Dans les milieux aquatiques, les facteurs liés à l'hydrodynamique et au mélange aux échelles de la turbulence sont déterminants pour le transport des substances chimiques et des micro-organismes. Ce travail s'intéresse à ces phénomènes physiques et se situe à la frontière entre la limnologie physique et l'océanographie physique, au travers de l'étude de deux cas : le lac Pavin (Auvergne, France) et la région d'upwelling au large du Pérou. Un des intérêts de ce travail réside dans le changement d'échelle de l'observation de milieux naturels aquatiques allant de l'échelle millimétrique (étude de la microstructure dans le Lac Pavin) à l'échelle de la centaine de kilomètres (étude des ondes de Rossby). Le Lac Pavin est le seul lac méromictique français, ce qui signifie que le compartiment inférieur du lac ne se mélange pas annuellement. La méromicticité concerne pourtant bien d'autres bassins, plus connus et plus vastes comme la Mer Noire, la Mer Caspienne, le lac Baïkal, d'où son importance écologique. Sa méromicticité lui confère des propriétés physiques particulières, étudiées dans le cadre de cette thèse. L'étude de la variabilité du mélange diapycnal à différentes échelles de temps et d'espace dans le lac Pavin au travers de mesures de microstructure et de surveillance en continu des principaux paramètres physiques a conduit à mettre en évidence la variabilité de la stabilité de la colonne d'eau à l'échelle interannuelle. Par ailleurs, les propagations d'ondes internes de gravité sont étudiées dans ce cadre particulier à l'aide d'un modèle linéaire bidimensionnel. Elles génèrent des mouvements advectifs verticaux importants dans toute la colonne d'eau dont il faut tenir compte dans les protocoles d'échantillonnage chimiques ou biologiques. Enfin, une intrusion sous lacustre semble avoir une grande importance dans la détermination de la profondeur du mélange hivernal et le maintien de la méromicticité. La zone de l'upwelling du Pérou est parmi les plus poissonneuses au monde. Elle est caractérisée par une forte productivité primaire, observable par satellite. L'observation des ondes de Rossby a permis de mettre en évidence qu'elles génèrent plus de 50% de la variabilité observée à l'échelle intra saisonnière sur la concentration en chlorophylle de surface, à distance des côtes. Les ondes transportent la chlorophylle vers le large et participent à la détermination de l'extension de la zone de forte productivité primaire. A travers des mesures variées allant de la microstructure à l'observation satellite et grâce à l'utilisation de modèles conceptuels, la thèse met en évidence l'influence certaine des facteurs hydrodynamiques sur l'organisation des paramètres biogéochimiques de ces deux écosystèmes.

Les inventaires d'émissions biogéniques dans les modèles de qualité de l'air sont peu adaptés, car basés sur l'utilisation de facteurs d'émission (FE) moyens ils intègrent partiellement les variables environnementales et techniques pilotant ces émissions. Le but de cette thèse a été d'améliorer la prise en compte des émissions de NO par les sols agricoles dans le modèle de chimie transport CHIMERE. Ce travail se base sur un modèle d'agro-écosystème CERES-EGC, qui simule la dynamique de l'azote dans le système sol-plante. Un module d'émission de NO y a été intégré et le test sur des données expérimentales a montré la nécessité de modéliser les échanges de masse et de chaleur près de la surface du sol. Des simulations annuelles ont révélé une variabilité saisonnière des émissions selon le climat et les pratiques culturales. Les émissions varient de 1 à 4 kg N-NO ha-1 sur un an, soit à des FEs de 1-2% selon les doses de fertilisation. Puis, une cartographie des émissions a été réalisée pour l'Ile de France, en combinant l'utilisation de CERES-EGC à des méthodes de systèmes d'information géographique et diverses bases de données. La prise en compte des pédopaysages de la région a fortement influencé les émissions. Notre approche conduit à des émissions totales de 2.7 kt N-NO sur 14 mois et à une moyenne de 5.1 kg N-NO ha-1 (FE de 3.4%). Enfin, l'outil a été couplé à CHIMERE afin d'évaluer l'impact des émissions de NOx par les sols sur la formation d'O3. L'influence des émissions s'explique par les régimes chimiques (perte d'Ox dans le panache urbain et production d'Ox supplémentaire aux alentours) et varie de 1 à 8 ppb d'Ox pour des concentrations de fond de 50 à 100 ppb.

