Discriminer l'influence des activités humaines de celle des processus naturels sur les changements environnementaux récents est un enjeu scientifique important. Dans ce but, les mollusques et les foraminifères fossiles des Pertuis Charentais (ouest de la France) ainsi que les sédiments déposés pendant l'Holocène dont ils sont issus ont été étudiés. L'objet d'étude central est un drapage vaseux qui constitue une grande partie du comblement sédimentaire terminal des Pertuis. Les résultats obtenus montrent qu'il est composé de sédiments fins d'origine continentale déposés à partir de 1400 AD. Il est la conséquence d'une augmentation de l'érosion des sols, favorisée par la déforestation entreprise au Moyen-Age. Le taux de sédimentation de cette vase a augmenté brutalement, suite à une période d'augmentation des précipitations hivernales à la fin du Petit Age Glaciaire qui a accéléré l'érosion des sols sur ces territoires fragilisés car déforestés. Le dépôt brutal de sédiments fins dans les Pertuis Charentais a eu peu de répercussions sur les communautés de mollusques benthiques, excepté l'extinction locale du bivalve \textit{Lepton squamosum} de la baie de Marennes-Oléron. En revanche, l'augmentation des apports sédimentaires a été à l'origine d'une succession écologique au sein des communautés de foraminifères (résistance - perturbation - adaptation). Les résultats obtenus démontrent comment des milieux perturbés par les activités humaines deviennent plus sensibles aux changements climatiques. Ils soulignent aussi le potentiel de la paléoécologie dans la compréhension des changements environnementaux récents dans les zones côtières à une échelle millénaire à séculaire.

Dans le contexte de la hausse actuelle du niveau marin, la détermination du mouvement vertical à la côte est cruciale pour deux principales raisons. D'une part, parce qu'il est enregistré dans la mesure marégraphique et constitue une source d'incertitude dans l'estimation des variations long terme du niveau marin (suivant les auteurs ces variations sont de l'ordre de 1 à 2 mm/an de montée au cours du siècle passé). Et d'autre part, parce que les processus de subsidence à la côte sont un facteur aggravant des effets de la montée du niveau marin avec parfois des taux qui résultent en une montée relative du niveau marin de l'ordre de 1 cm/an, soit des projections de 1 mètre en un siècle, sans accélération des contributions climatiques actuelles. Cette thèse de doctorat s'attaque à la détermination des mouvements verticaux à la côte par GPS et par une méthode originale de combinaison des données de marégraphie et d'altimétrie radar embarquée sur satellite. La méthode proposée ici est basée sur celle de Kuo et al. (2004), reprise et étendue en appliquant un filtrage spatio-temporel issu de l'analyse EOF des deux types de séries de données. La méthode est appliquée dans le Golfe du Mexique sur la période 1950-2009 en utilisant les quinze séries marégraphiques de plus de 40 ans d'observations disponibles dans la région au PSMSL et les séries altimétriques mises à disposition dans AVISO sur la période 1992-2009. La comparaison avec les mouvements verticaux issus des cinq séries de positions de stations GPS co-localisées avec marégraphes montre un écart moyen quadratique sur les différences de 0.60 mm/an révélant la grande précision de la nouvelle approche. Les séries temporelles GPS ont préalablement fait l'objet d'une analyse poussée du bruit et des incertitudes associées, légitimant l'utilisation des séries GPS dans la correction des tendances du niveau marin obtenues des marégraphes. Les incertitudes obtenues des vitesses verticales GPS sont de l'ordre de 0.5 mm/an ce qui est significativement inférieur à d'autres analyses de ce type. La méthode altimétrie moins marégraphie mise au point offre donc des perspectives intéressantes dans la détermination précise des mouvements verticaux côtiers où il n'existe pas de mesures géodésiques.

