The El Niño – Southern Oscillation (ENSO) has far-reaching impacts across the globe and provides the most reliable source of seasonal to interannual climate prediction over North America. Though numerous studies have discussed the impacts of ENSO teleconnections on North America during boreal winter, it is becoming more and more apparent that the regional impacts of ENSO teleconnections are highly sensitive to the seasonal evolution of ENSO events. Also, the significant impacts of ENSO are not limited to the boreal winter seasons. To address these knowledge gaps, this thesis examines the seasonal dependence of ENSO teleconnections and impacts on North American surface climate, focusing on two examples. Chapter 1 examines the relationship between El Niño – California winter precipitation. Results show that the probability of the anomalous statewide-wetness increases as El Niño intensity increases. Also, the influences of El Niño on California winter precipitation are statistically significant in late winter (Feb-Apr), but not in early winter even though that is when El Niño usually reaches its peak intensity. Chapter 2 further investigates why the strong 2015/16 El Niño failed to bring above normal winter precipitation to California, focusing on the role of westward shifted equatorial Pacific sea surface temperature anomalies (SSTAs) based on two reasons: the maximum equatorial Pacific SSTAs was located westward during the 2015/16 winter compared to those during the 1982/83 and 1997/98 winters, both of which brought extremely wet late winters to California. Also, the North American Multi-Model Ensemble (NMME) forecasts overestimated the eastern tropical Pacific SSTAs and California precipitation in the 2015/16 late winter, compared to observations. The Atmospheric General Circulation Model (AGCM) experiments suggested that the SST forecast error in NMME contributed partially to the wet bias in California precipitation forecast in the 2015/16 late winter. However, the atmospheric internal variability could have also played a large role in the dry California winter during the event. ENSO also exerts significant impacts on agricultural production over the Midwest during boreal summer. Chapter 3 examines the physical processes of the ENSO summer teleconnection, focusing on the summer when a La Niña is either transitioning from an earlier El Niño winter or persisting from an existing La Niña winter. The results demonstrate that the impacts are most significant during the summer when El Niño is transitioning to La Niña compared to that when La Niña is persisting, even though both can loosely be defined as developing La Niña summer. During the transitioning summer, both the decaying El Niño and the developing La Niña induce suppressed deep convection over the tropical Pacific and thereby the corresponding Rossby wave propagations toward North America, resulting in a statistically significant anomalous anticyclone over northeastern North America and, therefore, a robust warming signal over the Midwest. These features are unique to the developing La Niña transitioning from El Niño, but not the persistent La Niña. In Chapter 4, we further evaluate the performance of NCAR CAM5 forced with historical SSTA in terms of the La Niña summer teleconnections. Though the model ensemble mean well reproduces the features in the preceding El Niño/La Niña winters, the model ensemble mean has very limited skill in simulating the tropical convection and extratropical teleconnections during both the transitioning and persisting summers. The weak responses in the model ensemble mean are attributed to large variability in both the tropical precipitation, especially over the western Pacific, and atmospheric circulation during summer season. This thesis synthesizes the physical processes and assessments of climate models in different seasons to establish the sensitivity of regional climate to the seasonal dependence of ENSO teleconnections. We demonstrate that the strongest impacts of ENSO on North American regional climate might not be necessarily simultaneous with maximum tropical Pacific SST anomalies. We also emphasize the importance of the multi-year ENSO evolutions when addressing the seasonal impacts on North American summertime climate. The findings in this thesis could benefit the improvement of seasonal hydroclimate forecasting skills in the future.

