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Les polar lows (PLs) sont d'intenses dépressions maritimes propres aux hautes latitudes. De faible extension spatiale et temporelle, ils n'en sont pas moins dangereux, s'accompagnant de vents violents et de fortes précipitations, provoquant une très faible visibilité et des vagues importantes. Le but de cette thèse est d'étudier l'impact de la variabilité atmosphérique sur leur formation, et notamment d'évaluer leur évolution dans le cadre du changement climatique. Dans un premier temps, l'environnement de grande échelle conduisant au développement de PLs est déterminé. Dans ce but, l'ensemble des observations homogènes de PLs disponibles et des réanalyses atmosphériques (ERA-I pour la période la plus récente, NCEP/NCAR sinon) sont utilisés. On montre que le géopotentiel à 500 hPa, l'écart de température entre la surface de l'océan et 500 hPa, le vent et la température en basses couches, ainsi que le tourbillon potentiel (PV) à 300 hPa présentent des anomalies significatives sur de grandes étendues, centrées sur les zones de formation des Pls. L'accent est mis sur les mers Nordiques pour lesquelles on dispose d'une climatologie de Pls large et homogène, bien que d'autres régions de l'hémisphère Nord soient aussi étudiées (mer du Labrador, golfe d'Alaska...). Les PLs se développent après une phase de mise en place progressive des conditions synoptiques favorable, leur déclenchement étant marqué par une intensification des anomalies de vent et de PV. Des différences existent entre les différentes régions de formation, notamment au niveau du flux de basse couche, indiquant une hétérogénéité dans l'influence relative des différents forçages. Une seconde partie est consacrée à étudier l'influence de la variabilité atmosphérique sur les PLs. Deux approches de cette variabilité sont alors considérées: les structures de téleconnection sur le Pacifique Nord et les régimes de temps sur l'Atlantique Nord et l'Europe. Les structures de téléconnection reposent sur l'idée que la variabilité atmosphérique peut être décrite par des variations dans l'intensité de structures particulières à grande échelle, persistantes et récurrentes. L'étude des liens entre ces structures et les variables clefs pour la formation de PLs permet de mettre en évidence pour chaque région du Pacifique Nord les influences respectives de chacune des structures sur les Pls. L'idée sous-tendant le concept de régimes de temps est que la variabilité atmosphérique pourrait être décrite comme une alternance entre différents états préférentiels quasi-stationnaires. Les quatre régimes déterminés sur l'Atlantique Nord et l'Europe ont une durée typique de 8-10 jours, similaire à l'existence d'un environnement typique associé au développement de PLs. Ils apparaissent particulièrement discriminants pour la formation de PLs: en mers de Norvège et de Barents, 75% des PLs observés se forment en Altantic Ridge ou dans la phase négative de l'Oscillation Nord Atlantique (NAO), alors qu'en mer du Labrador, une grande majorité des PLs observés se développent durant la phase positive de la NAO. La dernière partie est une étude exploratoire de l'évolution du comportement des PLs dans le cadre du changement climatique. Celui-ci est susceptible d'influer sur la répartition et les fréquences d'apparition des PLs en modifiant les conditions de grande échelle contrôlant leur genèse. L'étude porte d'abord sur le rôle de la glace de mer et de son évolution sur les PLs. Finalement, l'évolution de variables clefs dans le développement de PLs est étudié à partir de sorties de la simulation climatique ECHAM5/MPI-OM. Les résultats de cette étude suggèrent une diminution de l'activité des PLs, avec de fortes disparités régionales, ainsi que des changements dans la distribution saisonnière. Les résultats de cette thèse renforcent les connaissances sur les PLs et fournissent de nouveaux éléments pour améliorer leur prévision à court et plus long terme.

Ce mémoire est axé sur l'utilisation de traceurs isotopiques radiogéniques (Strontium, Néodyme, Plomb) et stables (Bore...) dans les études environnementales et tout particulièrement le long du cycle de l'eau. Les circulations et les interactions des eaux, qu'elles soient de surface ou souterraines, avec les roches encaissantes sont de plus en plus renseignées par l'utilisation de la géochimie et tout particulièrement par l'application des traçages isotopiques. Illustrée par plusieurs exemples dans différentes régions en France et Europe, la compilation d'études présentée ici repose principalement sur les systématiques isotopiques du strontium, du néodyme, et du plomb (couplée avec les déterminations élémentaires Sr, Terres Rares, éléments traces). Elle permet de définir pour chacun des sites ou systèmes étudiés, l'origine naturelle ou non des éléments chimiques, leurs comportements, leur transport dans des compartiments différents (e.g. forme dissoute et/ou particulaire pour les fleuves), des schémas de circulation des eaux et fluides profonds et les interactions entre les eaux et les différents types de roches encaissantes. Pratiquement, cette compilation est organisée en trois parties distinctes et recouvrant les trois grandes étapes du cycle de l'eau : précipitations, eaux de surface, eaux souterraines.

