La neige est la surface terrestre la plus réfléchissante et sa présence sur de vastes étendues comme l'Antarctique affecte considérablement le bilan énergétique de la Terre. L'albédo de la neige dépend de ses propriétés physiques, et notamment de sa surface spécifique, c'est-à-dire de la surface totale de ce milieu poreux accessible aux gaz, par unité de masse. La surface spécifique (SS) est également une variable importante pour la chimie des interactions neige-atmosphère, car elle permet de quantifier les molécules adsorbées. Cependant, faute de méthodes simples pour la mesurer, la SS de la neige antarctique a été très peu étudiée. Un des objectifs de ce travail a été de concevoir et de mettre au point un nouveau dispositif expérimental pour mesurer la SS de la neige à partir de sa réflectance dans l'infra-rouge. Ce dispositif permet une mesure rapide avec une précision de 10 % et il est facile à mettre en œuvre dans les conditions hostiles des régions polaires. Nous avons ainsi réalisé les premières mesures de SS de la neige de surface sur le plateau Antarctique, à Dôme C (DC) et sur le trajet entre DC et la base côtière de Dumont D'Urville (DDU). Ces mesures ont été effectuées dans des puits d'environ un mètre de profondeur. Des suivis de l'évolution journalière de la SS ont également été réalisés. Il a été mis en évidence que les propriétés physiques de la neige sont spatialement inhomogènes à l'échelle de quelques mètres sur le plateau Antarctique car l'accumulation y est très faible et le vent remobilise la neige de surface, pour la redéposer en couches discontinues. Des hétérogénéités sont aussi observées entre DC et DDU, à cause notamment de l'augmentation de la vitesse du vent lorsque l'on se rapproche de la côte. A l'échelle journalière, les variations de la SS de la neige observées pour les deux premiers centimètres du manteau neigeux s'expliquent par la formation de givre de surface la nuit et de cristaux de sublimation le jour. Toutes ces mesures nous ont permis de calculer l'albédo de la neige sur le plateau Antarctique et ses variations journalières. Une étude préliminaire propose une comparaison de ces mesures avec des observations satellitales et les premiers résultats sont très encourageants quant à la possibilité de déterminer la SS de la neige depuis l'espace.

Le but de ce travail est l'étude de processus à mésoéchelle de la mer Ligure. L'étude concerne les tourbillons et leur effet sur les variables biogéochimiques liées au plancton. Le modèle implémenté pour les simulations est ROMS, Regional Ocean Modeling System (Shchepetkin and McWilliams, 2005). La simulation à haute résolution du courant Ligure-Provençal-Catalan dans la Mer Ligure a révélé la présence d'instabilités qui induit la formation de structures tourbillonnaires. Ces tourbillons sont particulièrement intenses lorsque le forçage du vent provient d'un modèle météorologique à haute résolution spatiale et temporelle. Au contraire, l'utilisation de vents climatologiques à basse résolution comme forçage, induit des structures à mésoéchelle moins intenses et moins nombreuses. Les simulations forcées avec des vents réels permettent la formation d'intenses tourbillons anticycloniques entre le courant Ligure-Provençal et la côte. Ces tourbillons se déplacent lentement avec le courant. L'augmentation de la résolution permet de faire apparaître de petites structures tourbillonnaires autour du vortex principal. Les tourbillons observés sont associés à des structures de vitesse verticale complexes. La simulation montre d'importantes vitesses verticales positives (upwelling) près de la côte qui peuvent induire la remontée de masses d'eaux riches en nutriments, et des vitesses verticales négatives au centre du tourbillon. Les vitesses verticales augmentent avec la résolution de la simulation et peuvent atteindre des valeurs de l'ordre de la dizaine de mètres par jour. L'augmentation de la résolution permet de résoudre plus en détail la distribution du champ de vitesse et on observe ainsi des structures complexes de vitesses positives et négatives que s'alternent en correspondance d'un tourbillon. Pour ce qui concerne les vitesses horizontales, la résolution n'a pas un effet significatif sur leur intensité et distribution. Cela signifie que le processus est suffisamment bien résolu dans la simulation à plus basse résolution. Les vitesses verticales associées V au tourbillon peuvent avoir un rôle significatif pour la dynamique de l'écosystème marin de la Mer Ligure. Ces structures peuvent apporter en surface des masses d'eaux riches en nutriments qui peuvent mettre en route la chaîne trophique liée à la production primaire. Tous les vivants sont liés directement ou indirectement à cette production. Pour étudier l'impact des structures à mésoéchelle sur les variables biologiques nous avons appliqué un module biogéochimique couplé au modèle hydrodynamique. Les résultats mettent en évidence la complexité du comportement des variables biogéochimiques en présence des structures dynamiques, ainsi que leur variabilité en fonction du type de tourbillons (cyclonique ou anticyclonique). Les tourbillonnes cycloniques représentent essentiellement des zones de croissance de biomasse. Les tourbillonnes anticycloniques représentent aussi des zones d'accumulation de biomasse mais aussi des zones de croissance de biomasse due à la remontée d'eaux riches en nutriment au bord du tourbillon. Les résultats du travail de thèse et décrits dans ce document, montrent l'importance des processus à la mesoéchelle, l'impact de tourbillons sur la production biologique et la nécessité d'adopter une résolution spatiotemporelle suffisamment haute pour le modèle océanique et pour les forçages atmosphériques.