La thèse, réalisée au Centre de Recherches de Climatologie, UMR 5210 CNRS / Université de Bourgogne, a été co-financée par le Conseil Régional de Bourgogne et les Associations agréées de Surveillance de la Qualité de l'Air (AASQA) de la région (Atmosf'Air). Elle porte sur l'ozone, gaz toxique que les concentrations placent parmi les polluants atmosphériques les plus préoccupants de la région. Les concentrations horaires en ozone mesurées sur quelques années dans douze stations bourguignonnes sont analysées. Leurs variations spatiales et temporelles sont mises en relation avec certains éléments extra-régionaux (ozone de fond, conditions synoptiques) et infra-régionaux (propriétés physiques, occupation du sol, caractéristiques météorologiques locales et potentiel d'émission de précurseurs). Le deuxième volet concerne l'élaboration d'une méthode statistico-dynamique de prévision des concentrations maximales d'ozone pour le lendemain pour cinq stations Atmosf'Air dans l'agglomération dijonnaise, trois dans celle de Chalon-sur-Saône, deux à Mâcon, une à Montceau-les-Mines et une station rurale, dans le Morvan, à Saint-Brisson. Nous avons élaboré les modèles de prévisions avec le concours de Météo-France. Ils intègrent des prévisions météorologiques extraites d'ALADIN. La chimie est également prise en compte, puisque peuvent être intégrés dans les modèles de régressions multiples retenus, des précurseurs (oxyde d'azote) ou l'ozone mesuré par Atmosf'Air le jour où est effectuée la prévision. L'erreur moyenne de prévision est d'environ 20 μg/m3. Grâce à l'application d'un correctif qui renforce le « dynamisme » des prévisions, les pics d'ozone sont correctement prévus. Les erreurs résiduelles sont analysées et indiquent que les modèles atténuent légèrement les variations de concentrations observées lors des changements brutaux de types de temps. Des erreurs ponctuelles, mais plus fortes, sont liées à des erreurs de prévisions météorologiques ou à des concentrations anormales de précurseurs. Au total, ces prévisions sont performantes et plus fines spatialement que celles issues des modèles déterministes. Leur intérêt est indéniable localement pour informer et alerter les populations concernées. Enfin, en s'appuyant sur les résultats d'une campagne de mesures terrain (104 points échantillonnés par tubes à diffusion passive), distribués sur l'ensemble de la Bourgogne en août 2000, nous avons cherché à mieux comprendre les déterminants de la répartition spatiale de l'ozone et par conséquent les mécanismes mis en jeux. Une démarche descendante utilisant les méthodes de l'analyse et de la statistique spatiale a été développée. Tout d'abord, des indices sur les propriétés de la surface ont été créés à partir des données compilées (MNT, occupation du sol, champs atmosphériques simulés) et avec l'aide d'un Système d'Information Géographique (SIG). Ensuite, la structuration spatiale de l'ozone a été étudiée à partir de l'analyse variographique directe et croisée. Nous avons interprété ces comportements à partir des états de l'atmosphère et des indices de la surface. En plus de la forte anisotropie observée sur la répartition spatiale de l'ozone, les résultats ont fait ressortir deux types de structuration en accord avec deux situations météorologiques contrastées. Un premier type correspond à une configuration peu favorable à la formation d'ozone. Dans ce cas, la structure spatiale de l'ozone à l'échelle de la région est fortement corrélée à la rugosité de la surface. Un deuxième type correspond à une situation favorable à la production d'ozone. Nous montrons alors le forçage « biologique » de la surface sur le champ d'ozone, via des grandes classes combinant rugosité de surface et occupation du sol. Ainsi, une forte corrélation entre la concentration en ozone en un point et la proportion de forêt mixte en amont de ce point est observée. Dans tous les cas, les résultats démontrent la complexité des mécanismes et le forçage de la répartition spatiale de l'ozone en Bourgogne par la surface.

