Ces travaux de thèse se focalisent sur la modélisation numérique de la réponse thermique des glaciers froids aux variations climatiques. La prise en compte du forçage climatique par la modification des conditions de surface des glaciers est l'un des points clefs de cette étude. On montre l'importance des processus de fusion/regel en zone d'accumulation froide ainsi que de l'épaisseur de la couverture de neige et névé autour de la ligne d'équilibre. Les modèles développés dans cette thèse s'appliquent à des cas concrets sur trois glaciers du massif du Mont Blanc (Alpes françaises). Ces études permettent d'analyser des situations à risque et de reconstituer le climat passé à haute altitude. Le jeu de données très complet acquis sur le site du Col du Dôme (4250 m) comprend des mesures profondes de températures et de densités ainsi que des mesures d'accumulation et de vitesses de surface. Il a permis de valider et développer un modèle à trois dimensions de régime thermique couplé à un modèle d'écoulement et forcé par des données climatiques. Ce modèle permet d'étudier en détail la réponse thermique des zones d'accumulation froides aux changements climatiques. Il peut aussi être utilisé pour la prédiction du réchauffement futur des glaciers suspendus présentant un risque comme le glacier de Taconnaz dont une analyse préliminaire est effectuée ici. Le réchauffement basal jusqu'au point de fusion pourrait conduire à la déstabilisation de ce type de glacier. Le site du glacier de Tête Rousse ( environ 3200 m) a permis d'établir clairement l'influence de la couverture de neige et de névé sur le régime thermique des glaciers autour de la ligne d'équilibre. Les résultats obtenus à partir du couplage d'un modèle de neige (CROCUS) avec un modèle de régime thermique sont en excellent accord avec les observations de températures réalisées dans le glacier. On explique ainsi les causes de la structure thermique particulière du glacier de Tête Rousse responsable de la formation d'une poche présentant un risque pour la commune à l'aval. Dans le futur, les simulations indiquent que le glacier va continuer de se refroidir, limitant ainsi le risque de formation de poche d'eau. Dans le dernier chapitre, nous avons développé une nouvelle méthode inverse pour reconstituer les températures du passé à partir de profils de températures observées dans la glace. Elle est basée sur l'inversion simultanée de plusieurs profils de températures provenant de différents sites de forage ayant subi le même forçage climatique. La méthode permet de s'affranchir de l'impact des processus de fonte/regel en surface pour reconstruire les variations passées des températures de l'air. Les résultats obtenus sur le Col du Dôme montrent que le réchauffement climatique sur le site à 4250 m est similaire à celui observé à basse altitude. Ces résultats tendent à montrer que le réchauffement climatique n'est pas amplifié avec l'altitude.

Ces travaux de thèse se focalisent sur la modélisation numérique de la réponse thermique des glaciers froids aux variations climatiques. La prise en compte du forçage climatique par la modification des conditions de surface des glaciers est l'un des points clefs de cette étude. On montre l'importance des processus de fusion/regel en zone d'accumulation froide ainsi que de l'épaisseur de la couverture de neige et névé autour de la ligne d'équilibre. Les modèles développés dans cette thèse s'appliquent à des cas concrets sur trois glaciers du massif du Mont Blanc (Alpes françaises). Ces études permettent d'analyser des situations à risque et de reconstituer le climat passé à haute altitude. Le jeu de données très complet acquis sur le site du Col du Dôme (4250 m) comprend des mesures profondes de températures et de densités ainsi que des mesures d'accumulation et de vitesses de surface. Il a permis de valider et développer un modèle à trois dimensions de régime thermique couplé à un modèle d'écoulement et forcé par des données climatiques. Ce modèle permet d'étudier en détail la réponse thermique des zones d'accumulation froides aux changements climatiques. Il peut aussi être utilisé pour la prédiction du réchauffement futur des glaciers suspendus présentant un risque comme le glacier de Taconnaz dont une analyse préliminaire est effectuée ici. Le réchauffement basal jusqu'au point de fusion pourrait conduire à la déstabilisation de ce type de glacier. Le site du glacier de Tête Rousse ( environ 3200 m) a permis d'établir clairement l'influence de la couverture de neige et de névé sur le régime thermique des glaciers autour de la ligne d'équilibre. Les résultats obtenus à partir du couplage d'un modèle de neige (CROCUS) avec un modèle de régime thermique sont en excellent accord avec les observations de températures réalisées dans le glacier. On explique ainsi les causes de la structure thermique particulière du glacier de Tête Rousse responsable de la formation d'une poche présentant un risque pour la commune à l'aval. Dans le futur, les simulations indiquent que le glacier va continuer de se refroidir, limitant ainsi le risque de formation de poche d'eau. Dans le dernier chapitre, nous avons développé une nouvelle méthode inverse pour reconstituer les températures du passé à partir de profils de températures observées dans la glace. