L'étude physique des enveloppes externes de la Terre est fortement influencée par leur stratification. Cette dernière permet la propagation d'ondes anisotropes appelées ondes de gravité internes. L'interaction de ces ondes avec la topographie gouverne la génération et la dissipation de ces ondes, et joue un rôle non négligeable dans le bilan énergétique global de la planète.<br />Nous avons mis au point une technique de visualisation des ondes internes par strioscopie synthétique, et mené parallèlement des expériences à grande échelle sur leur réflexion critique. Nous avons également élaboré un nouveau type d'excitateur d'ondes internes planes.<br />Ces expériences nous ont permis de valider une théorie analytique d'émission par des corps oscillants et de l'appliquer à la génération d'ondes par un talus continental. Nous avons également confirmé la présence d'effets nonlinéaires lors de la réflexion critique. Enfin, nous avons étudié l'influence de la force de Coriolis sur ces phénomènes.

Le but de cette thèse est de montrer quels peuvent être les apports à l'étude de la dynamique océanique des données de télédétection spatiale dans l'infrarouge proche (1000 nm) et moyen 10000 nm). On présente tout d'abord le rayonnement observé (réflexion, émission). On examine les influences de l'état de la mer et de la présence de l'atmosphère entre l'océan et le capteur ou le soleil sur ce rayonnement. Le chapitre 3 aborde les relations entre les distributions spatiales et superficielles de température et de courant. Le courant peut être estimé à l'aide d'un couple de thermographies, soit par suivi de structures particulières, soit par résolution de l'équation de conservation de la chaleur. Des exemples sont donnés pour le courant Ligure, les tourbillons anticycloniques issus du Gulf Stream et les eaux au large de la côte est des Etats-Unis. Enfin, les densités de variance de température calculées en fonction de l'échelle à partir des thermographies, sont comparées aux spectres d'énergie cinétique résultants de théories de turbulence bidimensionnelle. Le chapitre 4 traite des images d'énergie réfléchie par la surface de la mer à partir desquelles sont dérivés l'état d'agitation de la mer et le champ de vitesse du vent. Grâce à un modèle de distribution statistique des pentes des facettes de vague, on examine le signal parvenant au radiomètre en fonction de l'état de surface et des géométries d'éclairement et d'observation, en s'attachant aux cas des satellites SPOT et Landsat. Par ailleurs, on montre que le champ du module de la vitesse du vent à la surface de la mer peut être calculé, à partir des images AVHRR à 1000 nm et qu'il se compare favorablement au champ obtenu d'après une carte d'isobares de surface. Le chapitre 5 est une application des résultats des chapitres précédents, à la connaissance de la dynamique de la couche superficielle de la mer Ligure. La circulation générale dans ce bassin et ses causes présumées y sont discutées. Les variations, les instabilités *du courant et les dissymétries saisonnières nord-sud de la répartition spatiale de ces instabilités et de leur amplitude sont mises en relief. La conclusion est consacrée à la synthèse des apports de la télédétection à la connaissance du milieu marin mis en évidence par les travaux présentés, synthèse particulièrement illustrée par l'exemple de la mer Ligure.

Les travaux ont été effectués sur le golfe du Lion. Ils présentent des résultats combinés de l'interprétation d'images de satellites, obtenues dans l'infrarouge thermique (capteur AVHRR) et dans le domaine visible (capteur CZCS) avec des connaissances historiques et des mesures recueillies simultanément en mer. Ils permettent, d'une part, d'estimer la forte variabilité spatio-temporelle de la zone de dilution rhodanienne, en particulier sous l'influence du vent local et du débit du fleuve, et, d'autre part, d'observer la formation hivernale d'eau profonde dans le golfe du Lion. L'évolution saisonnière des zones de production dans le golfe du Lion est suivie à l'aide d'images de la concentration relative en pigments chlorophylliens et de la température de la mer. Le traitement d'images du spectre visible du satellite METEOSAT II permet l'estimation mensuelle de l'éclairement solaire global au niveau de la mer.