La gazéification de la biomasse par voie thermochimique apparaît aujourd'hui comme une voie prometteuse pour la production de H2 et CO utilisés dans la synthèse de biocarburants. Le traitement thermique subi par la biomasse entraîne toutefois la production de composés indésirables appelés goudrons (hydrocarbures lourds) dont la teneur dans les gaz de synthèse doit être inférieure à 0,1 mg.Nm-3. Le suivi de la quantité de goudrons produits est, par conséquent, indispensable. Dans ce contexte, une méthodologie d'échantillonnage utilisant la SPME (micro-extraction sur phase solide) a été mise au point pour la quantification de "composés types" représentatifs de la quantité globale de goudrons émis principalement par deux pilotes de gazéification et de pyrolyse. L'introduction de la notion de composés types est destinée d'une part, à simplifier la méthodologie d'échantillonnage et d'autre part, à s'affranchir des éventuelles limitations liées au système de prélèvement des effluents gazeux développé dans le cadre de ce travail pour autoriser l'extraction par SPME. Pour les deux pilotes, 15 composés types ont été retenus. Leur quantification a d'abord nécessité l'étalonnage préalable des fibres SPME (revêtue de polydimethylsiloxane) qui a permis, à plusieurs températures, d'établir les profils d'absorption et de déterminer les coefficients de partage. L'influence des conditions d'extraction sur l'absorption ainsi que les performances du couplage SPME-chromatographie gazeuse ont également été évaluées. De manière à éviter les étalonnages répétitifs, un modèle basé sur la théorie des équilibres thermodynamiques a été développé pour déterminer la valeur des coefficients de partage.

Le mémoire fait la synthèse de mes travaux de recherche autour de la question de la production du ''meilleur`` état initial possible pour démarrer une prévision numérique de l'évolution de l'atmosphère. Cette thématique va nous amener à considérer la problématique de l'assimilation des données. En particulier, mes travaux ont abordé cette question en relation avec les modèles numériques de prévision météorologique régionaux, à aire limitée. Le mémoire peut se lire pour l'essentiel sous deux angles: * des considérations assez amont sur la recherche de l'état optimal d'un système dynamique connu imparfaitement, mais sur lequel un contrôle par des observations indépendantes est possible: observations ciblées dans un modèle idéalisé, scénarii de mesures, croissance des erreurs et analyse par vecteurs singuliers. * études poursuivies dans le cadre de l'implémentation d'une analyse variationnelle dans le modèle régional Aladin de Météo-France: croissance des erreurs dans ce modèle, réglage des variances d'erreur de prévision, prise en compte du système coupleur (plus précisément, de son analyse) dans un système couplé, propriétés de la solution adjointe Des perspectives de recherche et de développement sont abordées en conclusion.

