences sur le danger d'avalanche. La modélisation numérique de ce phénomène permet d'étudier les interactions complexes entre le manteau neigeux et le vent et d'en estimer les conséquences de manière distribuée. Dans ce contexte, cette thèse décrit le développement et l'évaluation d'un modèle couplé atmosphère/manteau neigeux dédié à l'étude du transport de la neige par le vent en zone de montagne reposant sur le modèle atmosphérique Meso-NH et le modèle détaillé de manteau neigeux Crocus. Le transport de la neige par le vent a été étudié sur le site expérimental du Col du Lac Blanc (massif des Grandes Rousses, France). Une base de données d'épisodes de transport couvrant dix hivers a tout d'abord été utilisée pour déterminer les caractéristiques principales de ces épisodes. Des simulations avec le modèle Crocus (non couplé à Meso-NH) ont ensuite montré qu'il était nécessaire de tenir compte des transformations mécaniques des grains de neige induites par le vent afin de simuler une évolution réaliste de la vitesse seuil de transport. Le site expérimental a également été le siège de deux campagnes de mesures en 2011 et 2012 visant à collecter de données de validation pour le modèle. Elles renseignent sur les conditions météorologiques près de la surface, sur les quantités de neige transportées et sur la localisation des zones d'érosion et de dépôt de la neige grâce à l'utilisation d'un laser terrestre. Le modèle de transport de neige par le vent Meso-NH/Crocus a été développé. Il intègre le transport de la neige en saltation et en suspension turbulente ainsi que la sublimation des particules de neige transportée. Un schéma à deux moments permet de simuler l'évolution spatiale et temporelle de la distribution en taille des particules. L'utilisation d'un schéma de couche limite de surface à l'interface entre Meso-NH et Crocus s'est révélé nécessaire pour représenter les forts gradients de concentration en particules de neige observés près de la surface. Meso-NH/Crocus est le premier modèle couplé atmosphère/manteau neigeux capable de simuler de manière interactive le transport de la neige par le vent en zone alpine. Meso-NH/Crocus a été évalué en relief réel grâce aux données collectées lors de la première campagne de mesure en 2011. La simulation d'un épisode de transport sans chute de neige simultanée montre que le modèle reproduit de manière satisfaisante les principales structures d'un écoulement en relief complexe ainsi que les profils verticaux de vitesse de vent et de flux de particules de neige en suspension près de la surface. En revanche, la résolution horizontale de 50 m est insuffisante pour reproduire avec précision la localisation des zones d'érosion et de dépôt autour du Col du Lac Blanc. La prise en compte de la sublimation réduit la quantité de neige déposée de l'ordre de 5%.Les techniques de descente d'échelle dynamique (grid nesting) ont ensuite été utilisées pour simuler un second épisode de transport avec chute de neige. L'augmentation de la résolution horizontale intensifie les contrastes de vitesse de vent entre versants au vent et sous le vent. En revanche, elle modifie peu les quantités et les structures spatiales des précipitations solides autour du Col du Lac Blanc. Lorsqu'il est activé, le transport devient la principale source d'hétérogénéités des accumulations neigeuses

Beitrag zum Werdegang von Reinhard Dietrich anläßlich seines 65. Geburtstages

Beitrag zu GNSS anläßlich einer Festschrift zum 65. Geburtstag von Prof. Reinhard Dietrich.