L'objectif a été d'évaluer à l'aide de techniques de phylogénie moléculaire la diversité bactérienne non cultivable dans la neige du Mont Blanc (MtBl) contenant de la poussière saharienne déposée au cours de quatre événements pendant la période 2006-2009. La diversité bactérienne a été évaluée par digestion enzymatique d'ADN et le séquençage partiel de la région V3-V5 du gène et des séquences complètes d'ARNr 16S. Nous avons étudié : (i) de la neige (MtBl) ne contenant aucune poussière saharienne (par ADNr et ARNr) ; (ii) du sable du Sahara (Tunisie) ; (iii) des poussières sahariennes collectées à Grenoble (200 m ASL) et de la neige récupérée au MtBl (4250 m ASL). Le contenu en espèces et en phylotypes dominants a varié dans la neige du MtBl associée aux quatre dépôts de poussière saharienne sur 3 années. Les phylotypes dominants appartiennent aux classes des Actinobacteria, Proteobacteria, Firmicutes, Deinococcus-Thermus, Bacteroidetes et les Cyanobactéria. Cette variabilité semble être davantage causée par les conditions de transport de la poussière. Quinze phylotypes ont été reconnus comme candidats pour colonisation de la neige. Les représentants des genres Massilia, Tumebacillus, Phormidium et Stigonema sont les candidats les plus probables pour la propagation dans la neige. Parmi tous les phylotypes identifiés, 10% ont été classés comme HA-phylotypes basés sur leur similitude (≥98%) avec les représentants du microbiome humain et 11% ont montré moins de 90% de similarité avec les taxons connus. Le séquençage partiel (V3-V5) et complet des gènes codant l'ARNr 16S a permis de décrire la diversité microbienne plus complète et d'en obtenir une image plus détaillée.

L'expérience NEIGE (NEtlander Ionosphere and Geodesy Experiment) permettra d'obtenir des informations sur la structure interne de la planète Mars ainsi que sur son atmosphère grâce à l'observation de ses paramètres de rotation (précession, nutation, longueur du jour, mouvement du pôle). Pour quantifier la précision sur ces paramètres grâce à NEIGE, une formulation analytique de l'observable Doppler entre les landers et un orbiteur a été développée, basée sur une orbite Keplerienne précessante sous l'effet de l'aplatissement de la planète et sur un développement au premier ordre en série de Taylor par rapport aux petits paramètres caractérisant les variations de l'orientation de Mars. Cette formulation permet de comprendre simplement le jeu relatif des différents paramètres et permet également de modéliser leurs corrélations. Dans les conditions nominales de l'expérience, les paramètres liés au mouvement du pôle et aux variations saisonnières de l'angle de rotation sont retrouvés avec une précision meilleure que 3 milli-secondes d'arcs. L'incertitude sur le taux de précession ainsi que sur les paramètres liés à l'exitence d'un possible noyau liquide visible dans l'observable Doppler grâce à une amplification (résonance) des nutations, a également été étudiée. Nous montrons qu'à partir des mesures NEIGE, il sera possible de déduire des informations sur la structure interne de Mars, comme l'état liquide ou solide du noyau, son moment d'inertie et son aplatissement. D'autres paramètres ont été pris en compte dans notre étude, notamment les positions des landers, les éléments orbitaux du satellite et les amplitudes des variations du terme d'aplatissement. La modélisation utilisée permet de tester différentes configurations de mission comme le changement d'orbites, de position et nombre de landers ou l'influence du bruit de mesures, afin d'identifier les conditions minimisant les incertitudes sur les paramètres de rotation. Les incertitudes obtenues grâce aux simulations numériques réalisées avec un logiciel d'orbitographie développé par le CNES et celles obtenues par la méthode analytique sont cohérentes. En comparant ces résultats avec ceux des observables Range et Doppler lander-Terre (représentant les mesures réalisées pendant les missions Viking et Pathfinder), on remarque que l'observable Dopple lander-orbiteur est plus efficace pour détecter de petits mouvements en surface grâce à l'effet amplificateur du Doppler quand la distance entre l'observateur et le lander est petite.