Les modes de variabilités interannuelles du système couplé océan-atmosphère auxmoyennes latitudes de l'hémisphère sud sont étudiés avec un modèle de compléxité intermédiaire. L'objectif est de déterminer les mécanismes d'interactions océan-atmosphère indépendamment du forçage tropicale. Le modèle est un modèle atmosphérique quasi-géostrophique à 3 niveaux, couplé à une couche de mélange océanique de profondeur constante incluant l'advection géostrophique par le courant circumpolaire Antarctique (ACC). Le couplage océanatmosphère se fait par les flux de chaleur de surface et les transports d'Ekman forcés par la tension de vent de surface. Dans une simulation totalement couplée, l'atmosphère, qui inclue la dynamique des transitoires baroclines, exhibe un mode annulaire (SAM) comme premier mode de variabilité interannuelle. Les anomalies de vent induites par le SAM créent des courants méridiens d'Ekman dans la couche de mélange qui induisent à leur tour des anomalies de température océanique de surface qui sont ensuite avectées par l'ACC. Un mécanisme purement forcé où le rôle de l'océan est réduit à l'advection des anomalies de SST est suffisant pour reproduire les caractéristiques principales de la variabilité. Néanmoins, une rétroaction positive de l'océan est mise en évidence par l'analyse de la réponse stationnaire atmosphérique à une anomalie de SST (SSTa). Celle-ci est déterminée pour un ensemble d'expériences où une SSTa idéalisée est localisée en 14 longitudes différentes, uniformément réparties le long d'un cercle de moyenne latitude. En projetant les réponses obtenues sur les modes verticaux atmosphériques, il est mis en évidence la partition de la réponse en une composante barocline identique quelque soit la position de la SSTa et une composante barotrope se projetant sur le mode dominant de variabilité atmosphérique du modèle. La SSTa induit une anomalie d'air chaud dans la couche basse atmosphérique qui engendre une réponse barocline 45o à l'est. Cette réponse est due à l'advection du vortex stretching induit par la SSTa, par les vents d'ouest quasi-stationnaires. La réponse barotrope consiste en une haute pression aux moyennes latitudes et une basse pression sur le pôle quand les SSTa sont localisées de l'océan Atlantique ouest au centre de l'océan Indien ; et d'une haute pression sur le pôle quand elle est localisée du bassin Autralo- Antarctique au centre de l'océan Pacifique. Les réponses barotropes ont une composante tourbillonnaire identique. La différence entre les réponses est déterminée par la composante zonalement symétrique qui se projette sur le SAM. La réponse barotrope est formée par le terme d'advection de vorticité relative basse fréquence qui est lui-même déterminé par l'impact sur le pôle des interactions de l'anomalie de vorticité relative aux moyennes latitudes avec les ondes stationnaires du modèle.

L'océan est un milieu fortement turbulent caractérisé notamment par de nombreuses structures tourbillonnaires très énergétiques interagissant entre elles. Dans les couches de surface, les observations ainsi que les modèles montrent que cette dynamique mésoéchelle et submésoéchelle combinée à la dynamique de la couche mélangée, contraint fortement la distribution des espèces phytoplanctoniques. L'objet de cette thèse est de réaliser une étude de processus en modélisation numérique afin de rationaliser l'effet de la turbulence méso- et subméso-échelle d'une part et du mélange vertical d'autre part, sur la diversité phytoplanctonique. L'étude analytique de la dynamique intrinsèque d'un modèle d'écosystème simple avec deux espèces de phytoplancton à l'aide de la théorie des systèmes dynamiques a tout d'abord permis de déterminer les équilibres non-linéaires ainsi que leur stabilité en fonction des paramètres. Nous avons montré ensuite que la diffusion verticale turbulente est un moteur de la coexistence des espèces phytoplanctoniques. La sensibilité de ces résultats a été testée à la fois vis à vis de la profondeur de la couche mélangée, de l'intensité du mélange et du nombre d'espèces phytoplanctoniques. Enfin, nous avons montré que la turbulence quasi-géostrophique de surface permet également la coexistence de deux espèces phytoplanctoniques sur une ressource limitante à l'équilibre statistique. De plus, ce type de turbulence organise différemment les espèces selon les structures : les structures filamentaires sont favorables au grand phytoplancton alors que les tourbillons apparaissent comme des niches écologiques pour le petit phytoplancton. Cette étude révèle que dans tous les cas, les injections verticales de nutriments sont un facteur important induisant cette différence de distribution entre les espèces.