La circulation thermohaline (THC) influe fortement sur le climat de l'Atlantique Nord. Le réchauffement climatique causé par les émissions anthropiques de CO2 risque d'altérer cette circulation océanique et donc le climat. Dans cette thèse nous proposons d'évaluer ce risque et de comprendre l'impact climatique de la THC dans le futur grâce au modèle couplé tridimensionnel océan-atmosphère-glace-de-mer-surface-terrestre IPSL-CM4. Dans un premier temps nous avons fait un tour d'horizon des principales théories et connaissances concernant la THC. Nous avons ensuite validé la pertinence d'IPSL-CM4 pour mener notre étude. Le rôle du sel est apparu primordial pour la dynamique de la THC. Nous avons ensuite mis en évidence la sensibilité de la THC au forçage global en eau douce de l'océan. Les différentes sensibilités des sites de convection de l'Atlantique Nord, liées principalement au processus de transport de sel, ont ainsi été mises en lumière dans IPSL-CM4. Nous nous sommes ensuite tourné vers l'analyse de simulations scénarios pour les siècles à venir. Il est apparu une diminution signicative de la THC dans ces simulations, qui est fortement ampliée si la fonte du Groenland est prise en compte. L'analyse de divers scénarios prenant en compte ou non cette fonte des glaciers a aussi permis d'isoler de manière originale le rôle joué par les rétroactions de la THC. En dernier lieu, l'effet de la THC sur le climat a été quantié dans IPSL-CM4 et apparaît être plus faible que le réchauffement climatique, même localement sur l'Europe. L'explication des mécanismes d'inuence de la THC sur le climat a aussi été clariée. L'impact de la THC sur le stockage de carbone dans l'océan a enn été évalué, et apparaît être très faible sur 140 ans. Tout ceci permet d'appréhender le rôle de la THC pour le climat et de son devenir dans le futur.

Parmi les contaminants introduits dans l'environnement, les éléments radioactifs artificiels apparaissent particulièrement importants à prendre en considération du fait de leur toxicité chimique et/ou de leur radiotoxicité. De nombreux radio éléments étant susceptibles de se retrouver associés aux sédiments, l'étude de la dynamique sédimentaire est un préalable nécessaire à l'étude de leur dispersion en mer. Cette thèse s'intéresse au devenir des sédiments dans le Golfe du Lion (NW de la Méditerranée) et en particulier à l'impact des apports du Rhône, principal vecteur de matière particulaire vers le milieu marin. Afin d'étudier les mécanismes du transport particulaire à différentes échelles spatiales et temporelles, cette thèse s'appuie sur la modélisation mathématique. Le modèle hydro-sédimentaire mis en place dans le Golfe du Lion, qui prend en compte l'effet conjoint des vagues et des courants, a été étayé par l'analyse de données hydro-sédimentaires récemment acquises. Des observations in situ obtenues au cours des expériences CARMA (hiver 2006/2007) et SCOPE (hiver 2007/2008) ont été utilisées pour mieux comprendre les processus physiques contrôlant le transfert des particules au niveau du prodelta du Rhône et valider le modèle mis en place. La période de la crue centennale du Rhône de décembre 2003 a également été simulée afin d'étudier l'impact de ce type d'évènement extrême sur le devenir des sédiments. Pour l'ensemble des périodes considérées, les observations et les simulations utilisées conjointement ont permis de mettre en évidence la capacité d'érosion et de transport importante induite au niveau du prodelta lors des tempêtes de sud-est

La cryosphère a un rôle essentiel dans le système climatique entre autre parce qu'elle réfléchit une fraction importante de l'énergie solaire parvenant à la surface de la Terre et qu'elle contient une grande quantité d'eau douce sous forme solide. Du fait de la grande sensibilité de la cryosphère aux variables climatiques comme la température et les précipitations, les différents éléments de la cryosphère, tels que la calotte polaire Antarctique et la neige saisonnière dans les régions subarctiques, sont des indicateurs du changement climatique global. Toutefois, nos connaissances des régions polaires restent limitées par un manque d'observation in situ qui s'explique par l'isolement de ces régions et les conditions météorologiques difficiles. L'analyse de ces observations éparses peut être renforcée grâce à la télédétection spatiale et ainsi réduire les incertitudes sur les tendances climatiques observées aux hautes latitudes. En effet, la télédétection permet des observations continues et à grande échelle des régions polaires et subpolaires. <br /> La télédétection passive, en particulier dans le domaine spectral des micro-ondes, est adaptée à l'interprétation et au suivi des propriétés physiques du manteau neigeux. Effectivement, le rayonnement micro-onde émane du sol ou