L'étude des interactions métaux traces – matière organique naturelle marine est rendue difficile par leurs faibles concentrations en milieux marins et côtiers. Ce travail propose un protocole d'analyse permettant la détermination des propriétés de complexation de la matière organique naturelle dissoute (MOND), et plus spécifiquement la MOND marine, vis-à-vis de contaminants métalliques comme le cuivre. L'approche par concentration de la MOND est habituellement utilisée, mais il est possible de travailler directement sur l'échantillon naturel, sans lui faire subir d'étapes de pré-concentration ou de traitements physico-chimiques susceptibles d'altérer significativement sa structure. La mise en place de ce protocole analytique fournit des paramètres de complexation directement utilisables dans des logiciels de spéciation chimique, ou de transports de polluants, pour prédire la biodisponibilité des métaux traces. Les principaux obstacles au développement de ce protocole ont été d'adapter la manière de travailler aux très faibles concentrations de métaux et de carbone, en milieu principalement marin. La technique électrochimique de DPASV permet d'atteindre une limite de détection suffisamment basse pour étudier les échantillons directement dans les conditions naturelles. L'utilisation d'une titration métallique, en mode logarithmique, permet de balayer une gamme de concentration métallique suffisamment large pour déterminer les paramètres de complexation de la MOND pour des concentrations en carbone aussi basses que celles pouvant être rencontrées dans le milieu naturel. Des résultats identiques sont obtenus en traitant la cinétique de complexation des échantillons analysés. Ce protocole, appliqué à des MOND concentrées et non concentrées, et testé sur différents échantillons de MOND marines et estuariennes, montre qu'une approche rapide sans concentration de la MOND est possible. Toutefois, la concentration de la MOND a aussi été utilisée afin de déterminer les paramètres de complexation d'une MOND marine modèle tenant compte du calcium, du cuivre et du proton.

Le golfe du Lion est une marge continentale à construction deltaïque soumise à l'impact des apports sédimentaires (1) du Rhône, un des plus gros fleuves méditerranéens, à caractère saisonnier ; (2) ainsi que d'une série de fleuves côtiers à caractère torrentiel. Des zones de dépôts temporaires du matériel fin se développent en face de ces fleuves vers 30 m de profondeur à la limite d'action des houles de tempête. La dynamique de ces zones soumise à l'impact des évènements extrêmes joue un rôle important dans (1) la dissémination des sédiments fins et des contaminants associés depuis les sources (bassins versants) jusque vers le large, et (2) la qualité des eaux dans la zone littorale. Une station de suivi automatique haute fréquence et à long terme a été installée sur le fleuve Têt, exemple de fleuve côtier méditerranéen à caractère torrentiel et sur son prodelta afin de suivre la variabilité, l'impact des évènements hydro-climatiques sur le devenir des sédiments fins dans la zone littorale. Les crues engendrées par les entrées maritimes sont les principales sources de sédiments fins à la zone littorale. Les tempêtes qui accompagnent ces crues créent une redistribution de ce matériel vers la vasière circa-littorale vers 50 m de profondeur et la limite du plateau où se situent les canyons sous-marins. La succession de ces évènements extrêmes au cours de l'année détermine la conservation du matériel fin dans la zone littorale ou son exportation vers le large. Une forte variabilité interannuelle existe également dans le golfe du Lion entre des années humides avec de fortes crues et tempêtes apportant et redistribuant de grandes quantités de matériel sédimentaire sur le plateau et des années sèches caractérisées par des courants intenses à l'origine de plongées d'eaux denses dévalant et érodant le plateau jusqu'au canyons sous-marins. Les évènements hydro-climatiques extrêmes (crues, tempêtes, plongées d'eaux denses) sont les acteurs principaux qui façonnent les fonds sédimentaires du golfe du Lion. L'impact des activités humaines et du changement climatique sur la fréquence de ces évènements extrêmes semble jouer un rôle important sur la variabilité de la qualité du milieu littoral et du devenir des sédiments fins et contaminants.

Cette thèse a pour objectif de caractériser et d'analyser les variations de concentration atmosphérique en CO2, CO et O3 et en aérosols ultrafins mesurées au dessus de la Sibérie, lors de trois campagnes intensives aéroportées en avril et septembre 2006 et en août 2007. La Sibérie est éloignée des grandes sources de pollution de l'hémisphère nord. La distribution, mal connue, de polluants et de gaz à effet de serre dans cette région est cruciale pour la modélisation du transport à grande échelle des polluants. Les mesures ont permis de mettre en évidence l'impact de (1) l'advection de polluants chinois dans des perturbations baroclines, (2) l'advection de polluants européens à diverses altitudes, (3) des feux de biomasse en Asie Centrale, à travers une nouvelle technique (clustering de fonction d'influence lagrangiennes). Les gradients estivaux importants de CO2 sont utilisés pour contraindre le mélange vertical du modèle de circulation globale. Un possible maximum de nucléation dans la moyenne troposphère continentale propre en été est mis en évidence à partir de mesures de particules ultrafines.