Ce mémoire d'HDR présente une recherche sur le changement climatique et les services écosystémiques, en particulier ceux des forêts tropicales. Les écosystèmes jouent un rôle important dans l'atténuation du changement climatique (limitation de l'accroissement des gaz à effet de serre dans l'atmosphère) par le biais de la séquestration du carbone. Ils contribuent aussi à l'adaptation de la société (réduction des effets néfastes du changement climatique), mais cette contribution est peu explorée. L'agriculture et les forêts sont fortement liées à l'atténuation et à l'adaptation, en raison de leurs émissions de gaz à effet de serre, leur vulnérabilité et leur place dans les moyens d'existence des populations rurales. Dans ces secteurs, des recherches sont nécessaires pour analyser comment atténuation et adaptation peuvent être mises en oeuvre en synergie, mais les arbitrages entre ces deux approches sont aussi à étudier. Le mémoire introduit le cadre conceptuel utilisé pour étudier les liens entre services écosystémiques et changement climatique (chapitre 2). Il présente l'évolution des questions de recherche sur l'évaluation des services et des instruments associés, comme le Mécanisme de Développement Propre (MDP), les Paiements pour Services Environnementaux (PSE) et les plans d'action nationaux pour l'adaptation (PANA) (chapitre 3). Des recherches conduites ces dernières années sont détaillées dans le chapitre 4, comme des études locales sur l'adaptation ou le développement d'approches pour cartographier les services écosystémiques et leurs relations et évaluer des instruments politiques. Les résultats incluent une analyse de la contribution des écosystèmes à l'adaptation de la société à travers six cas de figure (produits et communautés, arbres et agriculture, bassins versants forestiers, zones côtières, villes, climat régional). Le mémoire présente un projet de recherche sur les transitions de services écosystémiques, leurs moteurs et leurs effets sur la société dans un contexte de changement global (chapitre 5). Finalement le parcours du candidat à l'HDR est détaillé dans le chapitre 6.

La compréhension des transferts sédimentaires depuis les zones " source " jusqu'aux zones de dépôt des sédiments constitue un enjeu majeur pour la lutte contre l'érosion des sols et la qualité des eaux. Portant sur de petits bassins versants côtiers de l'Ouest du bassin parisien, l'intérêt de ce travail est de présenter une démarche intégrée de la dynamique érosive à l'échelle du bassin versant, depuis l'analyse de la stabilité structurale des sols jusqu'au suivi haute fréquence des transferts de matières en rivière. L'objectif est d'identifier les facteurs contrôlant le ruissellement et l'érosion sur ces sites et de proposer une estimation des apports fluviatiles de matières en suspension (MES) à la Manche orientale. Les résultats obtenus soulignent que malgré des sols limoneux peu structurés générant des taux d'érosion à la parcelle importants, les bilans d'érosion enregistrés en rivière sont parmi les plus faibles du monde (10,1 t.km-2.an-1 pour le bassin de l'Yères, 1,3 t.km-2.an-1 pour le bassin du Dun et 6,6 t.km-2.an-1 pour le bassin de la Ganzeville). La comparaison de ces données avec celles de 214 bassins versants mondiaux montre que ces faibles bilans sont expliqués par la taille des bassins étudiés (< 1000 km2), le relief modéré et le faible débit spécifique. Régionalement, ce dernier facteur est contraint par un fonctionnement hydrologique karstique, qui est à l'origine non seulement du déficit de la balance des écoulements de surface mais aussi d'un stockage intrakarstique de matériaux fins issus de l'érosion des sols. Les résultats mettent en évidence des échanges nappe-rivière très importants sur les sites d'étude : la contribution des eaux souterraines au débit de surface est de l'ordre de 90 %. Concernant les apports fluviatiles de MES à la Manche orientale, l'extrapolation des bilans d'érosion obtenus à l'ensemble des fleuves côtiers du littoral haut-normand conduit à une estimation du flux exporté à la mer de 48 500 t.an-1. Issu de l'érosion des bassins versants côtiers, ce flux de MES apparait très faible tant à l'échelle mondiale que régionale où le flux de MES de la Seine atteint en moyenne 715 000 t.an-1 à Poses en amont de l'estuaire.