du manteau neigeux lui-même, puis se propage jusqu'à la surface. Ainsi, le rayonnement émergeant contient de l'information sur les variations verticales des propriétés de la neige, telles que la température ou les propriétés de microstructure (taille de grains et densité). Ces trois propriétés de la neige déterminent l'émission micro-onde d'un manteau sec. Lorsqu'il est humide, la teneur en eau liquide devient par contre la propriété dominant l'émission. Les évolutions temporelles et les variations verticales de ces différentes propriétés sont définies par la métamorphose. Leur lien avec l'émission micro-onde est considéré dans le transfert radiatif. <br /><br /> Cette thèse a pour objectif d'expliquer l'émission micro-onde de la neige par voie de modélisation afin de comprendre l'évolution des principales propriétés physiques de la neige. Le transfert radiatif dans la neige a été calculé avec les modèles multicouches Microwave Emission Model of Layered Snowpacks (MEMLS) et MultiLayered Dense Media Radiative Transfer (DMRT-ML), s'appuyant sur des approches respectivement semi-empirique et théorique. Les profils stratigraphiques de la neige utilisés en entrée ont été mesurés, estimés de façon aléatoire, modélisés avec une relation simple de la métamorphose ou avec le modèle d'évolution thermodynamique de la neige Crocus. <br /><br /> Ces modèles et approches ont été appliqués sur deux types de manteau neigeux, permanent en Antarctique et saisonnier au Québec. Dans le premier cas, l'évolution temporelle de la température de brillance a été modélisée localement, à Dôme C, à partir de mesures in situ des propriétés de la neige. Dans cette approche, l'émissivité est modélisée à partir de mesures et reste par conséquent applicable localement. Pour modéliser l'émissivité à l'échelle de l'Antarctique, différents profils synthétiques de taille de grains et de densité ont été testés. Dans tous les cas, la variation verticale de la taille de grains est apparue déterminante pour prévoir l'émissivité en polarisation verticale. Cette sensibilité a été exploitée pour estimer à l'échelle du continent cette variable glaciologique importante. Le profil de densité et les propriétés de surface déterminent quant à eux l'écart entre les polarisations verticale et horizontale. <br />L'émission micro-onde d'un manteau saisonnier au Québec a également été abordée. La spécificité de l'étude est de prévoir l'évolution temporelle de la température de brillance avec un modèle d'évolution thermodynamique de la neige couplé à un modèle de transfert radiatif micro-onde, ici Crocus-MEMLS. Cette approche a permis d'interpréter finement l'évolution temporelle des températures de brillance mesurées avec un radiomètre au sol et de mettre en doute certaines relations physiques du modèle Crocus. Les résultats ont mis en évidence la complexité du signal micro-onde pour des manteaux évoluant rapidement à des températures proches du point de fusion.

La plaine semi-aride du Tensift au centre du Maroc est une région confrontée à des difficultés croissantes en terme de gestion de l'eau (pluviométrie faible et irrégulière, croissance des besoins sous l'effet de la démographie galopante et l'extension des zones irriguées). Dans ce contexte et dans le cadre du projet SudMed, l'objectif de la thèse est de décrire, dans l'espace (à la résolution kilométrique) et sur de longues périodes temporelles (la décennie), le fonctionnement hydrique des agro-systèmes irrigués de la plaine du Tensift (~3000 km²). La méthodologie développée repose sur le contrôle de modèles agro-météorologiques par des données satellites issues de capteurs optique à large champ (données MODIS de 2000 à 2006). Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à l'occupation du sol, connaissance préalable à la quantification des besoins en eau des cultures. Etant donné la résolution spatiale de MODIS (250 m), nous avons eu recours à des méthodes de désagrégation, qui ont permis d'identifier et de cartographier les trois principales classes d'occupation du sol: zones non irriguées, cultures annuelles, plantations arborées. Dans une deuxième partie, nous avons utilisé cette information pour spatialiser un modèle de bilan hydrique, en étudiant tout particulièrement les termes d'évapotranspiration et d'irrigation. L'évaluation du modèle est effectuée par comparaison: (1) aux données collectées sur les parcelles d'expérimentation du projet SudMed; (2) à des cartes établies à l'aide d'images à haute résolution spatiale et temporelleFORMOSAT-2 et (3) aux volumes d'eau des barrages distribués par l'office agricole régional. Cette étude ouvre des perspectives pour l'estimation des volumes d'eau d'irrigation transitant par les différents réseaux d'irrigation, et en particulier ceux prélevés dans la nappe phréatique du Tensift.