L'interaction entre des ondes d'inertie-gravité et un vortex en milieu stratifié tournant est étudiée expérimentalement, et numériquement au moyen de simulations basées sur la théorie WKB, ou théorie des rais. Cette étude est réalisée dans le cadre d'applications aux écoulements géophysiques. On considère l'interaction d'ondes planes avec un vortex cyclonique: des vortex forcés, plutôt baroclines, sont créés par la rotation d'un disque tournant; des vortex libres allongés, plutôt barotropes, sont créés par aspiration. Contrairement aux écoulements uni-directionnels, dans des écoulements axisymmétriques, les simulations WKB et les expériences confirment l'existence de 'couches' critiques, d'épaisseur finie, où certaines ondes sont piégées. Les simulations WKB reproduisent bien les expériences et sont mises à contribution pour expliquer le déclenchement du déferlement: on introduit un nombre de Reynolds d'interaction, Rewave, qui mesure la valeur relative du taux de décroissance de la longueur d'onde lors du piégeage par rapport au taux d'amortissement visqueux. Pour les vortex baroclines, les couches critiques sont inclinées et les ondes piégées ne déclenchent pas de déferlement, du fait de valeurs trop faibles du nombre de Reynolds. Pour les vortex barotropes, les couches critiques sont quasi-verticales, et la majeure partie des ondes se propageant face à l'écoulement y sontt piégées, provoquant un déferlement dans les expériences où le nombre de Reynolds est suffisamment élevé (Rewave >200). Ce déferlement est associé à une inversion locale du champ de densité, qui déclenche une instabilité convective, et conduit à un dépôt de vorticité négative dans la zone extérieure du vortex. Quant au mélange, il est associé à deux mécanismes distincts: la perturbation du vortex par le champ d'ondes forme des bandes de mélange chaotique; le déferlement génère des zones turbulentes, dont la pénétration vers le coeur du vortex dépend de l'énergie apportée par les ondes déferlentes.

La compréhension de l'effet des petites échelles turbulentes sur l'organisation des grandes échelles des écoulements océaniques est un problème important, tant pour la description des courants de surface que pour la structure verticale des océans. Ces écoulements sont caractérisés par un nombre de degrés de liberté très élevé qui rend illusoire toute approche déterministe. Les outils de mécanique statistique permettent en revanche de réduire ces problèmes à l'étude de quelques paramètres. Dans la première partie, nous appliquons la mécanique statistique d'équilibre des écoulements bidimensionnels à l'étude de modèles simples d'océan. Il s'agit de comprendre les phénomènes d'organisation des courants à grande échelle. La seconde partie est une approche phénoménologique du mélange turbulent dans les fluides stratifiés. Il s'agit de décrire l'évolution temporelle de la probabilité de mesurer une certaine densité de fluide à une profondeur donnée.

La présente recherche se propose de caractériser l'équilibre dynamique à mésoéchelle, c'est-à-dire l'équilibre entre les forçages dynamiques et physiques et ce, pour des phénomènes météorologiques ayant une échelle horizontale de l'ordre de 15 à 150 km. Elle combine des simulations numériques et la théorie de la balance non-linéaire autant dans un contexte de simulations idéalisées que dans celui d'une simulation d'un cas réel. Elle s'inscrit dans un objectif à plus long terme d'améliorer les prévisions à court terme des quantités de précipitations, en développant une méthode permettant de contraindre l'état initial de la dynamique du modèle à un état de balance dynamique dans un contexte où les données de précipitations sont inclues au temps initial. <br>Dans un premier temps, l'étude porte sur l'identification précise de la suite des processus physiques impliqués dans l'ajustement vers un état balancé dans les modèles numériques en lien avec la théorie classique d'ajustement linéaire et ce, autant à petite qu'à grande échelle (phénomènes météorologiques d'un diamètre de 15 à 1500 km). Les analyses démontrent que, lorsque la taille du réchauffement est à petite échelle : (a) la latitude (force de Coriolis) n'a qu'une influence très limitée sur les mécanismes et sur l'état balancé ; (b) le temps d'ajustement vers l'état balancé est très réduit par rapport aux simulations à plus grande échelle ; (c) la stabilité statique de l'atmosphère a une influence significative sur le temps d'ajustement ainsi que sur l'état balancé lui-même ; (d) ces résultats sont en accord avec la théorie classique d'ajustement linéaire ; (e) il est possible d'utiliser l'équation de balance non-linéaire en combinaison avec une équation complète décrivant le mouvement vertical pour déterminer le vent divergent balancé à petite échelle. <br>Dans un deuxième temps, la méthodologie est appliquée à un cas réel tel que simulé par le modèle Global Environnemental Multi-Échelle (GEM) en mode aire limitée à une résolution horizontale de 2.5 km. Ce cas réel est caractérisé par de la convection profonde d'été en absence de baroclinicité et de dynamique en altitude significatives. Parmi les conclusions dégagées de l'analyse, il a été montré que : (a) le type de balance à cette échelle est principalement relié à la divergence horizontale ; (b) l'information apportée par les vents divergents dans la prévision à court terme du mouvement vertical (et donc de la précipitation) est très importante ; (c) il est possible de calculer les vents divergents balancés, à cette échelle, en utilisant une équation du mouvement vertical complète en combinaison avec l'équation de balance non-linéaire et en utilisant les tendances de température, causées par la convection, directement issues du modèle numérique ; (d) en imposant que les vents divergents soient balancés au temps initial, les prévisions de précipitations (évaluées par l'intermédiaire du mouvement vertical) sont remarquablement similaires par rapport à une simulation de contrôle. <br>En conclusion, le travail réalisé a permis principalement de développer une méthodologie appropriée pour caractériser l'état balancé dans les modèles numériques de prévision à méso-échelle pour des phénomènes météorologiques ayant un diamètre aussi petit que de l'ordre de 15 km, et utiliser des relations de balance dynamique dans les modèles numériques à une résolution horizontale de 2.5 km. Les contributions les plus importantes sont : (a) l'identification précise de la suite des processus physiques impliqués dans l'ajustement vers un état balancé dans les modèles numériques en lien avec la théorie classique d'ajustement linéaire ; (b) la caractérisation de l'état balancé à mésoéchelle dans des simulation numériques idéalisées ; (c) la caractérisation de l'état balancé à méso-échelle dans un contexte de simulation réaliste d'un cas de convection profonde d'été ; (d) l'importance de l'information apportée par les vents divergents pour les prévisions de précipitations à méso-échelle ; (e) la démonstration qu'il est possible d'utiliser les tendances de température issues de la convection dans le modèle en combinaison avec l'équation de balance non-linéaire et une équation complète décrivant le mouvement vertical, afin de déterminer des vents divergents balancés ayant une bonne précision. Ainsi, le présent projet est innovateur pour l'utilisation des relations impliquant une balance non-linéaire à petite échelle, ainsi que pour l'utilisation des tendances de température issues directement de la convection du modèle dans des équations représentant un type de balance dynamique à cette échelle. <br>Les limites de la recherche portent principalement à la fois sur certains aspects des simulations idéalisées, de la méthode d'évaluation des vents divergents balancés et sur le type de situation réelle présentée ici. Des études complémentaires permettraient d'approfondir quelques-unes des limites identifiées.

Les perturbations liées au changement global du climat ont des conséquences significatives sur les écosystèmes côtiers, en particulier dans les pays situés en zone tropicale et subtropicale déjà soumis à une pression anthropique marquée. A l'île de La Réunion, l'érosion des plages coralliennes est un fait constaté depuis les années 1980, qui peut être associé à l'état de santé des récifs frangeants adjacents. Le récif frangeant de l'Hermitage / La Saline a été choisi comme site pilote pour mener une étude de l'évolution morphodynamique des plages coralliennes et de la dynamique hydrosédimentaire. L'analyse et la synthèse des forçages physiques environnementaux permettent de montrer une érosion significative des littoraux coralliens pour des flux énergétiques associés à la houle du large supérieurs à 5.104 J.m-1.s-1. L'évolution morphodynamique des littoraux coralliens ne montre aucune variabilité saisonnière marquée mais une étroite relation avec la fréquence et l'intensité des événements paroxysmaux. Les enregistrements de l'hydrodynamisme permettent d'identifier les principaux forçages qui conditionnent la circulation générale des masses d'eau. Elle est organisée selon 5 cellules hydrodynamiques et est conditionnée par les processus de distribution de l'énergie de la houle du large et la géomorphologie récifale. Des profondeurs minimales de 0,75 m sur le platier récifal externe et de 1,8 m dans les zones d'arrière récif sont nécessaires pour permettre un transfert optimal de la houle du large vers la côte. Des concentrations et des flux sédimentaires ont pu être calculés qui traduisent une perte significative de matériel particulaire pour le secteur récifal considéré. Les résultats de cette étude montrent l'importance des récifs frangeants et leur rôle dans l'équilibre sédimentaire et la pérennité des littoraux coralliens réunionnais. L'observation et le suivi des processus physiques côtiers et du large se révèlent des facteurs importants à considérer dans des projets de gestion intégrée des zones côtières à La Réunion.