Au cours des dernieères décennies, l′ étude des paléoenvironnements de l′ Hemisphere Sud s′ est développée avec les informations fournies par l′ analyse des carottes de glace polaires et plus récemment à partir des carottes de glace prélevées dans les Andes. Bien que les zones tropicales et subtropicales de l′ Amérique du Sud jouent un rôle ma jeur dans la chimie atmosphérique globale en raison de l′ existence de réservoirs importants, les échanges entre l′ équateur et les hautes latitudes sud restent encore peu documentés. Même si d′ autres archives apportent des informations sur le climat passé, il existe peu de données de la composition atmosphérique des moyennes latitudes de l′ Hémisphère Sud, aussi bien en termes de variabilité naturelle que d′ impact anthropique. Ce travail est basé sur l′ analyse d'une carotte de glace de 122 m extraite d′ un site d′ altitude en Patagonie (Monte San Valentin 46◦ 35′ S, 73◦ 19′ O, 3723 m). Outre l′ établissement de profils à haute résolution des ions minéraux et organiques obtenus par chromatographie ionique, nous avons réalisé une étude des précipitations susceptibles d′ influencer le site, fournissant ainsi une base pour l′ interprétation de l′ archive de glace. Ce site se caractérise par l′ enregistrement d′ événements à caractère marin et continental. Nous avons démontré que, sur ce glacier, les contributions marines primaires et secondaires ne sont pas synchrones et qu′ elles sont très probablement sousreprésentées dans le profil en raison de processus d'accumulation. Contrairement au sel de mer, une partie importante des aérosols biogéniques marins est associée à un apport influencé par des contributions continentales diluées. L′ apport continental est complexe : il est composé d′ événements ponctuels de combustion, de retombées volcaniques et d′ émissions par les sols. Il correspond à presque la moitié de la quantité totale de sulfate déposé. Cette contribution importante et omniprésente de sulfate est associée au nitrate et au chlorure, mais mieux cerner son origine nécessiterait des recherches plus poussées. La comparaison de notre archive glaciochimique avec des éruptions volcaniques datées et le début de la colonisation en Patagonie nous a permis de proposer quelques repères pour la datation de la carotte, qui reste à ce jour encore incertaine. Enfin, aucune tendance anthropique claire n′ a été décelée à partir de l′ évolution du bruit de fond des espèces continentales, excepté l′ ammonium, lui pouvant être mis en relation avec l′ utilisation croissante d′ engrais après les années 1960.

Les chondrites carbonées de type 1 et 2 comprennent les météorites les plus primitives d'un point de vue chimique et pétrologique. Ce caractère primitif est associé à l'abondance de matière organique qui est une phase privilégiée pour l'étude des phénomènes concernant l'héritage du matériel présolaire et sa transformation dans la nébuleuse puis sur les premiers corps. L'objet de cette thèse est l'étude de l'influence des processus post-accrétionnels sur les caractéristiques moléculaires de la matière organique et en particulier la mesure des effets d'oxydation dus à l'altération aqueuse. Nous avons mené une étude comparative basée sur la structure carbonée et l'analyse des fonctions oxygénées et soufrées d'une dizaine de météorites dont les histoires géologiques ont été déterminées par ailleurs. Le degré d'oxydation du soufre, hétéroatome mineur dans la fraction insoluble, a été mesuré par micro-spectrométrie SK-Xanes. La spectroscopie FT-IR a permis la description des structures fines des chaines carbonées et des fonctions riches en oxygène, hétéroatome majeur. La spectrométrie de masse à très haute résolution Orbitrap a été utilisée pour décrire la diversité hétéroatomique des molécules solubles de la chondrite Renazzo (CR2). Les chaines carbonées des chondrites de classe CI et Murchison se différencient de celle des autres météorites par une abondance en groupements terminaux méthyles à la fois supérieure et invariable. Les chondrites de type 1 sont les seules porteuses de fonctions soufrées oxydées acides alors que la spéciation du soufre dans les chondrites de type 2 est invariable. De la même façon, et cette fois pour l'ensemble des chondrites étudiées, les groupements carbonyles sont majoritairement dans les fonctions cétones, en proportion indépendante du degré d'altération aqueuse. Tous les paramètres mesurés dans cette étude nous poussent à conclure que la variabilité moléculaire au sein des chondrites carbonées de type 1 et 2 trouve moins son origine dans l'empreinte de l'hydrothermalisme que dans une hétérogénéité du précurseur organique accrété par chaque corps parent. En particulier, nos mesures invalident l'hypothèse selon laquelle l'altération serait à l'origine d'une conversion oxydative des chaines carbonées en fonctions acides carboxyliques.