L'albédo de la surface antarctique Joue un rôle important dans les études climatologiques. Essentiellement deux facteurs peuvent modifier sa valeur: la taille des grains de neige et la rugosité de surface générée par les vents dominants. Ces caractéristiques de surface varient dans l'espace et dans le temps et seuls les satellites permettent régulièrement leurs estimations sur un continent aussi vaste, inhospitalier et isolé que l'Antarctique. Parmi les in struments de télédétection, POLDER (POLarization and Directionality of the Earth's Reflectances), à bord du satellite ADEOS, est le premier à offrir jusqu'à 14 observations d'un même site, dans les domaines spectraux du visible et du proche infrarouge, sous des angles de visée différents, au cours d'une seule orbite. Comme sa fauchée est large et que les orbites d'ADEOS se recoupent à proximité des pôles, les régions polaires profitent d'une bonne couverture quotidienne. Par conséquent, POLDER semble être particulièrement bien adapté pour étudier les FDRBs (Fonctions de Distribution des Réflectances Bidirectionnelles) de la neige antarctique. Dans cette étude est montrée l'analyse des données POLDER du mois de novembre 1996, dans une région limitée de l'Antarctique. Après élimination des nuages, par l' utilisation notamment des mesures de polarisation, des FDRBs caractéristiques de différentes zones ont été restituées qui ont permis l'extraction d'informations relatives à la rugosité de surface et à la taille des grains de neige. Il apparaît que dans les zones rugueuses, les FDRBs sont caractérisées par une forte diffusion dans le demi-plan arrière (souvent plus forte que vers l'avant) que ne restituent pas les modèles de réflectance bidirectionnelle de la neige utilisés. De plus la position du pic de diffusion dans ce demi-plan arrière varie d'une région à une autre et peut donc être reliée à la rugosité de la surface. Toutefois, l'étude de cette rugosité est rendu complexe par le fait qu'il existe souvent plus d'une direction dans laquelle s'alignent les reliefs (d'érosion ou d'accumulation) de surface. L'étude comparative du rapport de réflectances mesurées par POLDER d'une part (865nm/670nm) et ATSR-2 d'autre part (1600nm/865nm), relié à la taille des grains de neige, montre les mêmes variations spatiales relatives. Cependant, la détermination des tailles de grains de neige ne peut être déduite, en valeur absolue, par les mesures satellitales.

Les études sur l'Antarctique sont motivées par l'interprétation des données que renferme la glace ancienne sur les climats passés et sur les possibles interactions entre la calotte et un éventuel changement climatique. Les radiomètres micro-ondes sont des instruments bien adaptés pour l'étude de la neige, car ils sont indépendants des conditions nuageuses et d'éclairement. Lorsque la neige est sèche, ils sont à même de fournir des informations en profondeur. Les caractéristiques du manteau neigeux (température, densité et taille de grains) sont liées aux processus de dépôt et leur évolution dépend des conditions climatiques. Ce sont ces caractéristiques, déterminantes vis à vis de la signature spectrale de la neige, que nous cherchons à évaluer à partir des données de télédétection. Les données utilisées proviennent du Scanning Multichannel Microwave Radiometer à bord du satellite Nimbus 7 (1978-86). Dans un premier temps, ces mesures ont été comparées à des données de terrain. A une forte stratification du manteau neigeux correspond une grande différence entre les polarisations verticale et horizontale, surtout pour les fréquences 6.6 et 10.7 GHz. On a trouvé aussi une forte corrélation entre la valeur moyenne de la taille des grains sur 0-2 mètres et la différence de comportement entre les fréquences 18 et 6.6 GHz (gradient en fréquence). Dans une seconde étape, nous avons modélisé l'émissivité microonde de la neige. Le modèle est basé sur la résolution des équations de Maxwell au travers de la théorie des fortes fluctuations (Stogryn 1986). Une solution analytique a été développée dans le cas d'un milieu uniforme en profondeur. Lorsque les caractéristiques de la neige changent en fonction de la profondeur, la solution fait appel à une résolution numérique. Le manteau neigeux est considéré isotherme, stratifié horizontalement et isotrope à l'intérieur de chaque strate. Les résultats du modèle font apparaitre plus clairement les contributions de la densité de la neige, de la taille des grains et surtout de la stratification sur les signatures spectrales.

La télédétection satellitaire est en mesure de fournir des informations globales sur les calottes polaires et d'en effectuer un suivi régulier dans le temps. Pour être facilement interprétées, afin d'en déduire les caractéristiques du manteau neigeux observé depuis l'espace (taille, forme de grains, rugosité de surface ... ), les données satellitaires doivent être validées et inversées à l'aide de paramétrisations simples. Il est alors indispensable de définir des paramètres robustes et simples de la taille et de la forme des grains de neige à partir de leur observation. Un moyen d'observation et de mesure est le traitement d'images gui a permis d' établir ces relations et qui a permis un traitement automatique d'un grand nombre de données indépendamment de l'observateur. Un autre problème glaciologique, est l'interprétation des données issues de l'analyse des gaz piégés dans les bulles d'air. Cette étude implique, en particulier, la datation de la glace dans le névé lors de la fermeture des pores, indispensable pour déterminer dans la glace profonde l'âge du gaz par rapport à la glace qui l'emprisonne. En effet la datation des gaz contenus dans les bulles des carottes de glace s'effectue à partir de l'âge de la glace, et par conséquent, elle néces ite la connaissance de la différence d'âge entre les gaz et la glace lors de la fermeture des pores. Ces datations nécessitent l'utilisation des modèles de densification, de fermeture des pores, et de diffusion des gaz dans le névé. Les carottages réalisés dans les régions centrales de l'Antarctique et du Groenland permettent d'obtenir des données expérimentales essentielles pour caractériser le névé polaire. Le traitement automatique des images issues de ces données a fourni les paramètres de structure introduits dans ces modèles. Un autre aspect étudié au Laboratoire de Glaciologie est l'augmentation de la taille moyenne des cristaux de glace avec la profondeur ou l'âge de la glace. Les analyses des lames minces de glace permettant de déterminer ces lois de grossissement des grains ont été réalisées jusgu'à présent manuellement. Le traitement automatique d' images 2D a permis d' analyser les lois de grossissement des grains sur d' autres sites et a permis d' étudier les microstructures en terme d' évolution des distributions de taille et en terme d'évolution de la topologie des grains.

Le nitrate, produit de la fin de chaîne de réaction des oxydes d'azotes de l'atmosphère (NOx = NO +NO2), est l'un des ions le plus abondant de la neige et de la glace polaire. Ses rapports isotopiques stables (δ18O, δ15N et Δ17O) ont été abondamment utilisés pour contraindre ses sources et les chemins réactionnels. De plus, le nitrate archivé dans les carottes de glace profondes peut apporter de nouvelles contraintes sur les conditions climatiques passées. Cependant, le dépôt de nitrate dans les régions polaires à faible accumulation est réversible en raison des processus post-dépôts, compliquant l'interprétation des enregistrements. Actuellement, il existe des enregistrements de nitrate issus de carottes de glace profonds couvrant de l'information climatique sur plusieurs milliers d'années dont leur interprétation dépend d'une quantification précise ces phénomènes post-dépôts. Nous avons