La modélisation a été utilisée comme outil pour améliorer la compréhension des processus physiques et biologiques observés pendant la campagne pluridisciplinaire DYNAPROC 2 (DYNamique des PROCessus rapides dans la colonne d'eau) qui a eu lieu dans la zone centrale de la mer Ligure en septembre-octobre 2004. Cette campagne avait pour objectif l'étude des phénomènes physiques et biologiques qui agissent à courte échelle de temps lors de la transition saisonnière entre l'oligotrophie estivale et la mésotrophie automnale. L'un des éléments les plus marquants de la campagne est le passage de deux lentilles d'eau dessalée dans la zone de mesure que l'on pensait être isolée des apports latéraux. Dans ce travail, nous avons dans un premier temps appliqué un modèle 1D couplé physique-biologie aux données de la campagne. Le réseau trophique simulé comporte dix variables d'états : trois sels nutritifs, trois classes de phytoplancton, deux classes de zooplancton et deux types de détritus. Les résultats ont montré que les principales différences entre ce modèle et les mesures avaient lieu pendant les intrusions d'eau dessalée. Dans un deuxième temps, nous avons testé deux méthodes d'assimilation de données : une méthode classique de relaxation aux données de température et une méthode que nous avons développée, qui est basée sur l'assimilation des variations de profondeur des isopycnes (méthode IDA, Isopycnal Depth Adjustment). L'évaluation des performances relatives des trois modèles a été effectuée avec des diagrammes de Taylor et a montré que le modèle IDA était le plus performant dans la représentation des évènements observés. Cette étude a permis de caractériser les propriétés de la masse d'eau dessalée, de calculer les flux de matière journaliers et de définir les contributions relatives de la physique et de la biologie à l'évolution de la zone productive au large de la mer Ligure.

La thèse s'attache à l'étude des processus hydrodynamiques et hydro-sédimentaires ``cross-shore'' affectant la morphodynamique des plages sableuses dissipatives soumises à l'action des vagues, de la marée et des rechargements artificiels. La méthode choisie, qui s'appuie sur la modélisation numérique déterministe, couple le modèle de propagation de vagues FUNWAVE basé sur les équations complètement non linéaires de Wei et al. avec deux modèles de transport sédimentaire et un module d'évolution morphologique. Le premier modèle de transport, 1DH, intègre la vitesse près du fond corrigée par Lynett et la formule de transport sédimentaire total de Bailard. Le second modèle, pseudo-2DV, est une juxtaposition de modèles 1DV de turbulence exprimée en coordonnée sigma. Ce double outil est validé par des mesures de laboratoire (principalement dans le canal Delta Flume du Delft Hydraulics aux Pays-Bas) et in situ sur la plage de Pentrez en baie de Douarnenez (Finistère). Il reproduit bien la propagation des vagues, la distribution verticale des vitesses et des concentrations de sédiments en suspension, et de manière satisfaisante en dépit d'un lissage excessif l'évolution morphologique comme le mouvement des barres. La version 1DH, plus stable et moins coûteuse en temps calcul que la version pseudo-2DV, a été appliquée pour quantifier l'influence des différents paramètres sur la morphodynamique de plages planes soumises à l'action conjuguée des vagues et de la marée. Les résultats des simulations sont conformes au modèle descriptif de Masselink et Short. Finalement, ce modèle 1DH a été mis en oeuvre pour explorer l'évolution de rechargements artificiels et esquisser quelques recommandations préliminaires sur leur pratique.