L'évolution des polluants dans l'atmosphère dépend de phénomènes variés, tels que les émissions, la météorologie, la turbulence ou les transformations physico-chimiques, qui ont des échelles caractéristiques spatiales et temporelles très diverses. Il est très difficile, par conséquent, de représenter l'ensemble de ces échelles dans un modèle de qualité de l'air. En particulier, les modèles eulériens de chimie-transport, couramment utilisés, ont une résolution bien supérieure à la taille des plus petites échelles. Cette thèse propose une revue des processus physiques mal représentés par les modèles de qualité de l'air, et de la variabilité sous-maille qui en résulte. Parmi les méthodes possibles permettant de mieux prendre en compte les différentes échelles, deux approches ont été développées : le couplage entre un modèle local et un modèle eulérien, ainsi qu'une approche statistique de réduction d'échelle. Couplage de modèles L'une des principales causes de la variabilité sous-maille réside dans les émissions, qu'il s'agisse des émissions ponctuelles ou du trafic routier. En particulier, la taille caractéristique d'un panache émis par une cheminée est très inférieure à l'échelle spatiale bien résolue par les modèles eulériens. Une première approche étudiée dans la thèse est un traitement sous-maille des émissions ponctuelles, en couplant un modèle gaussien à bouffées pour l'échelle locale à un modèle eulérien (couplage appelé panache sous-maille). L'impact de ce traitement est évalué sur des cas de traceurs passifs à l'échelle continentale (ETEX-I et Tchernobyl) ainsi que sur un cas de photochimie à l'échelle de la région parisienne. Différents aspects sont étudiés, notamment l'incertitude due aux paramétrisations du modèle local, ainsi que l'influence de la résolution du maillage eulérien. Réduction d'échelle statistique Une seconde approche est présentée, basée sur des méthodes statistiques de réduction d'échelle. Il s'agit de corriger l'erreur de représentativité du modèle aux stations de mesures. En effet, l'échelle de représentativité d'une station de mesure est souvent inférieure à l'échelle traitée par le modèle (échelle d'une maille), et les concentrations à la station sont donc mal représentées par le modèle. En pratique, il s'agit d'utiliser des relations statistiques entre les concentrations dans les mailles du modèle et les concentrations aux stations de mesure, afin d'améliorer les prévisions aux stations. L'utilisation d'un ensemble de modèles permet de prendre en compte l'incertitude inhérente aux paramétrisations des modèles. Avec cet ensemble, différentes techniques sont utilisées, de la régression simple à la décomposition en composantes principales, ainsi qu'une technique nouvelle appelée "composantes principales ajustées". Les résultats sont présentés pour l'ozone à l'échelle européenne, et analysés notamment en fonction du type de station concerné (rural, urbain ou périurbain).