" ... Notre objectif n'est pas le satellite, mais ce que nous pouvons atteindre à travers lui. Ce qui nous importe est de savoir en quoi, comment et sous quelles conditions, il peut nous aider dans notre tâche. ... " (Mr PIKETTY, Allocution d'ouverture des journées nationales d'études : Utilisation pour l'océanographie des satellites d'observation de la Terre. Brest, 6-8 février 1978). Cette thèse constitue une réponse partielle à cette question. En effet, ce travail a toujours été guidé par le problème de l'utilisation des données VHRR des satellites NOAA4 et NOAAS, qui permettent de tracer des cartes de températures de surface, à des fins d'océanographie dynamique. De la lecture de cette thèse, peut résulter une certaine impression de dispersion et d'inachèvement. Ayant développé deux axes de recherche (variations saisonnières, variations spatiales) et ne les ayant traités qu'à l'aide des données satellite, il était fatal que les spécialistes de chaque sujet n'y trouvent pas leur compte. Si, pour les variations saisonnières, j'ai pu élaborer minutieusement une méthode d'étude, il n'en est pas de même pour le second axe de recherche. Il n'est pas habituel en océanographie de traiter des champs bi-dimensionnels. J'ai donc utilisé plus ou moins les méthodes usuelles d'étude des séries temporelles, en les alliant avec celles issues de la géostatique minière que j'ai apprises à l'Ecole des Mines. J'ai conscience des imperfections et des problèmes statistiques attachés à mon étude, mais, étant d'abord un océanographe, j'ai préféré ne pas m'y attarder et continuer, afin de pouvoir évaluer la richesse potentielle de cette étude spatiale. J'ai également essayé de calculer numériquement les courants d'advection thermique à partir des thermographies, à l'aide de l'équation de continuité de la quantité de chaleur. Mais un calcul d'incertitude m'a vite montré que le bruit du VHRR était trop important pour que les résultats aient une quelconque signification. L'utilisation prochaine des mesures moins bruitées du satellite TIROS-N autorisera une telle étude. L'utilisation de ces mesures de température par satellite pour l'océanographie dynamique s'avère très fructueuse. Elle a permis de compléter notre connaissance des phénomènes de surface dans le bassin liguro-provençal. Elle peut également apporter des éléments de solution à l'heure où la communauté océanographique se pose des questions sur la turbulence océanique à moyenne et grande échelle. Elle devrait aussi autoriser le calcul en routine des courants d'advection thermique. En conclusion, je pense que les satellites fournissent actuellement des mesures fiables, qui sont souvent des bons traceurs de mouvement, et que l'avènement des satellites plus performants du type TIROS-N va autoriser des analyses très fines, qui vont considérablement augmenter notre compréhension des phénomènes marins.

Prédire la statistique des grandes échelles des écoulements turbulents constitue un enjeu important. Pour l'équation d'Euler 2D et des modèles analogues d'écoulements géophysiques, une auto-organisation est observée (formation de cyclones/anticyclones, jets intenses). La mécanique statistique d'équilibre des écoulements bidimensionnels s'est avérée fondamentale et pertinente même en présence de forçage et dissipation, dans la limite inertielle. La thèse est motivée par le phénomène de transitions aléatoires entre deux topologies différentes, lié à une bistabilité. Il s'agit de prédire la multiplicité des équilibres d'un écoulement (quasi) bidimensionnel. On développe une classification des transitions de phase, pour des équilibres (statistiques et/ou dynamiques) d'un tel écoulement. Les diagrammes de phase font apparaître la présence générique de points critiques et tricritiques, et des domaines d'inéquivalence d'ensembles statistiques. Dans le cas d'une géométrie annulaire, on décrit les effets de la topographie et de la conservation de deux circulations. Des analogies avec la bistabilité du courant océanique Kuroshio sont proposées à partir de cette étude académique. Enfin, pour le système Euler 2D, on détaille un résultat de mécanique statistique dans l'ensemble énergie-enstrophie : la distribution microcanonique, construite à partir du théorème de Liouville en dimension finie, correspond à la maximisation d'une entropie de mélange de la vorticité.

