L'objectif de ce travail était d'étudier la variabilité de la circulation océanique méridienne aux échelles de temps pluri décennales dans l'océan Atlantique nord au cours des deux mille dernières années, ainsi que son lien avec la variation de l'extension des gyres subtropicales et subpolaires. J'ai donc étudié, à partir de carottes de sédiments marins à fort taux de sédimentation, l'évolution de la température des eaux de surface et de la stratification de la colonne d'eau en lien avec le fonctionnement des gyres subpolaire et subtropicale.Compte tenu des difficultés spécifiques à la période de temps considérée, la première partie de mon travail a consisté à contraindre le milieu et la période de calcification des principaux foraminifères utilisés, à partir de la composition isotopique de l'oxygène analysée dans la coquille des foraminifères planctoniques. J'ai également précisé la calibration en Magnésium et en Calcium en fonction de la température. La deuxième partie de mon travail a consisté à reconstruire les conditions hydrologiques dans des zones clés de l'océan Atlantique Nord sur les deux mille dernières années. J'ai ainsi construit un index de la gyre subpolaire à partir d'un gradient de température Est-Ouest, qui traduit l'intensité dynamique de la gyre subpolaire et de la gyre subtropicale. L'apport de l'analyse des foraminifères planctoniques profonds a permis de reconstituer les variations de la colonne d'eau supérieure. La stratification plus ou moins marquée de la colonne d'eau est reliée directement à l'intensité des vents d'Ouest. Les similitudes entre les vents et l'index de gyre m'ont amené à proposer un couplage entre l'océan et l'atmosphère aux échelles de temps pluri décennales.La dernière partie de ma thèse s'est focalisée sur les conséquences des variations de la dynamique des gyres océaniques sur le transport de chaleur vers les hautes latitudes ainsi que sur l'impact des variations des vents d'Ouest sur le climat européen.

Les échanges de chaleur entre les océans Indiens et Atlantiques sont étroitement liés à la circulation globale et au climat. Ceux-ci sont principalement réalisés par les Anneaux des Aiguilles (AR pour "Agulhas Rings'') qui sont étudiés dans cette thèse à l'aide de cartes quotidiennes d'altimétrie satellitaire et de profils hydrologiques de flotteurs Argo.En développant et appliquant l'algorithme d'identification et de suivi des tourbillons TOEddies à 24 années de cartes de la topographie dynamique absolue, nous estimons les origines, les trajectoires et la durée de vie des AR. La principale nouveauté réside dans la détection de nombreux événements de fractionnement et de fusion des tourbillons. Cette innovation conduit à la définition d'un réseau de trajectoires au lieu d'une identification biunivoque entre un tourbillon et une trajectoire. Les résultats ainsi obtenus diffèrent considérablement des évaluations précédentes en connectant des tourbillons formés dans l'océan Indien en amont du courant des Aiguilles à d'autres dans le courant du Brésil.La collocation des segments reconstruits des trajectoires des AR avec les profileurs Argo donne accès à leur structure thermohaline ce qui permet d'en estimer l'évolution au cours de leur propagation. En particulier, nous montrons la modification d'un AR passant d'une structure de surface à une de sub-surface dû à sa subduction lors de son entrée dans le gyre subtropical de l'Atlantique Sud. Cette transformation se traduit par la création de deux cœurs d'eau Modale qui concentrent la majeure partie du contenu de chaleur de cet AR.Enfin, une estimation de la répartition géographique de plusieurs AR est obtenue à partir des tourbillons détectés dans le bassin du Cap et dans l'océan Atlantique Sud. Cette répartition géographique montre que, en général, les AR subductent lorsqu'ils quittent le bassin du Cap. De plus, pour chaque tourbillon suffisamment échantillonné par les flotteurs Argo, nous estimons son anomalie de contenu thermique calculée en fonction de son environnement. Ces anomalies s'avèrent être importantes tout au long de leur trajectoire bien que les AR perdent de la chaleur en se propageant. En combinant des méthodes eulériennes et lagrangiennes, nous estimons le transport de chaleur en sub-surface effectué par les AR lors de leur propagation dans l'Atlantique Sud. / The Indo-Atlantic interocean heat exchanges are tightly linked to global ocean circulation and climate. They are principally achieved by the Agulhas Rings (AR) which are investigated in this thesis by means of 24 years of daily satellite-altimetry maps and Argo floats profiles.By applying the TOEddies eddy identification and tracking algorithm, developped in this study, to daily maps of Absolute Dynamical Topography (ADT), we estimate Agulhas Rings origins, paths and lifetime. The main novelty lies in the detection of numerous eddy splitting and merging events that leads to the definition of a network of trajectories