La contamination des milieux aquatiques urbains se caractérise aujourd'hui par un mélange de micropolluants d'origines et de types variés. Les conséquences de ce type de contamination, multiples mais faibles et chroniques, sur les écosystèmes aquatiques sont difficiles à évaluer. En effet, il est difficile d'une part de dresser un état des lieux précis de la contamination et d'autre part, de relier cette contamination à la réponse biologique des organismes exposés puisqu'elle n'engendre pas nécessairement des effets visibles et immédiats. Cette étude a pour objectif de développer une méthodologie permettant d'utiliser le périphyton pour évaluer l'impact d'une contamination urbaine typique. Les biofilms sont des communautés aquatiques complexes jouant un rôle primordial dans le fonctionnement des écosystèmes aquatiques. Leur réponse biologique à une perturbation peut s'évaluer au niveau structurel comme au niveau fonctionnel. Une première étape de ce travail a consisté à développer d'une part un test de toxicité aiguë permettant d'évaluer la tolérance de la composante hétérotrophe des biofilms selon le concept PICT, et d'autre part l'utilisation de la technique d'empreinte génétique ARISA pour évaluer des modifications de structure des communautés bactériennes et eucaryotes des biofilms. Les méthodologies développées ont ensuite été testées au laboratoire par des expositions de périphyton à des métaux à des concentrations environnementales. Par la suite, elles ont pu être déployées in situ : d'abord dans un gradient de contamination multi-métallique sur la Seine avec des prélèvements ponctuels de biofilms naturels ainsi qu'une expérience de transposition (amont/aval de l'agglomération parisienne). Enfin, le lien entre la tolérance du périphyton et la contamination métallique globale du milieu a été exploré à l'échelle d'un bassin versant. Les résultats sont prometteurs quant à l'utilisation du périphyton pour évaluer l'impact d'une contamination urbaine

Dans cette thèse, nous présentons une quantification de la déformation en cours du sud des Balkans et de la Méditerrnée centrale et orientale par GPS. Le champs de vitesses a été déduit de l'analyse de données issues de 225 stations GPS permanentes ou épisodiques pour la période 1996-2009. Ce champs de vitesse est analysé et discuté pour essayer de déterminer si le champ de vitesse est continu ou si, au contraire, des blocs stables peuvent être individualisés. La déformation actuelle du sud-ouest de la Bulgarie et du nord de la Grèce ont été particulièrement étudiés à partir de mesures réalisées de 1996 à 2008. Cette région est particulièrement active comme le montre la sismicité historique et en particulier le séisme de Krupnik en 1904 (sud-ouest de la Bulgarie) qui fut un séisme parmi les plus destructeur en Europe continentale au cours des deux derniers siècles. Le nord de la Grèce est quant à lui caractérisé par des séismes destructeurs de M > 6. Les résultats obtenus montrent l'existence de déplacements vers le sud par rapport à l'Eurasie stable s'accroissant du Nord (2mm/an) vers le sud de la région étudiée (10 mm/an). Les tenseurs de taux de déformation sont présentés et discutés à la lumière de la déformation exprimée lors des séismes. Ces deux types d'information montrent tous deux une prédominance d'une extension Nord-sud en accord avec les données géologiques (présence de grabens Est-Ouest) et les modèle proposés pour la Méditerranée centrale et orientale. A l'ouest des Balkans, la déformation actuelle de l'Albanie s'exprime par des nombreux indices néotectoniques et une sismicité importante présentant de nombreux séismes historiques destructeurs. Données géologiques et sismotectoniques montrent d'une part l'existence d'un raccourcissement dans les Albanides externes et d'autre part une extension Est-Ouest et Nord -Sud dans les Albanides externes. Les vitesses de déplacements ont été quantifiées par GPS continu et épisodiques à partir de 2003. Ces vitesses ainsi que les mécanismes au foyer montrent un raccourcissement en cours à travers l'Adriatique (déplacements des Albanides externes vers l'ouest par rapport à la plaque Apulie), et un déplacement vers le sud des Albanides internes à la fois par rapport à la plaque Apulie et à la plaque Eurasie. La zone de failles Skutar-Pesh entre Albanides et Dinarides semble former la limite nord de la zone affectée par un déplacement vers le sud par rapport à l'Eurasie comprenant l'est de l'Albanie, la Macédoine, la Bulgarie et la Grèce. Les Albanides externes semblent être segmentées par des failles transverses actives (faille de Lezhë et de l'ile d'Othoni et du col de Dhërmi) associées à une importante sismicité historiques. Les Albanides internes sont affectées à la fois par une extension Nord-sud le long de la faille d'Elbasani-Diber, du graben de Korca et par une extension est-ouest de part et d'autre du graben d'Ohrid. Le domaine affecté par un déplacement vers le sud est donc limité à l'ouest par la transition antre les Albanides externes et les Albanides Internes et au nordouest par la faille de Skutar-Pesh qui se poursuit en Macédoine. Sur l'ensemble du domaine étudié, notre analyse du champ de vitesse nous conduit à privilégié l'hypothèse d'une déformation continue au détriment d'une déformation localisée aux frontières de blocs stables.