Ce travail a pour but d'apporter des données expérimentales pour aider à mieux contraindre l'impact du réchauffement climatique sur les pergélisols. La méthodologie utilisée est basée sur la modélisation physique en enceinte de gel qui permet d'identifier et paramétrer les processus d'évolution d'un pergélisol expérimental. Le pergélisol expérimental est reconstitué en s'appuyant sur les données de terrain disponibles. La lithologie du matériau utilisé est un mélange de sable calibré de Nemours et de limons de la plaine de Caen aux caractéristiques physiques bien définies. Les teneurs en glace sont comprises entre 30 et 80%, comme mesuré sur le terrain. Le modèle n'est pas à l'échelle 1 et les problèmes de dimensionnement ne sont pas pris en compte. En effet, cette expérimentation est un travail préliminaire. Cette étude du comportement d'un pergélisol expérimental soumis à un réchauffement a permis de mieux connaître (i) l'évolution des morphologies de surface (tassement), (ii) l'évolution de la couche active, (iii) l'évolution thermique du pergélisol expérimental (suivi des fronts de gel et de dégel), (iv) l'influence respective des différents paramètres étudiés (température, lithologie, t eneur en eau et en glace, couche de glace). Ce travail a aussi permis la mise au point de nouvelles techniques expérimentales en conditions extrêmes. Il contribuera à la constitution de bases de données relatives à la modélisation physique des sols en contexte périglaciaire.

Le karst de la craie des plateaux de Haute-Normandie comprend dans sa partie supérieure une zone épikarstique avec les formations résiduelles à silex recouvertes par une couverture de loess du Quaternaire. Des plateaux au relief monotone, profondément incisés par les vallées, occupent plus de 80% des surfaces des bassins versants et sont affectés par la présence de nombreux points d'engouffrement rapide des eaux : dolines, régionalement appelées bétoires. L'aquifère de la craie constitue donc un bon exemple d'aquifère karstique sous couverture dont les modalités de recharge sont complexes et les ressources en eaux soumises à l'impact du soutirage des formations superficielles et de l'érosion des sols. Les principaux objectifs de ce travail de thèse sont, d'abord, de comprendre les mécanismes de karstogenèse à l'origine des bétoires et des réseaux karstiques en définissant l'influence de l'organisation morphostructurale des plateaux sur les modalités de recharge de l'aquifère de la craie. L'ambition est ensuite de calibrer une modélisation de l'évolution spatiale de la piézométrie, prenant en compte la transformation du signal climatique en fonction des caractéristiques du système d'introduction épikarstique et du contexte morpho-structural régional. Dans ce projet de thèse, nous avons tout d'abord, déterminé les zones sensibles aux développements de bétoires (karst d'introduction), ensuite, nous discutons de l'importance des connexions entre le karst d'introduction et le karst de restitution, en identifiant notamment, l'évolution spatiale de la part des transferts karstiques rapides dans les écoulements amont-aval de l'aquifère au sein des signaux hydrologiques régionaux. Parallèlement, nous avons étudié le transfert dans la zone épikarstique, en se focalisant notamment sur le rôle des formations superficielles et des bétoires dans les processus de recharge de l'aquifère de la craie. Les variations des signaux hydrologiques sont aussi analysées en regard du rôle d'autres paramètres hydrogéologiques, à savoir la puissance de l'aquifère et le contexte morpho-structural à l'aide d'outils variés d'analyse statistique. Dans ce contexte, nous démontrons l'hétérogénéité introduite par le drainage karstique dans la zone saturée sur l'organisation des écoulements souterrains ainsi que l'influence des gradients hydrauliques sur les écoulements en analysant la variation spatio-temporelle des concentrations en nitrates des eaux souterraines. Enfin, ces résultats ont été déployés pour discuter et adapter un modèle régional distribué en régime permanent (reproduction de la carte piézomètrique de 2006) en utilisant le modèle MARTHE, modèle à différences finies (©BRGM). Les premiers résultats obtenus sont satisfaisants, ils ont été améliorés en utilisant les résultats d'un modèle global à réservoirs, le modèle GARDENIA (©BRGM) performant à l'échelle des bassins versants.