L'hétérogénéité des nuages de couche limite est la somme de la variabilité 3D de l'eau nuageuse et de la variabilité microphysique décrivant les distributions dimensionnelles locales des gouttelettes. L'impact radiatif de ces variabilités est étudié d'une part sur le calcul de l'albédo d'une maille de modèle de grande échelle (GCM), et d'autre part sur la restitution des paramètres nuageux par satellite. La méthode employée utilise conjointement des simulations LES, 2 schémas extrêmes d'entraînement/mélange et un modèle de transfert radiatif 3D. Les résultats sont contraints par comparaison à des mesures in-situ et de télédétection. Il est montré que la variabilité microphysique est la source principale d'incertitude tant pour le calcul de l'albédo dans les GCM que pour la restitution des paramètres nuageux microphysiques. Elle peut conduire à une surestimation importante de l'effet indirect des aérosols dans les GCM et une sous-estimation importante de sa mesure par télédétection.

Le mercure est un métal toxique émis dans l'environnement par des sources naturelles et anthropiques. Le cycle naturel de ce polluant, a fortiori la réponse des écosystèmes à ces perturbations par l'Homme, est encore mal quantifié. L'air des névés polaires constitue une archive de la composition passée de l'atmosphère qui permet d'améliorer la connaissance du cycle du mercure. En juillet 2009, à NEEM, Groenland du Nord, nous avons mesuré les concentrations en mercure élémentaire gazeux dans l'air du névé entre 30 et 76 mètres de profondeur, et, grâce à des travaux de modélisation des processus de diffusion, reconstruit les concentrations atmosphériques en Hg° depuis les années 1950, à une échelle spatiale représentative de l'Arctique. Le signal reconstruit présente des concentrations maximales dans les années 1970, synchrones avec le maximum d'émissions anthropiques supposé, puis une décroissance très peu marquée, suggérant une persistance de cette contamination dans l'Arctique. Le plateau antarctique revêt également un intérêt paléoenvironnemental dans la perspective de caractériser l'impact des perturbations anthropiques aux hautes latitudes sud. Néanmoins, la réactivité du mercure dans cette région est méconnue, et sa caractérisation est nécessaire. Nous avons mené une campagne de mesure en janvier 2009 sur le site de Dôme C, Antarctique de l'Est et observé une réactivité marquée du mercure dans la basse troposphère et dans l'air interstitiel du manteau neigeux, mettant en évidence l'existence de processus d'oxydation puissants dans ces deux matrices. De fortes concentrations en mercure ont aussi été mesurées dans la neige de surface.

L'étude se concentre sur l'analyse de la dynamique de la Couche Limite Atmosphérique stable et hivernale en vallée, notamment dans des situations conduisant à des épisodes de pollution particulaire. L'analyse est effectuée à partir de simulations numériques de type LES et de mesures locales. Dans une première partie, on étudie les vents catabatiques prenant naissance sur les pentes des vallées encaissées. On montre qu'ils sont instationnaires, inhomogènes et turbulents, que leur diffusivité turbulente évolue quadratiquement avec le nombre de Froude et décroît avec la stratification ambiante. On s'intéresse ensuite au champ d'ondes internes généré par ces vents. On trouve que sa fréquence ne dépend que de la stratification et est indépendante des caractéristiques des vents qui lui donnent naissance. Dans une seconde partie, on s'intéresse au système de vents de vallées et aux inversions thermiques dans les vallées Grenobloises. Les conditions météorologiques conduisant aux épisodes de pollution sont étudiées et leur lien avec les mécanismes précédents est explicité. On montre que ces épisodes se déroulent toujours dans un contexte anticyclonique, sont induits par la présence d'une inversion et que leur évolution est liée à celle des régimes de temps. Pendant ces épisodes, le système de vents local est toujours similaire, indépendant du régime synoptique et constitué de vents thermiques, dont l'organisation spatiale est gouvernée par la géométrie du site. Ces courants sont contenus dans la couche d'inversion qui persiste pendant toute la durée de l'épisode et n'est pas détruite si l'énergie solaire est insuffisante. Le seuil énergétique correspondant est mis en évidence.