instead of a biunivocal identification between an eddy with a single trajectory. The results obtained by the network differ considerably with previous estimates connecting eddies formed in the Indian Ocean upstream of the Agulhas Current to eddies in the Brazil Current.The collocation of the reconstructed segments of AR trajectories with Argo profiling floats gives access to their thermohaline structure which allows to estimate their in-route evolution. In particular, we show modification of an AR, transitioning from a surface to a subsurface intensified eddy while it subduct when entering the South Atlantic subtropical gyre. This transformation results in the creation of two Mode Water cores which concentrate most of the heat content of this AR.Finally, an estimate of AR geographical distribution was obtained from the numerous eddies detected in the Cape Basin and South Atlantic Ocean. It shows that AR generally subduct when they leave the Cape Basin. Moreover, for each eddy sufficiently sampled by Argo floats, we were able to estimate its heat content anomaly with respect of the environment. AR heat content anomalies result to be important all along their trajectories even if they release heat along their path. Combining both eulerian and lagrangian methods, we estimate the sub-surface heat transport achieved by their AR while they propagate in the South Atlantic.

L’objectif de ce travail était d’étudier la variabilité de la circulation océanique méridienne aux échelles de temps pluri décennales dans l’océan Atlantique nord au cours des deux mille dernières années, ainsi que son lien avec la variation de l’extension des gyres subtropicales et subpolaires. J’ai donc étudié, à partir de carottes de sédiments marins à fort taux de sédimentation, l’évolution de la température des eaux de surface et de la stratification de la colonne d’eau en lien avec le fonctionnement des gyres subpolaire et subtropicale.Compte tenu des difficultés spécifiques à la période de temps considérée, la première partie de mon travail a consisté à contraindre le milieu et la période de calcification des principaux foraminifères utilisés, à partir de la composition isotopique de l’oxygène analysée dans la coquille des foraminifères planctoniques. J’ai également précisé la calibration en Magnésium et en Calcium en fonction de la température. La deuxième partie de mon travail a consisté à reconstruire les conditions hydrologiques dans des zones clés de l’océan Atlantique Nord sur les deux mille dernières années. J’ai ainsi construit un index de la gyre subpolaire à partir d’un gradient de température Est-Ouest, qui traduit l’intensité dynamique de la gyre subpolaire et de la gyre subtropicale. L’apport de l’analyse des foraminifères planctoniques profonds a permis de reconstituer les variations de la colonne d’eau supérieure. La stratification plus ou moins marquée de la colonne d’eau est reliée directement à l’intensité des vents d’Ouest. Les similitudes entre les vents et l’index de gyre m’ont amené à proposer un couplage entre l’océan et l’atmosphère aux échelles de temps pluri décennales.La dernière partie de ma thèse s’est focalisée sur les conséquences des variations de la dynamique des gyres océaniques sur le transport de chaleur vers les hautes latitudes ainsi que sur l’impact des variations des vents d’Ouest sur le climat européen. / The purpose of this thesis was to study the surface oceanic circulation in the North Atlantic Ocean during the last 2,000 years, and its link with the intensity of the subpolar and the subtropical gyres. To fulfill these objectives, I studied sediment cores with a high sedimentation rate to reconstruct the multidecadal variability of the temperature and the water column stratification, controlled by the dynamic of oceanic gyres. To improve the marine paleoclimatic signal recorded from planktonic foraminifera, I constrained their growing season and their calcification depth by analyzing the oxygen isotopic composition of their calcitic shells. I also established calibrations between Mg/Ca ratio and temperature for the main species used.I applied these calibrations to reconstruct the hydrological conditions in key areas of the North Atlantic Ocean. I constructed an index of the subpolar gyre that traduces the dynamic intensity of the subpolar gyre and the subtropical gyre. I also studied the variability of the upper water column based on the analysis of deep-dwelling foraminifera. I interpret past changes in the water column stratification as resulting from changes in the intensity of Westerly winds. The similarities between the wind forcing evolution and the index of the subpolar gyre dynamics led me to propose a coupling between the ocean and the atmosphere on the multidecadal time scale. The consequences of the gyres dynamic on heat transport and the impacts of the change in westerly wind strength on European climate are studied in the last part of the manuscript.