Pour la climatisation de bâtiments ou d'installations industrielles, les nappes d'eaux superficielles représentent une source de frigories très convoitée. Leurs exploitations intensives depuis plusieurs dizaines d'années conjuguées au redéploiement de la filière géothermique ces dernières années, soulèvent des préoccupations quant à la préservation des ressources en eau. Dans ce contexte, la présente étude vise à évaluer l'impact de variations locales de température sur la qualité physico-chimique et microbiologique des eaux souterraines sur la base (i) de suivis in-situ au niveau de 3 installations réelles exploitant les nappes d'eaux superficielles et, (ii) d'expérimentations sur un pilote (BIOTHERMEX) permettant de reproduire, en conditions parfaitement maitrisées, l'effet de la propagation d'un panache thermique dans un modèle réduit d'aquifère. Dans la gamme de température relevée sur site, les principaux résultats obtenus montrent que les impacts thermiques sont circonscrits au voisinage immédiat de l'installation, pouvant altérer jusqu'à plus d'une dizaine de degrés la sténothermie des nappes. Le suivi des paramètres physico-chimiques n'ont pas fait apparaitre de perturbations significatives sur la période de surveillance, constat étayé par des modélisations hydrogéochimiques. En revanche, une influence significative a été relevée au niveau des principaux descripteurs microbiologiques (activité, diversité de la microflore totale). Enfin, les expériences menées à l'échelle du laboratoire ont permis d'appréhender finement le comportement réactionnel du système et de définir une température de réinjection critique, au-delà de laquelle des désordres potentiels sont attendus.

L'objectif de cette these est de determiner quels sont les processus oceaniques et atmospheriques qui controlent la variabilite saisonniere et interannuelle de la Temperature de Surface Oceanique (TSO) dans l'Ocean Indien Nord. Notre approche consiste a utiliser un modele de circulation generale oceanique force et a analyser les termes oceaniques et atmospheriques qui influencent la TSO, representee par la temperature de la couche melangee. Cette couche de surface est donc primordiale dans cette etude. S'assurer qu'elle est bien representee par le modele oceanique nous permet d'obtenir des resultats plus robustes concernant les variations potentiellement faibles de la TSO dans cette region. La premiere etape de notre travail consiste donc a mettre au point un atlas de profondeur de couche melangee oceanique a partir d'observations. Etant donne l'interet potentiel pour d'autres regions de l'ocean d'un tel champ, cet atlas est etabli a l'echelle globale. Grace a une methodologie innovante, basee sur le traitement direct de profils oceaniques individuels, ce nouvel atlas presente plus de details dans les structures oceaniques classiques et moins de biais que les atlas precedents. Cette etude montre egalement le role de la salinite sur la profondeur de la couche melangee. Ainsi, outre les regions de couches barrieres classiques, on met en evidence des zones de compensations<br />verticales en densite en hiver dans les gyres subtropicales et dans la zone de convergence subtropicale. On propose des mecanismes de formation de ces structures peu discutees precedemment.<br /><br />L'analyse des bilans thermohalins de la couche melangee du modele d'ocean nous montre ensuite plusieurs preuves du role de l'Ocean Indien Nord dans la regulation de la TSO. Meme si le vent reste un facteur important dans le controle du cycle saisonnier de la TSO, plusieurs phenomenes oceaniques participent activement<br />a cette variabilite. En ete, dans l'ouest de la Mer d'Arabie, les upwellings oceaniques contribuent a diminuer considerablement la TSO et dominent la contribution atmospherique. A l'est de la Mer d'Arabie et dans le Golfe du Bengale, la salinite de surface est en grande partie controlee par les courants oceaniques de mousson. Les couches barrieres creees par ces changements de salinite en surface permettent de stocker de la chaleur sous la couche melangee et de la redistribuer par entrainement en hiver. A l'echelle interannuelle, a l'ouest de la Mer d'Arabie, les vents et le melange oceanique vertical participent aussi de maniere equivalente a la variabilite de la TSO. Cependant, les mecanismes de regulation de la TSO semblent etre plus complexes qu'a l'echelle saisonniere et necessitent une etude plus approfondie.