En assurant la dispersion, la phase larvaire joue un role fondamental dans la dynamique des populations d'invertébrés marins à cycle de vie bentho-pélagique et détermine la connectivité au sein des métapopulations marines. La connectivité en milieu marin influence ainsi directement la dynamique des métapopulations et la persistance des populations locales, les potentialités d'expansion des espèces en réponse à des changements des conditions environnementales ou les limites biogéographiques d'aire de distribution des espèces. Dans ce contexte, le but du présent travail a été de mieux comprendre les roles relatifs joués par les processus hydrodynamiques et hydroclimatiques, et les traits d'histoire de vie des invertébrés sur la dispersion larvaire et la connectivité en milieu cotier dans le Golfe de Gascogne et la Manche occidentale. Pour répondre à cette question, une approche couplée a été mise en oeuvre, alliant l'observation in situ et la modélisation biologie-physique à deux échelles spatiales : régionale et locale. Dans le Nord du Golfe de Gascogne, la description de la distribution larvaire de trois espèces cotières de polychètes (Pectinaria koreni, Owenia fusiformis, et Sabellaria alveolata) a mis en évidence le role prépondérant de l'organisation spatiale des structures hydrologiques à méso-échelle (i.e. plumes estuariennes) dans la variabilité de la distribution des abondances larvaires. à l'échelle régionale du Golfe de Gascogne et de la Manche occidentale, la simulation lagrangienne de la dispersion larvaire en conditions hydroclimatiques réalistes a souligné l'importance de la variabilité saisonnière des conditions hydroclimatiques et des traits d'histoire de vie (mois de ponte, durée de vie larvaire, comportement natatoire) dans le transport larvaire et la connectivité entre populations. Ces résultats ont suggéré de possibles échanges larvaires depuis les populations cotières du Golfe de Gascogne vers celles de la Manche occidentale, i.e. à travers une zone de transition biogéographique. Ils ont aussi permis de tester plusieurs hypothèses sur les conséquences possibles du changement climatique sur la dispersion et la connectivité entre populations marines, i.e. via une période de ponte précoce et une durée de vie larvaire raccourcie. à l'échelle locale du Golfe Normand-Breton, un modèle eulérien de dispersion a permis d'estimer la connectivité entre les récifs biogéniques construits par une espèce à forte valeur patrimoniale, Sabellaria alveolata. Ce modèle a permis de déterminer les influences relatives de la variabilité intra- et inter-annuelle des conditions hydroclimatiques sur la connectivité, dans un contexte de gestion et de conservation d'un patrimoine naturel.

La plupart des opérations de secours en mer s'appuient aujourd'hui sur des prévisions numériques opérationnelles afin de coordonner les moyens d'action et de cibler les zones d'intervention prioritaires. Pour des cas de pollution marine ou pour la recherche d'objets dérivants, des modèles de trajectoire spécifiques existent et permettent d'élaborer des scenarii plus ou moins réalistes à partir de courants modélisés. La fiabilité de ces systèmes est en grande partie conditionnée par la qualité de ces courants prévus et utilisés. Ce travail de thèse s'intéresse à la modélisation des processus océaniques qui modifient les propriétés adjectives du courant, en particulier à proximité de la surface, où les vitesses sont les plus fortes, et où des structures de fine échelle liées aux interactions avec l'atmosphère et à des processus turbulents en complexifient l'estimation. La méthodologie adoptée est la classique confrontation modèle-observation pour deux cas d'étude distincts, l'un en Méditerranée occidentale (hiver 2007) et l'autre en Atlantique Est-Équatorial près de l'embouchure du Congo (printemps 2008). À partir d'outils numériques dérivés de l'opérationnel, il est tenté de reproduire des trajectoires réelles de flotteurs de surface en réalisant diverses études de sensibilité. Les prévisions de courant sont générées à partir de configurations régionales à haute résolution basées sur le code d'océan NEMO. Le logiciel Ariane (B. Blanke, 1997) utilise les propriétés de surface du courant, alors que le modèle d'hydrocarbure Mothy (Météo France) utilise une extraction en profondeur afin de compléter sa modélisation interne de l'océan en réponse aux changements rapides du forçage atmosphérique. Cette étude cible des échelles de prévisions de quelques heures à trois jours au maximum (échéance typique demandée en cas de crise). Les tests ciblent la résolution horizontale, l'impact des paramétrisations sur les forçages et la représentation des processus physiques, en particulier ceux rencontrés par les bouées, comme par exemple le panache du fleuve Congo en Angola.