L'objectif principal de ce travail est l'étude des vitesses de vent, dans la couche atmosphérique de surface, dans le cadre des processus multifractals. Nous montrons que les modèles de cascades aléatoires, originellement introduits pour représenter l'intermittence spatio-temporelle en turbulence pleinement développée, se révèlent pertinents pour décrire les fluctuations du vent aux méso-échelles. Sur le plan théorique, nous présentons un nouveau formalisme multifractal qualifié d'"asymptotique mixte" qui généralise l'analyse standard et permet d'estimer les "dimensions négatives" introduites par Mandelbrot il y a une vingtaine d'années. L'application de cette approche à des données de turbulence permet de distinguer divers modèles de cascades proposés pour décrire l'intermittence de la dissipation. En étudiant les incréments temporels et spatiaux de la vitesse du vent enregistrée en différents sites de Corse et des Pays-Bas, nous montrons la nature intermittente des fluctuations du vent dans la gamme méso-échelles. Notre analyse s'appuie sur la covariance de la magnitude, outil qui s'avère plus efficace pour étudier l'intermittence que l'étude des lois de puissance classique. Nos résultats suggèrent ainsi l'existence d'un mécanisme de cascade "universel" associé au transfert d'énergie entre les mouvements synoptiques et la turbulence micro-échelles dans la couche limite de surface. Ces observations nous conduisent à la construction d'un modèle de séries temporelles pour la dynamique du vent associé à une cascade aléatoire continue. Cette représentation reproduit remarquablement les distributions empiriques des vitesses et permet une prévision de la vitesse à court terme (1-12 heures) de meilleure qualité que les modèles de référence.

Les modèles numériques d'état de mer décrivent l'évolution du spectre d'énergie de l'état de mer sous l'action conjointe de plusieurs processus physiques qui apportent, dissipent ou transfèrent de l'énergie. Une meilleure prise en compte des interactions non-linéaires entre quadruplets de fréquences de vagues est essentielle à l'amélioration des modèles d'état de mer. Sur la base d'une approche proposée par Lavrenov (2001), nous avons développé et optimisé une méthode de calcul quasi-exacte des interactions non-linéaires vague-vague en grande profondeur d'eau. Cette approche, nommée GQM (" Gaussian Quadrature Method "), est basée sur l'utilisation de quadratures de Gauss, et permet d'obtenir des estimations très précises du terme de transfert non-linéaire à des coûts de calcul raisonnables. A l'aide de cette méthode, nous nous sommes d'abord intéressés à la modélisation de l'évolution temporelle du spectre des vagues dans un cas homogène et sans forçage. Dans un second temps, l'introduction de différents termes de forçage par le vent et de dissipation par moutonnement nous a permis de montrer la sensibilité du spectre des vagues aux modèles choisis. Des situations plus proches de la réalité mais conservant une géométrie simple (fetch limité, fetch oblique) ont ensuite été modélisées en prenant en compte la propagation spatiale des vagues. Nous avons notamment comparé les résultats du modèle à des mesures issues de la campagne SHOWEX de 1999 (Duck, NC, USA). Les travaux effectués confirment d'une part la nécessité de modéliser de façon précise les interactions nonlinéaires dans les modèles spectraux d'états de mer et montrent d'autre part la faisabilité de ces améliorations grâce à la méthode GQM et l'algorithme de calcul mis au point au cours de la thèse.