Les milieux cristallins fracturés constituent un potentiel géothermique non négligeable. Il est essentiel d'améliorer son exploitation, pour la géothermie basse et haute énergie, afin de répondre au processus de transition énergétique. Pour cela, la compréhension des mécanismes de transport thermique dans les milieux fracturés est fondamentale. Le transport de chaleur est fortement influencé par l'hétérogénéité hydrodynamique des milieux fracturés et par la géométrie des fractures et des blocs matriciels. A travers des travaux basés sur des développements analytiques et numériques ainsi que des expériences sur site, l'objectif de cette thèse est ainsi de mieux évaluer l'impact de la géométrie des fractures, que ce soit à l'échelle d'un réseau de fractures, ou à l’échelle d’une fracture, sur le transport et le stockage d’énergie thermique dans les milieux cristallins fracturés. Des simulations numériques du transport de chaleur dans un réseau simple de fractures planes et bien connectées ont permis de caractériser l'impact de la géométrie du système de fractures sur le stockage thermique. Deux régimes sont mis en évidence. Tout d'abord, à court terme, la densité de fractures ou de chemins préférentiels, caractérisant la surface d'échange, contrôle l'échange thermique. Puis, à long terme, c'est le volume de roche total entre les fractures qui contrôle le stockage thermique. Ce modèle ne prend toutefois pas en compte la variabilité des ouvertures à l'échelle de la fracture qui est particulièrement présente dans les réseaux de fractures naturels. Des tests de traçage thermique et de soluté ont ainsi été réalisés pour caractériser le transport de chaleur dans un milieu fracturé sur le site de Ploemeur (SNO H+). Pour interpréter les traçages, les expressions analytiques du retard et de l'amplitude du pic de la courbe de restitution thermique ont été développées pour différentes géométries de fractures : fractures planes et chenaux. Ces expressions constituent un outil puissant et novateur pour caractériser la géométrie des fractures lors de tests de traçage thermique mais aussi pour prédire le déplacement du front thermique et la durée de vie des systèmes géothermiques à partir de tests de traçage de soluté. La comparaison de ces expressions avec les résultats expérimentaux permet de mettre en évidence l'importante chenalisation des flux, induisant l'arrivée anticipée du traceur thermique. / Fractured crystalline media has a significant geothermal potential. Its exploitation, for low and high enthalpy geothermal power generation, could be enhanced to satisfy the energy transition process. For this, understanding thermal transport processes in fractured media is fundamental. Heat transport is strongly influenced by hydrodynamics heterogeneity of fractured media and by fracture and matrix block geometry. Through analytical and numerical modelling and field site experiments, the aim of this thesis is thus to better assess the impact of fracture geometry on thermal transport and storage in fractured crystalline rock, at fracture and fracture network scale. Numerical simulations of heat transport in a simple network of well connected plane fractures allowed us to characterize the impact of the fracture system geometry on thermal storage. Two regimes are highlighted. First, at short term, the density of fractures, or preferential paths, controls heat exchanges. Then at long term, the total rock volume between the fractures controls thermal storage. This model does not take into account the aperture variability at fracture scale, which is particularly present in natural fracture networks. Thus, thermal and solute tracer tests have been achieved to characterize heat transport in a fractured media at Ploemeur field site (SNO H +). To interpret the tracer tests, analytical expressions of thermal breakthrough peak retardation and amplitude have been developed for different fracture geometries : parallel plate fractures and channels. Those expressions are a powerful and innovative tool to characterize fracture geometries from thermal tracer tests, and also to predict thermal front transit time and lifetime of geothermal systems from solute tracer tests. Confrontation of those expressions to experimental results shows that observed differences between thermal and solute breakthrough can be explained only by channeling flow inducing low thermal transit times.