étudié expérimentalement le transfert d'excès-17O de l'ozone durant la réaction en phase gaz de NO2 + O3  NO3 + O2, qui est une réaction importante de la chimie nocturne de formation du nitrate. De cette étude nous avons déterminé la fonction de transfert du 17O donnée par : ∆17O(O3*) = (1.23 ± 0.19) × ∆17O(O3)bulk + (9.02 ± 0.99). Nous avons aussi évalué la distribution intramoléculaire des isotopes de l'oxygène de l'ozone et observé que l'excès d'enrichissement résidait de manière prépondérante sur les atomes terminaux de l'ozone. Ces résultats auront une implication importante sur la compréhension de la formation du nitrate via les mécanismes d'oxydation des précurseurs NOx. L'impact de la photolyse sur les concentrations et les compositions isotopiques stables du nitrate est étudié dans ce travail de thèse sur la base d'étude de laboratoire et de terrain. Une étude de laboratoire a été conduite en irradiant de la neige naturelle de Dôme C avec une lampe UV à xénon et en utilisant différents filtres UV (280 nm, 305 nm et 320 nm). Sur la base des mesures des rapports isotopiques de l'oxygène et de l'azote, la dépendance aux longueurs d'onde des fractionnements isotopiques a été déterminée. En conséquence, en présence de lumière UV de haute énergie, le fractionnement isotopique est décalé vers des valeurs moins négatives et vice versa. Sur la base des fractionnements isotopiques obtenus en laboratoire, nous avons dérivé un décalage apparent de la valeur du zéro point d'énergie (ZPE) qui apporte une meilleure contrainte sur la section efficace d'absorption du 15NO3-. Ce décalage apparent est obtenu en minimisant les écarts entre les observations et les fractionnements isotopiques calculés basés sur un modèle de décalage ZPE, modèle qui inclut outre le décalage ZPE, le changement des largeurs, de l'asymétrie et de l'amplitude des sections efficaces d'absorption lors de la substitution isotopique. Nous avons validé le nouveau ZPE apparent en conduisant une étude de terrain à Dôme C, Antarctique. Dans cette étude, un dispositif expérimental a été construit sur le site et l'effet du rayonnement solaire UV sur la photolyse du nitrate de la neige investigué. Cette étude était basée sur la comparaison de deux puits remplis par de la neige soufflée homogénéisée dont l'un des deux puits n'était pas soumis aux rayonnements UV. Le fractionnement isotopique de 15N pour la neige exposée aux UV (-67.9 ± 12 ‰) est en bon accord avec le modèle de décalage ZPE estimé au cours de ce travail de thèse (-55.4 ‰). Ces valeurs sont aussi dans la gamme des fractionnements isotopiques apparents observée précédemment au Dôme C. Nous pensons que l'inclusion des ces nouvelles connaissances dans un modèle prédisant l'enrichissement du 15N dans les carottes de glace permettra une interprétation quantitative de l'information préservée dans la glace.

L'objectif de cette étude est d'évaluer à l'aide des techniques de phylogénie moléculaire la diversité bactérienne non cultivable dans le manteau neigeux du Mont Blanc (MtBl) contenant de la poussière saharienne déposée au cours de quatre événements pendant la période de 2006 à 2009. Le but final est de découvrir les bactéries qui pourraient être impliquées dans l'établissement du microbiote neigeux.