La matière organique particulaire (POM) des aérosols atmosphériques présente une composition chimique particulièrement complexe. Au mieux, seulement 20 % en masse des particules parviennent à être identifiés par les techniques de spéciation moléculaire. D'autre part, les méthodes d'analyse globale conduisent à une simplification importante de la matrice et par conséquent à une perte d'informations. Les travaux menés au cours de cette thèse s'inscrivent dans un objectif de développement de méthodes d'analyse chimique innovantes et complémentaires, permettant une meilleure connaissance et une meilleure compréhension de la fraction organique des aérosols atmosphériques. Trois méthodes d'analyse fonctionnelle par spectrométrie de masse tandem (MS/MS) ont été mises au point, pour la détermination quantitative des fonctions chimiques carboxyliques (RCOOH), carbonyles (R-CO-R') et nitros (R-NO2). Dans les trois cas, la précision des mesures a été estimée par le calcul de la variabilité obtenue pour l'analyse de 25 mélanges références constitués de 16 à 31 composés selon la fonction étudiée, dans des proportions différentes d'un mélange à un autre. Le résultat de cette étude statistique montre une erreur analytique inférieure à 20 % pour chacune des trois fonctions. Les limites de détection (de l'ordre de 0,005 mM) et la gamme de linéarité (0,01 - 0,5 mM) ont permis d'appliquer les méthodes développées sur des échantillons d'aérosols organiques secondaires produits en chambre de simulation, d'aérosols à l'émission, et sur des aérosols atmosphériques. Les résultats obtenus sont cohérents avec la littérature et notre connaissance actuelle des aérosols. Plusieurs pistes de réflexion sur l'utilisation des méthodes développées sont enfin présentées et montrent l'intérêt de cette nouvelle approche en termes d'études des sources et de vieillissement de l'aérosol.

La zone Cévennes-Vivarais et son extension jusque la Méditerranée a été choisie par l'OHM-CV (Observatoire Hydrométéorologique-Méditerranéen des Cévennes-Vivarais) pour la fréquence et la représentativité des événements de pluies intenses qu'elle subit. Depuis 2002, des campagnes automnales de mesures GPS y sont menées dans le but d'améliorer notre connaissance du champ de vapeur d'eau troposphérique associé aux événements de pluie intense. Les observations GPS météorologiques sont les ZTD (délais troposphériques au zénith) et les gradients de délais. Exprimé par une composante Est-Ouest (Gew) et une composante Nord-Sud (Gns), le gradient de délai traduit l'anisotropie du champ de vapeur d'eau à proximité du site GPS.Pour le traitement des observations GPS des réseaux permanents et temporaires de la région de l'OHM-CV, une configuration optimale a été recherchée à partir de différents tests de sensibilité. Une précision de 5 mm sur les ZTD peut être obtenue avec cette stratégie d'analyse pour le réseau régional GPS de la région de l'OHM-CV ; Gew est précis à 6 mm près, alors que Gns apparaît moins précis (à 12 mm près) du fait de l'absence de satellite survolant le pôle Nord.Afin de préparer l'assimilation des observations GPS par les systèmes d'assimilation de données à méso-échelle de Météo-France (modèle de Météo-France AROME), des simulateurs d'observations GPS (ZTD, STD et gradients) ont été implémentés dans le modèle non-hydrostatique à haute résolution Méso-NH. Le laboratoire numérique que constitue le modèle Méso-NH a été un moyen efficace de quantifier la sensibilité des simulations de délais à différentes formulations de la réfractivité atmosphérique.

Des observations in situ et la modélisation ont été conjointement utilisées pour mieux comprendre les processus physiques qui contrôlent les échanges côte-large et étudier les transferts de matière particulaire gouvernés par l'effet des courants et des vagues dans le Golfe du Lion. Cette étude montre que les tempêtes de vent marin induisent une circulation cyclonique sur le plateau et un processus de downwelling dans les canyons sous-marins. En période automnale, lorsque la colonne d'eau est stratifiée et que l'eau du plateau est légère, le downwelling est limité en profondeur. En revanche, en hiver, les plongées d'eaux denses, formées lors des vents de nord froids sur le plateau, intensifient ce processus. D'autre part, les tempêtes de vent marin sont responsables de fortes remises en suspension sur l'ensemble du plateau (> 5 M t) et d'une exportation massive dans la partie ouest du Golfe. Le canyon du Cap Creus apparaît comme une voie d'exportation privilégiée vers le large.