La présence de nuages influence la capacité oxydante de la troposphère, mais aussi le bilan radiatif de la planète notamment à travers les processus liés à la chimie multiphase qui restent mal connus. Le but de ce travail était d'améliorer notre compréhension des processus physico-chimiques au sein des nuages. Pour cela, nous avons développé un modèle numérique de chimie multiphase couplé à un modèle de microphysique (Berry et Reinhardt, 1974), fondé sur le modèle de chimie gazeuse de Madronich et Calvert (1990), le mécanisme réactionnel développé par Jacob (1986), une compilation exhaustive des données de la littérature et des collaborations avec des cinéticiens. Afin d'effectuer le lien nécessaire à la compréhension de la chimie multiphase entre les données de laboratoire et les données de terrain, le modèle dans sa version non couplée a été appliqué dans le cadre d'un événement nuageux échantillonné au Puy de Dôme (Voisin et coll., 2000). Ces résultats montrent en général la capacité du modèle à reproduire les comportements observés et sa capacité d'analyse de la réactivité du système chimique nuageux (Leriche et coll., 2000a). Notamment, une nouvelle voie réactionnelle d'oxydation du S(IV) par l'acide pernitrique en acide fort a été mise en évidence. Finalement, le modèle couplé chimie/microphysique a été appliqué au même événement nuageux sur la base d'un scénario académique afin de quantifier l'influence de la formation de la pluie sur le régime chimique précédemment étudié. Les résultats principaux obtenus (Leriche et coll., 2000b) montrent que la présence de nuages exerce deux effets différents sur la chimie troposphérique : un effet direct de lessivage des espèces chimiques par transfert de masse, solubilité et réactivité, et un effet indirect lié aux transferts microphysiques de l'eau nuageuse en eau précipitante et à la redistribution d'espèces réactives entre l'air interstitiel, l'eau nuageuse et l'eau précipitante.

L'augmentation continue de la population urbaine s'accompagne d'une augmentation de la taille des villes et de l'apparition de mégapoles, particulièrement en Asie du sud-est. Ces agglomérations sont des sources intenses de pollution et en particulier de particules atmosphériques. Pour en étudier les différents impacts (sur le climat, l'environnement ou la santé) il est important de documenter les sources et les transformations rapides des polluants, ce que permettent les mesures en temps quasi-réel de leur composition chimique. C'est dans ce cadre que ce travail de thèse se propose de développer et qualifier un parc instrumental de terrain capable de documenter la chimie de l'aérosol sur des pas de temps court (au moins horaires). Cet ensemble permet la mesure des ions majeurs par technique PILS (Particle-Into-Liquid-Sampler), de la fraction carbonée (EC-OC) par technique thermo-optique (EC-OC Sunset Field Analyzer) et celle de la fraction organique hydrosoluble également par technique PILS. La masse totale de l'aérosol est obtenue sans artefact avec un TEOM-FDMS. L'optimisation et la qualification des instruments sont abordées, et le potentiel du parc (à différents stades de son développement) est évalué à partir de résultats obtenus pour les mégapoles contrastées Paris (Mai-Juin 2007) et Pékin (Août 2007). Cet ensemble instrumental permet de reconstruire la masse (PM2.5) et les propriétés optiques des aérosols sur des pas de temps horaires, d'aider à l'identification et à la déconvolution des sources d'aérosols (sources locales/régionales ou primaires/secondaires) ainsi que d'affiner la connaissance de l'aérosol organique à travers sa fraction insoluble/soluble.