Le golfe du Tonkin, située dans la mer de l'Est/la mer de Chine du Sud, est une zone de fort intérêt écologique, touristique et économique. Améliorer notre connaissance de ses processus hydro-sédimentaires (transport de particules en suspension) est d'une grande importance. L'objectif scientifique de cette étude est de revoir les processus physiques dominants qui caractérisent la dynamique des marées dans le golfe du Tonkin en utilisant un modèle à haute résolution et la combinaison de toutes les données disponibles. Une attention particulière est donc accordée à un examen croisé du modèle, des marégraphes et de l'altimétrie en zone côtière, ainsi qu'à l'étalonnage du modèle dérivé d'un ensemble d'expériences de sensibilité aux paramètres. Le bilan d'énergie des marées du golfe (flux d'énergie et de dissipation) est ensuite analysé et ses propriétés de résonance sont évaluées et comparées avec des modèles idéalisés et les observations. Ensuite, la marée résiduelle eulérienne et lagrangienne est évaluée. Enfin, on montre que le mélange de marée ne suffit pas à expliquer les structures frontales observées et associées à des concentrations élevées de chlorophylle.

Les eaux côtières impactées par les apports fluviaux jouent un rôle majeur dans l'export et l'enfouissement des particules terrigènes. La télédétection "couleur de l'océan" renseigne sur les concentrations en matières en suspension (MES) de surface. Pour améliorer les résolutions spatiale et temporelle, elle peut être combinée à des mesures in situ bio-optiques et la modélisation numérique. Le Rhône est la principale source d'apports d'eau douce et particulaires dans le Golfe du Lion (Méditerranée Occidentale). L'objectif de la thèse est l'étude de la variabilité saisonnière des apports en MES du Rhône et leur devenir sur le plateau continental. Des mesures in situ bio-optiques ont été réalisées à partir de navires océanographiques et de plateformes autonomes ProvBio. Les concentrations en MES sont estimées à l'aide des capteurs satellitaires MERIS et MODIS. Le modèle hydro-sédimentaire (Mars-3D) simule la circulation des masses d'eau et les apports liquides et particulaires du Rhône. Des proxys régionaux sont identifiés et éprouvés afin d'assurer un suivi de la dynamique des MES sur la colonne d'eau à partir de mesures bio-optiques in situ. Un algorithme régional est développé afin de cartographier les concentrations en MES à partir des mesures satellitaires. La combinaison de ces deux outils montre la dépendance de l'export des MES au débit liquide du Rhône et aux vents. En régime de crue, les MES sont essentiellement exportées en surface. Pour un débit fluvial faible à modéré et un vent fort, elles sont transportées près du fond. Le modèle hydro-sédimentaire a permis de mieux comprendre certains processus même si des améliorations sont encore requises.

Les picocyanobactéries du genre Synechococcus sont présentes dans tous les types d'environnements marins. Cette ubiquité s'explique en partie par la grande diversité pigmentaire de ces cellules, leur permettant de capturer efficacement la lumière sur une large gamme spectrale. La plupart des souches ont une composition pigmentaire fixe mais certaines sont capables d'ajuster leur pigmentation en fonction de la lumière incidente par un processus physiologique appelé acclimatation chromatique de type IV (AC4). Une approche de métagénomique ciblée originale, combinant des techniques sophistiquées, a été développée afin d'étudier la diversité et la distribution des différents types pigmentaires de Synechococcus in situ. L'intérêt de cette approche a pu être démontré après des optimisations spécifiques. La disponibilité de 25 nouveaux génomes de Synechococcus a permis de faire d'importantes avancées sur la compréhension du mécanisme d'AC4. Un cluster de 4 à 6 gènes, codant pour une phycobiline-lyase et plusieurs régulateurs transcriptionnels, est systématiquement présent chez toutes les souches capables de cette plasticité phénotypique. Deux configurations bien distinctes de ce cluster, nommées AC4-A et AC4-B, ont été découvertes et se retrouvent dans des lignées différentes de Synechococcus. Ces deux types de clusters auraient été soumis à des processus évolutifs distincts. Par ailleurs, certaines singularités phénotypiques entre les souches possédant ces deux types de clusters génomiques ont pu être démontrées. Ce travail de thèse soulève de nouvelles hypothèses sur la régulation de cette plasticité phénotypique ainsi que sur les mécanismes biochimiques associés.