La neige est un matériau poreux dont la microstructure change en permanence. L'ensemble de ces transformations, qui prend le nom de ''métamorphisme", est susceptible d'affecter les propriétés thermiques, mécaniques et électromagnétiques de la neige au niveau macroscopique. En particulier, les échanges d'énergie et de matière à l'intérieur du manteau neigeux et entre la neige et l'atmosphère sont fortement influencés par l'évolution au cours du temps de la microstructure de la neige. Une représentation adéquate du métamorphisme dans les modèles de manteau neigeux s'avère donc cruciale. La microstructure d'un matériau poreux peut être raisonnablement décrite en se servant d'un nombre réduit de variables. En effet, la masse volumique, la surface spécifique (SSA) et la distribution de courbure permettent de caractériser la microstructure d'un matériau. Cependant, dans le cas de la neige cette approche n'en est qu'à ses débuts et n'a pas encore été appliquée de façon systématique. Des variables semi-empiriques, difficiles à mesurer et dépourvues de lien direct avec d'autres propriétés physiques, sont encore largement utilisées dans les modèles détaillés de manteau neigeux. Ce travail de thèse s'inscrit dans cette tentative de représenter la microstructure de la neige au cours du temps à l'aide de variables bien définies et mesurables sur le terrain. Parmi ces variables, nous nous sommes attachés notamment à la SSA, qui constitue une grandeur essentielle pour l'étude du manteau neigeux et de son évolution temporelle. Différentes lois d'évolution de la SSA ont été étudiées, à partir de relations empiriques basées sur des ajustements de données expérimentales jusqu'aux modèles physiques qui représentent le flux de la vapeur d'eau entre les grains de neige. Ces lois ont été dans un premier temps testées à l'aide d'un modèle simplifié de manteau neigeux et puis introduites directement dans le modèle SURFEX/ISBA-Crocus. Pour ce faire, la SSA dans Crocus a été transformée en variable prognostique, en remplaçant d'autres variables semi-empiriques préexistantes. Les différentes formulations de l'évolution temporelle de la SSA ont été comparées à des mesures de terrain, acquises lors de deux campagnes à Summit (Groenland) et au Col de Porte (France). Ces mesures ont été effectuées en utilisant de nouvelles techniques optiques et ont permis d'obtenir un riche jeu de données avec une grande résolution verticale. Les résultats montrent que les différentes formulations sont comparables et reproduisent bien les mesures, avec un écart quadratique moyen entre les valeurs de SSA simulées et observées inférieur à 10 m^2/kg. Enfin, nous avons contribué à faire le pont entre la microstructure de la neige et ses propriétés macroscopiques. En particulier, nous nous sommes intéressés au lien entre, d'une part, la SSA et, d'autre part, les propriétés mécaniques et optiques. Dans le premier cas, nous avons investigué la corrélation entre la SSA et la résistance à l'enfoncement mesurée avec un Snow Micro Pen (SMP). Les résultats encore préliminaires semblent indiquer que la SSA peut être dérivée de la masse volumique et de grandeurs micro-mécaniques estimées à partir du signal du SMP avec un modèle statistique. Dans le deuxième cas, nous avons simulé l'albédo de surface à Summit à partir des profils mesurés de masse volumique et de SSA et du contenu en impuretés. Les résultats de cette étude ont démontré que l'albédo spectral peut être correctement simulé à l'aide d'un modèle de transfert radiatif et l'énergie absorbée par le manteau neigeux peut être estimée avec une précision d'environ 1%.

La prédétermination de la hauteur de départ des avalanches représente un défi majeur pour l'évaluation du risque en montagne. Cette hauteur constitue en effet un ingrédient d'entrée important des procédures de zonage et de cartographie du risque. Dans cette thèse, nous présentons un formalisme rigoureux dans lequel les distributions de hauteur de départ d'avalanche sont exprimées à travers un couplage des facteurs mécaniques et météorologiques. Le critère de stabilité du système plaque - couche fragile est étudié en utilisant une analyse mécanique par éléments finis prenant en compte l'hétérogénéité spatiale des propriétés mécaniques. Considérant qu'une avalanche ne peut se produire que si la hauteur de chute de neige dépasse une hauteur critique correspondant au critère de stabilité, les distributions de hauteur de départ obtenues à partir du modèle mécanique sont couplées avec la distribution des chutes de neige extrêmes sur 3 jours. Nous montrons que ce modèle couplé est capable de reproduire des données de terrain de 369 avalanches naturelles de plaque à La Plagne (France). Non seulement la queue de la distribution en loi puissance, correspondant à des épaisseurs de plaque élevées, mais aussi le corps de la distribution pour les plaques moins épaisses, sont bien reproduits par le modèle. Les avalanches petites à moyennes semblent être essentiellement contrôlées par la mécanique, tandis que les grosses avalanches et l'exposant de la loi puissance associé, sont influencés par un couplage mécanique - météorologique fort. Par ailleurs, nous démontrons que la distribution obtenue est fortement dépendante de l'espace, et, en utilisant les processus max-stables permettant une interpolation spatiale rigoureuse, notre modèle couplé est utilisé pour obtenir des cartes de hauteur de départ d'avalanche pour différentes périodes de retour sur l'ensemble des Alpes françaises.