Dans le cadre du thème "Biodiversité et ressources marines" développé par le Laboratoire d'écologie marine de l'Université de La Réunion, une étude sur la colonisation du récif frangeant de la Saline par les post-larves de poissons a été réalisée en utilisant la technique du filet de crête. Le but de ce travail était, de comprendre les mécanismes qui régissent le retour des post-larves dans les populations parentales, de suivre l'installation des nouvelles recrues dans le milieu, puis enfin d'apporter des éléments sur la biologie de ces jeunes poissons en les plaçant dans des conditions d'élevage. Les résultats montrent que la colonisation des platiers a lieu essentiellement du mois d'août au mois de mars, avec deux pics d'abondance et de richesse spécifique au mois d'août-septembre et au mois de février. Un cycle annuel de colonisation apparaît et correspondrait à une période de reproduction plus intense de juin à décembre pour de nombreuses espèces. Les variations de la température de l'eau de mer semblent déclencher ce phénomène de colonisation et les nuits calmes de nouvelle lune seraient les plus favorables à l'arrivée des post-larves sur les récifs. Avec un total de 106 espèces échantillonnées, la colonisation des platiers ne concerne que 40 à 50 % des espèces coralliennes recensées sur l'île. Le flux moyen de post-larves est de 5,2 individus par jour et par mètre linéaire de crête récifale, ce qui correspond à une biomasse de 1,2 kg de post-larves par an, soit 100 à 400 fois moins que sur certains récifs du Pacifique. Les platiers de La Réunion seraient ainsi proches du modèle de "recrutement limitant" basé sur un faible apport larvaire, alors que les ressources et l'habitat seraient toujours en quantité suffisante. La taille standard des poissons au moment de la colonisation est extrêmement variable selon les familles ou les genres et va de 4,5 mm (Monodactylus argenteus) à 142 mm (Aulostomus chinensis), mais elle reste le plus souvent homogène au sein d'une même espèce, montrant ainsi que les poissons colonisent les platiers à un stade de développement bien précis. Les chances de survie de ces post-larves sont de 0,8 à 4,6 %. La prédation serait l'une des principales causes de la diminution rapide de ces poissons durant cette phase critique de colonisation. La densité de jeunes poissons qui recrutent et se répartissent ensuite sur toute la superficie du platier est de 0,04 à 0,22 ind.m-2. Ils sont surtout observés de novembre à mai, soit un décalage d'environ 3 mois par rapport à la période de colonisation. Un total de 50 espèces de poissons juvéniles a pu ainsi être répertorié, principalement dans la zone de platier interne où se développent les colonies coralliennes, mais également dans le chenal d'arrière récif pour certaines espèces. Ces juvéniles installés dans leur nouveau milieu ont, 30 jours après le recrutement, une chance de survie de 33 à 40 %. Certaines espèces comme Naso unicornis migreraient ensuite vers la pente externe après une phase de croissance de 4 à 5 mois sur le platier. L'élevage des post-larves a été réalisé pour 10 espèces parmi les plus abondantes. La quantité de nourriture à base de granulés, distribuée à ces nouvelles recrues peut représenter jusqu'à 20 % du poids du poisson par jour, notamment lorsque les individus sont de petite taille comme Scarus sordidus. Elle se stabilise ensuite pour l'ensemble des espèces étudiées autour de 3 à 4 % de la biomasse par jour. La plupart de ces poissons ont une croissance qui se rapporche du type puissance (paramètre puissance de 1,07 à 3,5) avec un Taux de Croissance Spécifique journalier de 0,9 % (Chromis viridis) à 3,8 % (Monodactylus argenteus) et des Indices de Conversions moyens de 1,1 (Monodactylus argenteus) à 6,1 (Chromis viridis). La survie de ces post-larves et juvéniles en captivité est de 60 à 92 % après 196 jours d'élevage, ce qui montre les capacités d'adaptation importantes des poissons coralliens à ce stade de développement. Le grossissement des post-larves est donc possible et ouvre de nouvelles perspectives dans de nombreux domaines comme la recherche, l'aquaculture, l'aquariologie ou la gestion des milieux naturels.