Les échanges entre le carbone de l'atmosphère et les autres réservoirs (océan, biosphère terrestre...) étaient équilibrés jusqu'à l'ère industrielle. Depuis 1850, les activités anthropiques telles que la déforestation, l'élevage intensif et surtout la combustion d'énergies fossiles émettent en grande quantité CO2 et CH4 dans l'atmosphère. L'équilibre rompu provoque une augmentation de la teneur en carbone dans l'atmosphère. Cette augmentation devrait être plus importante mais il semble qu'une partie du carbone rejeté par la combustion de combustibles fossiles est absorbée par certaines régions de l'océan, des zones « puits ».<br />Les échanges de CO2 entre océan et atmosphère sont régis par les lois physicochimiques et répondent à des besoins biologiques. Les processus physicochimiques vont faire tendre les teneurs en carbone de l'océan et de l'atmosphère vers un équilibre variant selon la température et la surface de mélange qui est liée à l'intensité du vent. Des processus biologiques interviennent aussi dans les échanges de carbone entre l'océan et l'atmosphère. La couche de surface océanique reste sous-saturée en carbone car les floraisons algales consomment une partie du carbone dissous, par photosynthèse. Une partie de cette biomasse sédimente et emporte ainsi du carbone vers les couches océaniques profondes. A l'issue de la sédimentation une partie du carbone est séquestrée dans les eaux profondes et une moyenne de 0.3 % du carbone produit en surface est intégrée aux sédiments. C'est le principe de la pompe biologique qui augmente le transfert de CO2 vers l'océan profond.<br />Certaines algues unicellulaires favorisent plus que d'autres la sédimentation du carbone. Ces microalgues peuvent être lestées par des minéraux ou s'intégrer à des particules plus grosses qui sédimentent rapidement. Il existe deux types de ballasts biogéniques, la silice biogénique (BSiO2) principalement formée par les diatomées et le carbonate de calcium (CaCO3) formé majoritairement par les coccolithophoridés. La domination de la production primaire océanique par les diatomées, leur capacité à intégrer de grosses particules ainsi que leur position à la base d'une chaîne alimentaire saine, semblent faire des diatomées le participant majeur de la pompe biologique de carbone. Ceci est en contradiction avec les récentes exploitations des bases de données de flux de particules dans l'océan qui attribuent ce transfert aux coccolithophoridés. Cette incertitude a, en grande partie, motivé le présent travail.<br />Les diatomées ont besoin de l'acide orthosilicique (DSi) pour construire leur frustule, or, la disponibilité de la DSi dans l'océan global dépend essentiellement de la profondeur de recyclage de la BSiO2. A la fin d'un bloom, de nombreuses diatomées sédimentent sous la forme d'agrégats. L'agrégation des diatomées influence non seulement le recyclage de la BSiO2 dans les eaux océaniques de surface, mais aussi la sédimentation et la préservation de la BSiO2 sur le plancher océanique. Les diatomées agrégées sédimentent en effet rapidement le long de la colonne d'eau, ce qui laisse peu de temps à la dissolution. Les expériences en laboratoire présentées dans cette étude, ont exploré l'influence de l'agrégation sur la vitesse de dissolution de la BSiO2. Des agrégats monospécifiques ont été formés à partir de trois espèces différentes de diatomées, des Chaetoceros decipiens, des Skeletonema costatum, et des Thalassiosira weissflogii. Les vitesses de dissolution de la BSiO2 des cellules de diatomées de la même culture ont été mesurées pour des cellules agrégées et libres, puis comparées. Les vitesses de dissolution initiales des frustules de diatomées étaient significativement plus faibles pour les cellules agrégées (4.6 an-1) que pour les cellules libres (14 an-1). Les vitesses de dissolution plus lentes de la BSiO2 des agrégats ont été attribuées (1) aux concentrations élevées en DSi dans les agrégats (entre 9 et 230 µM) comparativement au milieu environnant les cellules libres, (2) à une plus forte viabilité des cellules agrégées et (3) à un nombre de bactéries par diatomées plus faible dans les agrégats. Les variations des vitesses de dissolution entre les différents agrégats semblent s'expliquer par des concentrations en TEP variables selon les agrégats.