La région de l'archipel canadien, située en Arctique, connaît actuellement d'importants changements climatiques, se traduisant notamment par une augmentation des températures, une réduction de l'étendue de la banquise marine et du couvert nival terrestre ou encore une perte de masse significative des calottes glaciaires disséminées sur les îles de l'archipel. Parmi ces calottes glaciaires, la calotte Barnes, située en Terre de Baffin, ne fait pas exception comme le montrent les observations satellitaires qui témoignent d'une importante perte de masse ainsi que d'une régression de ses marges, sur les dernières décennies. Bien que les calottes glaciaires de l'archipel canadien ne représentent que quelques dizaines de centimètres d'élévation potentielle du niveau des mers, leur perte de masse est une composante non négligeable de l'augmentation actuelle du niveau des mers. Les projections climatiques laissent à penser que cette contribution pourrait rester significative dans les décennies à venir. Cependant, afin d'estimer les évolutions futures de ces calottes glaciaires et leur impact sur le climat ou le niveau des mers, ils est nécessaire de caractériser les processus physiques tels que les modifications du bilan de masse de surface. Cette connaissance est actuellement très limitée du fait notamment du sous-échantillonnage des régions arctiques en terme de stations météorologiques permanentes. Une autre particularité de certaines calottes de l'archipel canadien, et de la calotte Barnes en particulier, est de présenter un processus d'accumulation de type glace surimposée, ce phénomène étant à prendre en compte dans l'étude des processus de surface. Pour palier au manque de données, l'approche retenue a été d'utiliser des données de télédétection, qui offrent l'avantage d'une couverture spatiale globale ainsi qu'une bonne répétitivité temporelle. En particulier les données acquises dans le domaine des micro-ondes passives est d'un grand intérêt pour l'étude de surfaces enneigées. En complément de ces données, la modélisation du manteau neigeux, tant d'un point de vue des processus physiques que de l'émission électromagnétique permet d'avoir accès à une compréhension fine des processus de surface tels que l'accumulation de la neige, la fonte, les transferts d'énergie et de matière à la surface, etc. Ces différents termes sont regroupés sous la notion de bilan de masse de surface. L'ensemble du travail présenté dans ce manuscrit a donc consisté à développer des outils permettant d'améliorer la connaissance des processus de surface des calottes glaciaires du type de celles que l'on rencontre dans l'archipel canadien, l'ensemble du développement méthodologique ayant été réalisé sur la calotte Barnes à l'aide du schéma de surface SURFEX-CROCUS pour la modélisation physique et du modèle DMRT-ML pour la partie électromagnétique. Les résultats ont tout d'abord permis de mettre en évidence une augmentation significative de la durée de fonte de surface sur la calotte Barnes (augmentation de plus de 30% sur la période 1979-2010), mais aussi sur la calotte Penny, elle aussi située en Terre de Baffin et qui présente la même tendance (augmentation de l'ordre de 50% sur la même période). Ensuite, l'application d'une chaîne de modélisation physique contrainte par diverses données de télédétection a permis de modéliser de manière réaliste le bilan de masse de surface de la dernière décennie, qui est de +6,8 cm/an en moyenne sur la zone sommitale de la calotte, qui est une zone d'accumulation. Enfin, des tests de sensibilité climatique sur ce bilan de masse ont permis de mettre en évidence un seuil à partir duquel cette calotte voit disparaître sa zone d'accumulation. Les modélisations effectuées suggèrent que ce seuil a de fortes chances d'être atteint très prochainement, pour une augmentation de température moyenne inférieure à 1°C, ce qui aurait pour conséquence une accélération de la perte de masse de la calotte.