Mon activité de recherche concerne la dynamique des sédiments cohésifs, appliquée aux écosystèmes côtiers et continentaux. Du fait de son impact sur le transit des polluants et la dégradation des sols, cette activité figure au coeur des missions de l'Institut de Recherche pour le Développement auquel j'appartiens. La dégradation de la quantité et de la qualité des sols constitue un enjeu de Société, notamment en terme de sécurité alimentaire. Les principaux résultats de recherche obtenus concernent : 1. les processus physiques de dépôt des sédiments cohésifs dans les systèmes aquatiques naturels (laboratoire et estuaire de la Gironde) 2. la vulnérabilité de l'écosystème côtier aux modifications géomorphologiques (Guyane) 3. la dégradation des écosystèmes continentaux semi-arides par érosion des sols (France et Mexique) 1. Le premier thème de recherche a essentiellement été abordé sous un angle expérimental et analytique en étroite collaboration avec M. Mory, H. Michallet (Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels, Grenoble) et A.Manning (Marine Institute of the University of Plymouth, UK) dans le cadre du projet européen COSINUS. Les avancées principales attraient à la floculation des sédiments fins et la dynamique des fluides stratifiés particulaires en milieux naturels (rivière, lac, estuaire, côte). Le flux massique de dépôt des sédiments croît fortement avec la concentration en matière solide C dans la gamme [0-1] g.l-1. La diminution de la distance inter-floc (d/Df ~O(10)) entraîne une augmentation du nombre de chocs et favorise la floculation. Pour des concentrations plus élevées (1-5 g.l-1), nous avons pu montrer expérimentalement que l'augmentation drastique du nombre de collisions ne modifiait pas le caractère constructif (floculation) des collisions et cela, même dans des conditions de turbulence significatives (Gratiot and Manning, 2004 ; 2007a ; 2007b). Pour des concentrations dans la gamme C=[5-100] g.l-1, le comportement des sédiments cohésifs nécessite une approche multidisciplinaire alliant la physique des flocs, la mécanique des fluides et la rhéologie. Du fait des difficultés d'instrumentation inhérentes aux crèmes de vase (très forte concentration, mesures très près du fond), nos contributions les plus significatives sur le dépôt des sédiments cohésifs ont été obtenues en laboratoire (Gratiot et al., 2005) puis ont été appliquées sur l'estuaire de la Gironde dans le cadre d'une collaboration avec l'UMR Environnements et Paléoenvironnements OCéaniques (EPOC, Bordeaux) et le Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels (LEGI, Grenoble) (Sottolichio et al., submitted). Nous avons pu montrer que l'évolution du flux de chute des sédiments ws C ) varie de plusieurs ordres selon la nature des sédiments (cohésifs ou non cohésifs), le régime de l'écoulement (laminaire ou turbulent) et la concentration. 2. A plus grande échelle, nous nous sommes intéressés à la dynamique de l'écosystème côtier du plateau des Guyanes (Amérique du Sud). Ce travail s'est fait en interaction avec différents acteurs de la recherche (acteurs du Programme National d'Environnement Côtier : chantier Guyane), de l'Observation de la Terre depuis l'espace (CNES-CSG) et de la protection de la Nature (WWF, association Kwata). Le développement de méthodes de suivi de l'écosystème et le couplage des approches de laboratoire et de terrain ont conduit à des avancées quant à la migration des bancs de vase (Baghdadi et al., 2004 ; Gardel and Gratiot, 2005, 2006 ; Gratiot et al., 2007 ; Anthony et al., 2008 ;Gratiot et al., 2008), la colonisation de la frange côtière par la mangrove (Fiot and Gratiot 2006 ; Proisy et al. 2009) ou encore la vulnérabilité de l'écosystème à la dynamique côtière (Lefebvre et al. 2004 ; Gratiot et al., 2006 ; Kelle et al., 2007, 2009). Le résultat le plus original précise le rôle du cycle nodal de marée (à 18.6 ans) sur la vulnérabilité côtière, avec des extrapolations possibles à l'échelle planétaire (Gratiot et al., 2008). 