<br />Les processus biogéochimiques internes des agrégats sont fort peu connus. La diminution de la vitesse de sédimentation observée dans les expériences de laboratoire, pourrait n'être qu'apparente si seule la diffusion de l'acide orthosilicique (DSi) depuis l'intérieur vers l'extérieur de l'agrégat était ralentie. En effet de fortes concentrations en DSi ont été mesurées à l'intérieur des agrégats. Nous présentons un modèle qui décrit la dissolution de la BSiO2 dans un agrégat ainsi que la diffusion de la DSi depuis l'intérieur de l'agrégat vers le milieu environnant. Ce modèle simule l'évolution des concentrations internes en DSi et BSiO2, ainsi que l'accumulation de DSi dans le milieu environnant l'agrégat. La vitesse de dissolution est dépendante de l'écart à l'équilibre, qui décroît avec le temps à mesure que la concentration interne en DSi augmente suite au processus de dissolution, ainsi que de la viabilité des cellules, puisque seules les cellules mortes se dissolvent. Ce modèle permet de montrer que seule la combinaison d'une dissolution réellement ralentie et d'une diffusion également ralentie, permet de reproduire les concentrations internes et externes en DSi. Il est suggéré que le ralentissement de la diffusion pourrait être dû à une association étroite entre la DSi et les TEP. Le ralentissement de la dissolution est quant à lui, attribué pour 16 – 33% à la forte teneur en DSi au sein de l'agrégat et pour 33-66%, à une viabilité plus longue des diatomées agrégées.<br />Au vu de l'importance des diatomées dans les processus de sédimentation de la matière organique (carbone et BSiO2), nous avons utilisé les résultats précédents dans le but d'établir un modèle simplifié des flux de BSiO2 dans la colonne d'eau. Le flux de sédimentation est décrit comme étant majoritairement composé d'agrégats, mais aussi de cellules libres et de pelotes fécales, les résultats expérimentaux de mesures de vitesses de dissolution de la BSiO2 dans les cellules libres, les agrégats et les pelotes fécales sont ainsi combinés avec des mesures in situ de production de BSiO2 et de flux de BSiO2 dans les eaux profondes de neuf provinces biogéochimiques de l'océan. La comparaison des sorties du modèle et des mesures in situ permet de déterminer la composition du flux de sédimentation en qualité (vitesse de sédimentation) et en quantité (répartition de la BSiO2 entre les cellules libres et les grosses particules). Nous déterminons ainsi que 40% à 90% de la BSiO2 produite en surface, se dissout avant la profondeur maximale de la couche de mélange. Le recyclage domine dans tous les sites quelle que soit la vitesse de sédimentation calculée. L'intensité du recyclage en surface est attribuée à la capacité des cellules à rester libres. Indépendamment de leurs ballasts (BSiO2), les diatomées qui ne sédimentent pas sous la forme d'agrégats ou de pelotes fécales de gros brouteurs vont se dissoudre à de faibles profondeurs. Le modèle permet d'obtenir des informations sur la dynamique des particules puisque nous avons pu déterminer que 200 m est une profondeur maximum optimale pour la couche de mélange, à laquelle les processus de terminaison des blooms tels que l'agrégation et le broutage semblent favorisés.<br />Notre aptitude à comprendre et à prévoir le rôle de l'océan dans le cycle global du carbone et sa réponse aux changements climatiques, dépend fortement de notre capacité à modéliser le fonctionnement de la pompe biologique à l'échelle globale. En dépit des nombreux progrès réalisés, les mystères entourant la pompe biologique de carbone sont loin d'être éclaircis. Dans cette thèse, la pompe biologique correspond à l'ensemble des mécanismes qui assurent le transfert d'une partie de la production primaire marine vers des profondeurs excédant la profondeur de la couche de mélange hivernale, de sorte que le carbone ne sera plus échangé avec l'atmosphère avant quelques décennies ou quelques siècles, c'est-à-dire sur des échelles de temps relevant de celle associée au changement climatique.