Cette thèse est consacrée à l'étude de la dynamique et du transport des phonons via la résolution de l'équation de transport de Boltzmann (ETB) pour les Phonons. Un 'solveur' Monte Carlo dédié à la résolution de l'ETB des phonons dans l'espace réciproque, prenant en compte tous les processus d'interactions Normaux et Umklapp à trois-phonons, est proposé. Une prise en compte rigoureuse des lois de conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement est entreprise. Des relations de dispersion réalistes, intégrant tous les modes de polarisations, sont considérées. Le calcul des taux d'interactions à trois-phonons de tous les processus Normaux et Umklapp est effectué en utilisant l'approche théorique due à Ridley qui ne nécessite qu'un unique paramètre semi-ajustable pour chaque mode de polarisation, nommément : le coefficient de couplage anharmonique représenté par les constantes de Grüneisen. Les taux d'interactions ainsi calculés ne servent pas uniquement à la résolution de l'ETB des phonons, mais ont permis aussi une analyse complète des canaux de relaxation des phonons longitudinaux optiques de centre de zone. Cette analyse a montré que le canal de Vallée-Bogani est négligeable dans le GaAs, et que vraisemblablement les temps de vie des phonons LO de centre de zone dans l'InAs et le GaSb rapportés dans la littérature sont fortement sous-estimés. Pour la première fois à notre connaissance, un couplage de deux solveurs Monte Carlo indépendants l'un dédié aux porteurs de charges (Thèse E. Tea) et l'autre dédié aux phonons, est effectué. Cela permet d'étudier l'effet des phonons chauds sur le transport des porteurs de charges. Cette étude a montré que l'approximation de temps de relaxation surestime souvent l'effet bottleneck des phonons. Le 'solveur' Monte Carlo est étendu pour résoudre l'ETB des phonons dans l'espace réel (en plus de l'espace réciproque), cela a permet d'étudier le transport des phonons et ainsi de la chaleur. La théorie généralisée de Ridley est toujours utilisée avec des particules de simulations qui interagissent les unes avec les autres directement. Les règles de conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement sont rigoureusement respectées. L'effet des processus Umklapp sur la quantité de mouvement totale des phonons est fidèlement traduit; tout comme l'effet des interactions sur les directions des phonons, grâce à une procédure prenant en compte les directions vectorielles respectives lors d'une interaction, au lieu, de la distribution aléatoire usuellement utilisée. Les résultats préliminaires montrent la limite de l'équation analytique de conduction de la chaleur.