3. Depuis mon intégration au sein de l'équipe RIVER du Laboratoire des Transferts en Hydrologie et Environnement (jan. 2005), j'aborde la dynamique sédimentaire en milieu continental semi-aride. Deux sites pilotes (BV de la Bléone, France ; BV de Cointzio, Mexique) ont été retenus et sont soutenus au plan national (projet ANR STREAMS, 2007-2009) et international (projet Européen DESIRE, convention IRD-Univ. National. Auton. de Mexico, 2007-2011). Le suivi en continu du réservoir de Cointzio a révélé un fonctionnement hydro-sédimentaire particulièrement contraignant, tant pour l'écosystème que pour les gestionnaires. Situé dans un environnement de pluie tropicale de montagne, les caractéristiques morphométriques du réservoir (profond et de faible volume) amplifient les variabilités locales. L'écosystème lacustre s'adapte donc à des conditions environnementales très contrastées au cours de l'année (Susperregui et al., 2009 ; Némery et al., 2009). L'évolution pluri-décennale du cycle de l'eau sur le bassin versant de Cointzio a, quant à elle, révélé une augmentation significative de la contribution des eaux de ruissellement vis-à-vis des eaux de nappes (Gratiot et al., 2010). Cette évolution est une conséquence directe et préoccupante des changements anthropiques engagés depuis les années 1970. Les travaux en cours visent à caractériser les temps de résidence des sédiments, les flux sédimentaires et biogéochimiques associés, en couplant approches hydro-sédimentaire et de traçage (par éléments majeurs, par spectrométrie et par datation isotopique) (Duvert et al., 2009 ; Evrard et al., in prep.). Par la suite, l'inter comparaison des bassins versants de la Bléone (France) et de Cointzio (Mexique) devrait permettre des avancées significatives quant à l'optimisation des protocoles d'échantillonnage (Borga et al., 2008 ; Némery et al., 2010) et la définition des invariants qui gouvernent la dynamique sédimentaire des bassins versants de meso-échelle.

C'est sans doute en Arctique que le changement climatique est le plus visible, et semble affecter toutes les composantes du système Arctique, et notamment ses bilans d'eau douce et de chaleur. Alors que l'on s'attend à ce que le signal d'un changement local en Arctique ait son impact climatique le plus important lorsqu'il est exporté au sud d'un coté ou de l'autre du Groenland vers les mers subarctiques, où il peut moduler l'intensité de la circulation thermohaline, l'objectif de cette thèse est donc d'étudier les échanges de volume, de chaleur, d'eau douce et de glace de l'Océan Arctique vers l'Atlantique Nord. Tout d'abord, une simulation réaliste des années 1958 à 2002 basée sur un modèle global couplé glace/océan est utilisée pour étudier la variabilité du bilan d'eau douce en Arctique, afin de comprendre quelle composante de ce bilan contrôle les variations du contenu halin du bassin. On s'intéresse également à la variabilité des exports d'eau douce vers l'Atlantique Nord, et on montre que les exports d'eau douce vers l'Atlantique sont contrôlés par des mécanismes différents de part et d'autre du Groenland: dans les détroits canadiens, le transport de volume domine la variabilité, alors que salinité et courants contribuent à la variabilité dans le détroit de Fram. Par la suite, une réanalyse océanique des années récentes nous permet d'explorer les conséquences pour le contenu halin de l'Arctique du minimum record de l'extension de glace de l'été 2007. Une méthode numérique originale est ensuite utilisée pour comprendre l'origine des masses d'eau qui sont exportées de l'Arctique vers l'Atlantique Nord. On effectue ainsi une analyse lagrangienne qualitative à partir des sorties 3D mensuelles climatologiques d'un modèle global couplé glace/océan à haute résolution, qui permet de quantifier les contributions relatives des différentes branches de circulation à ces exports, ainsi que les échelles de temps et les transformations de masses d'eau associées. Un schéma complet de la circulation dans le bassin Arctique est ainsi proposé, et nous soulignons le rôle clé de la mer de Barents pour les transformations des eaux d'origine Atlantique. Enfin, nous examinons l'influence relative des différents forçages atmosphériques (vent, flux de chaleur et halins) sur les variations du volume de glace en Arctique. Des expériences de sensibilité sont réalisées à l'aide d'un modèle régional de l'Arctique et l'Atlantique Nord, permettant de mieux comprendre les distributions spatiales et temporelles des contributions des différents forçages atmosphériques.