<br />La profondeur de la couche de mélange hivernale se situe, selon les régions, entre 50 et 500 mètres avec quelques pointes vers 800 m (Levitus, 1994). Il s'agit là des profondeurs correspondant à la zone mesopélagique dont nous savons peu de choses puisque les flux de matière in situ sont étudiés à l'aide des pièges à particules qui fonctionnent très mal dans cette zone. Ces incertitudes dans les estimations des flux se reflètent dans les hypothèses sur les mécanismes de la pompe biologique et sur ses variations spatio-temporelles, comme le montre notre démonstration fondée sur les concepts d'export hors de la couche de mélange et d'efficacité de transfert à travers la zone mesopélagique.<br />Dans cette étude, nous avons voulu évaluer le véritable rôle des diatomées dans la pompe biologique de carbone. Toute la question est de savoir à quelle profondeur le carbone transporté par les diatomées est reminéralisé : au dessus ou au dessous de la couche hivernale de mélange ? <br />Récemment, les modèles globaux ont incorporé une description plus mécanistique des flux, en remplaçant les exponentielles décroissantes par une compétition entre la vitesse de chute des particules et leur vitesse de reminéralisation. Nous présentons dans cette thèse, une approche dans laquelle les flux de carbone au bas de la couche hivernale de mélange ont été calculés à partir de la reconstitution des flux de BSiO2 présentée précédemment et d'une relation empirique décrivant l'évolution du rapport Si:C avec la profondeur dans différentes provinces biogéochimiques. En combinant les flux de BSiO2 avec cette équation, il est possible de reconstruire les flux de carbone à n'importe quelle profondeur et de calculer des efficacités d'export ou de transfert à travers la zone mesopélagique. L'idée est simple : l'utilisation des flux de Si comme traceur des flux de C permet de s'affranchir des difficultés liées à la chimie complexe à laquelle est soumis le C. Par ailleurs, s'il s'avère impossible de reconstruire les flux de C à partir des flux de Si dans l'océan moderne, l'utilisation de la BSiO2 des sédiments comme paleotraceur de la productivité passée sera d'autant plus compromise. <br />Les flux reconstruits à partir de cette approche semi-mécanistique sont plus faibles que ceux dérivés des algorithmes précédemment publiés et la proportion de carbone exporté diminue lorsque la productivité augmente. Cette reconstruction rappelle l'importance de la saisonnalité. Elle a des implications pour notre compréhension du fonctionnement de la pompe biologique dans l'océan actuel et pour nos interprétations des enregistrements paléocéanographiques sur son fonctionnement dans l'océan passé. Le rôle attribué aux diatomées ou aux coccolithophoridés dans l'export ou le transfert plus profond de carbone, est fortement dépendant de la façon avec laquelle l'export hors de la couche de surface est estimé.

La banquise arctique est une plaque de glace flottant à la surface de l'océan sur plusieurs millions de km2. La variation spatiale et temporelle de son épaisseur contrôle les échanges d'énergie mécanique et thermique entre l'atmosphère et l'océan. De ce fait, la banquise est une sorte d'isolant pour l'océan arctique, qui lui même joue un rôle déterminant dans la circulation thermohaline de l'océan mondial, et par voie de conséquence sur le climat de la planète.<br />On observe une disparition significative et progressive de la banquise depuis environ un demi siècle, disparition qui s'est accélérée au cours des dernières années, a tel point qu'elle dépasse les prévisions les plus alarmistes des modèles les plus sophistiqués.<br />Nous montrons dans cette thèse que cette sous-estimation pourrait être le résultat de l'utilisation d'un cadre de modélisation inadéquat : en considérant la banquise comme un milieu continu fluide, les modèles actuels ne parviennent pas a reproduire, entre autres, les propriétés d'intermittence et d'hétérogénéité de son champs de déformation que nous mettons en évidence. De ce fait, la fracturation de la banquise, bien que largement observable sur le terrain et/ou par satellite, n'est pas correctement reproduite. Or, elle apparait comme essentielle au regard de son contrôle sur le caractère isolant décrit plus haut.<br />Dans ce travail, nous suggérons également d'adopter un nouveau schéma de modélisation, considérant la banquise comme une plaque rigide ayant un comportement mécanique elasto-fragile.