La méthode SCHADEX (Simulation Climato-Hydrologique pour l'Appréciation des Débits EXtrêmes) est, depuis 2007, la méthode de référence pour le calcul de la crue de projet servant au dimensionnement des évacuateurs des barrages d'EDF (Électricité De France). Cette méthode vise à estimer les quantiles extrêmes de débits par un procédé de simulation stochastique qui combine un modèle probabiliste de pluie et un modèle hydrologique pluie-débit. L'objectif principal de cette thèse est la " validation " de la méthode SCHADEX, la compréhension de ses possibilités et de ses limites, notamment par des études de sensibilité aux hypothèses sous-jacentes et par sa confrontation à la plus large gamme possible d'observations (régions et climats contrastés, taille variable de bassins versants). La première étape de ce travail a porté sur la description probabiliste des événements pluvieux générateurs de crues, avec notamment l'introduction d'une distribution des pluies observées conditionnée par type de temps (distribution MEWP, Multi-Exponential Weather Patterns). Pour valider ce modèle probabiliste, nous avons comparé ses résultats à ceux de modèles classiques de la théorie des valeurs extrêmes. En nous appuyant sur une large base de données de stations pluviométriques (478 postes localisés en France, Suisse et Espagne) et sur une technique de comparaison orientée vers les valeurs extrêmes, nous avons évalué les performances du modèle MEWP en soulignant la justesse et la robustesse de ses estimations. Le procédé de simulation hydrologique des volumes écoulés suite à des événements pluvieux intenses (processus de simulation semi-continue) a été décrit en soulignant son caractère original et parcimonieux du point de vue des hypothèses d'extrapolation nécessaires, et sa capacité à extraire le maximum d'information des séries chronologiques traitées. En nous appuyant sur une base de données de 32 bassins versants, nous avons analysé la sensibilité de cette méthode (i) à ses paramètres de simulation (i.e. nombre de tirages, etc.), (ii) au modèle probabiliste de pluie et (iii) au modèle hydrologique pluie-débit. Cette étude nous a permis de figer certains paramètres de simulation et surtout de hiérarchiser les étapes et les options de simulation du point de vue de leurs impacts sur le résultat final. Le passage des quantiles extrêmes de volumes à ceux des débits de pointe est réalisé par un facteur multiplicatif (coefficient de forme), identifié sur une collection d'hydrogrammes. Une sélection de ces hydrogrammes par une approche semi-automatique, basée sur une technique d'échantillonnage sup-seuil, a été développée. Globalement, ce travail a permis de reformuler, justifier et vérifier les hypothèses de base de la méthode, notamment celles liées à l'aléa pluviométrique ainsi qu'à l'aléa " état hydrique " du bassin versant, et celles liées au procédé de simulation hydrologique semi-continue des écoulements. Des améliorations et des simplifications de certains points de la méthode ont aussi été proposées pour des estimations de débit extrêmes plus fiables et robustes. Une adaptation de la classification des journées par type de temps a été proposée pour étendre le calendrier de référence, de 1953-2005 à 1850-2003, en exploitant des informations simplifiées sur les champs de pression. La procédure de simulation hydrologique a été améliorée, notamment en conditionnant le tirage des épisodes pluvieux au type de temps, ce qui permet de mieux prendre en compte la dépendance pluie- température. Ces travaux ne mettent certainement pas un point final au développement de la méthode SCHADEX mais la fondent sur des bases méthodologiques saines et documentées. Ils proposent des perspectives de recherche sur des thématiques variées (e.g. prise en compte de variabilité de la forme des hydrogrammes de crue pour le passage au débit de pointe, modélisation hydrologique, estimation de crues extrêmes en bassins non jaugés ou en contexte non-stationnaire).