L'objet de cette thèse est la compréhension de la variabilité des propriétés biogéochimiques dans les régions d'upwelling de bord Est. A l'aide d'estimations par satellite, les variations de la concentration en chlorophylle de surface sont analysées le long de la côte nord-ouest africaine. La variabilité le long de la côte est essentiellement due à la richesse en nutriment des eaux sources. L'extension vers le large de la bande côtière riche en phytoplancton est déclenchée par la présence en excès de nutriments. Cette extension vers le large est accompagnée par une augmentation de la concentration des nutriments en surface et par une absence de lien entre les variabilités intra-saisonnières de chlorophylle et de vent. D'autres mécanismes ont un impact sur la largeur de la bande côtière : la dynamique de la mésoéchelle induit des échanges entre la côte et le large qui exportent vers le large les eaux côtières riches. Un modèle idéalisé d'upwelling côtier a été conçu pour étudier cet impact. A l'aide d'une paramétrisation du courant d'alimentation de l'upwelling, la circulation est reproduite de façon réaliste avec notamment la présence d'un jet côtier de surface et d'un sous-courant le long du talus. La comparaison d'une simulation résolvant la dynamique de mésoéchelle et d'une simulation ayant la même circulation moyenne sans circulation de mésoéchelle montre que la largeur de la bande côtière riche est fortement augmentée par la circulation de mésoéchelle et que le contenu global en phytoplancton est globalement réduit par celle-ci. Cette baisse est au moins en grande partie due à l'export de phytoplancton par des filaments de vitesse négative associés à la dynamique de mésoéchellle.

Les récifs coralliens sont des écosystèmes très productifs. Lieu de stockage, transformation, et production de matière, les sédiments pourraient également jouer un rôle dans le fonctionnement du récif. L'objectif était d'évaluer ce rôle dans le transfert de matière et d'énergie du récif de La Saline (île de la Réunion). Trois axes de recherches ont été développés : la caractérisation de la zone via des analyses physicochimiques, l'étude du métabolisme des sédiments (production et statut trophique), et, de la composante biologique, macrofaune et mégafaune (holothuries). Les mesures physicochimiques ont montré un état de perturbation limité, même si localement, des enrichissements par les eaux douces en éléments nutritifs sont bien réels (arrière-récifs de Planch'Alizé et Grand Trou d'Eau). Á l'échelle du récif (9 stations, 2 saisons), les sédiments sont hétérotrophes (production nette = 31.6, respiration R = 109.6, production brute Pg = 77.9 mmolC m-2 j-1 et Pg/R = 0.7). La macrofaune ne constitue pas un groupe important dans le réseau trophique (134 taxons, avec en moyenne, 32.86 individus 0.2 m-2 et 0.059 gPS 0.2m-2). Par comparaison, les biomasses des populations de Holothuria atra et H. leucospilota, atteignent 7.92 gPS m-2. L'hétérogénéité spatiale du métabolisme des stations est en accord avec des caractéristiques physicochimiques du milieu reflétant la double influence océan - terre (enrichissement par eaux douces). Les stations les plus productives et hétérotrophes se situent dans l'arrière-récif où l'influence océanique est minime. La macrofaune est sous l'influence du facteur hydrodynamisme alors que les holothuries se développent dans les zones très productives. Le compartiment sédimentaire joue donc un rôle essentiel de filtre pour la matière organique importée. Ce fonctionnement est influencé par l'hydrodynamisme qui conditionne les pertes de matière et d'énergie. Ces pertes sont limitées par l'action des holothuries (forte densité 3 ind m-2) qui stockent la matière organique sous forme de biomasse, et stimulent probablement la production locale (excrétion et bioturbation). En conclusion, à l'échelle de l'écosystème, les sédiments assurent un recyclage essentiel, fonction renforcée par les holothuries qui limitent les pertes de matière et d'énergie dues à l'hydrodynamisme.