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Cette thèse est consacrée à l’étude de la dynamique et du transport des phonons via la résolution de l’équation de transport de Boltzmann (ETB) pour les Phonons. Un ‘solveur’ Monte Carlo dédié à la résolution de l’ETB des phonons dans l’espace réciproque, prenant en compte tous les processus d’interactions Normaux et Umklapp à trois-phonons, est proposé. Une prise en compte rigoureuse des lois de conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement est entreprise. Des relations de dispersion réalistes, intégrant tous les modes de polarisations, sont considérées. Le calcul des taux d’interactions à trois-phonons de tous les processus Normaux et Umklapp est effectué en utilisant l’approche théorique due à Ridley qui ne nécessite qu’un unique paramètre semi-ajustable pour chaque mode de polarisation, nommément : le coefficient de couplage anharmonique représenté par les constantes de Grüneisen. Les taux d’interactions ainsi calculés ne servent pas uniquement à la résolution de l’ETB des phonons, mais ont permis aussi une analyse complète des canaux de relaxation des phonons longitudinaux optiques de centre de zone. Cette analyse a montré que le canal de Vallée-Bogani est négligeable dans le GaAs, et que vraisemblablement les temps de vie des phonons LO de centre de zone dans l’InAs et le GaSb rapportés dans la littérature sont fortement sous-estimés. Pour la première fois à notre connaissance, un couplage de deux solveurs Monte Carlo indépendants l’un dédié aux porteurs de charges (Thèse E. Tea) et l’autre dédié aux phonons, est effectué. Cela permet d’étudier l’effet des phonons chauds sur le transport des porteurs de charges. Cette étude a montré que l’approximation de temps de relaxation surestime souvent l’effet bottleneck des phonons. Le ‘solveur’ Monte Carlo est étendu pour résoudre l’ETB des phonons dans l’espace réel (en plus de l’espace réciproque), cela a permet d’étudier le transport des phonons et ainsi de la chaleur. La théorie généralisée de Ridley est toujours utilisée avec des particules de simulations qui interagissent les unes avec les autres directement. Les règles de conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement sont rigoureusement respectées. L’effet des processus Umklapp sur la quantité de mouvement totale des phonons est fidèlement traduit; tout comme l’effet des interactions sur les directions des phonons, grâce à une procédure prenant en compte les directions vectorielles respectives lors d’une interaction, au lieu, de la distribution aléatoire usuellement utilisée. Les résultats préliminaires montrent la limite de l’équation analytique de conduction de la chaleur. / This work is dedicated to the study of phonon transport and dynamics via the solution of Boltzmann Transport Equation (BTE) for phonons. The Monte Carlo stochastic method is used to solve the phonon BTE. A solution scheme taking into account all the different individual types of Normal and Umklapp processes which respect energy and momentum conservation rules is presented. The use of the common relaxation time approximation is thus avoided. A generalized Ridley theoretical scheme is used instead to calculate three-phonon scattering rates, with the Grüneisen constant as the only adjustable parameter. A method for deriving adequate adjustable anharmonic coupling coefficients is presented. Polarization branches with real nonlinear dispersion relations for transverse or longitudinal optical and acoustic phonons are considered. Zone-center longitudinal optical (LO) phonon lifetimes are extracted from the MC simulations for GaAs, InP, InAs, and GaSb. Decay channels contributions to zone-center LO phonon lifetimes are investigated using the calculated scattering rates. Vallée-Bogani’s channel is found to have a negligible contribution in all studied materials, notably GaAs. A comparison of phonons behavior between the different materials indicates that the previously reported LO phonon lifetimes in InAs and GaSb were quite underestimated in the literature. For the first time, to our knowledge, a coupling of two independent Monte Carlo solvers, one for charge carriers [PhD manuscript, E. TEA], and one for phonons, is undertaken. Hot phonon effect on charge carrier dynamics is studied. It is shown that the relaxation time approximation overestimates the phonon bottleneck effect. The phonon MC solver is extended to solve the phonon’s BTE in real space simultaneously with the reciprocal space, to study phonon and heat transport. Ridley’s generalized theoretical scheme is utilized again with simulation particles interacting directly together. Energy and momentum conservation laws are rigorously implemented. Umklapp processes effect on the total phonon momentum is thoroughly reproduced, as for the anharmonic interactions effect on resulting phonon directions. This is thanks to a procedure taking in consideration the respective vector directions during an interaction, instead of the randomization procedure usually used in literature. Our preliminary results show the limit of the analytic macroscopic heat conduction equation.