Ce travail de thèse vise à progresser dans la compréhension et la prévision des épisodes de pluies intenses en région méditerranéenne. Cet objectif a été poursuivi sous deux angles. Nous avons tout d'abord documenté les propriétés de l'alimentation en vapeur d'eau des systèmes fortement précipitants méditerranéens en identifiant son origine et les caractéristiques de son transport à l'aide de simulations de mésoéchelle. Sur un ensemble de 10 épisodes, diverses sources d'humidité ont été identifiées et leur contribution respective caractérisée. Les trajectoires privilégiées du transport d'humidité depuis les sources extérieures lointaines et au-dessus de la Méditerranée ont été déterminées. Nous avons ensuite cherché à améliorer la description de l'humidité dans les modèles de prévision numérique du temps à échelle convective en proposant de nouveaux opérateurs d'observation plus réalistes pour l'assimilation des radiances satellitaires infrarouges. Cela a permis d'améliorer la simulation des équivalents-modèle de ces mesures dans la bande spectrale vapeur d'eau en filtrant les gradients d'humidité de fine échelle.

L'Arctique est une région qui malgré l'absence et l'éloignement de sources d'émission de polluants, est l'une des plus touchées par le transport à longue échelle de la pollution, qui peut affecter les niveaux de fond de pollution et qui influence le changement climatique à l'échelle régionale et mondiale. Malgré l'amélioration des systèmes d'observations et des modèles numériques durant ces dernières décennies, il reste encore difficile de reproduire les épisodes de pollution observés en Arctique notamment en été. Une explication possible est la sous-estimation de la production d'ozone (O3) modélisée dans les panaches des feux de forêt. Le monoxyde de carbone (CO) est utilisé comme un traceur du transport de la pollution du fait de sa longue durée de vie (plusieurs semaines) dans la troposphère. Ce gaz est produit par la combustion des énergies fossiles et des feux de biomasse. De plus, étant régulé par sa réaction avec le radical OH, il joue aussi un rôle important dans le bilan de l'O3 troposphérique. Le but de mes travaux de thèse a donc été de contribuer à une meilleure compréhension du transport et des mécanismes chimiques de formation des polluants secondaires dans la troposphère arctique. Pour cela j'ai utilisé en parallèle les nouvelles mesures de CO de l'instrument satellitaire IASI qui a été lancé en octobre 2006 à bord du satellite MetOp-A et les données récoltées par des avions instrumentés lors des campagnes POLARCAT de l'Année Polaire Internationale (API), au printemps et en été 2008. Les observations CO IASI ont tout d'abord été validées en les comparant avec les mesures aéroportées in situ montrant leurs capacités à observer des panaches de signatures élevées en CO comme près des régions sources. Le deuxième volet de la thèse illustre l'apport de l'assimilation (filtre de Kalman) des mesures quotidiennes de CO IASI dans le modèle global LMDz-INCA dans l'amélioration de notre compréhension sur les émissions et des chemins de transport des polluants influençant sur la troposphère arctique. L'assimilation a ainsi permis d'améliorer la modélisation des épisodes de pollution en CO dans la troposphère libre arctique. Enfin les résultats du modèle ont également été évalués en utilisant les observations POLARCAT et utilisés pour examiner la sensibilité des concentrations de polluants en Arctique (à savoir une surestimation de la distribution de l'O3 et une sous-estimation de celle du PAN) provenant des différentes régions et en particulier des feux de forêt boréale.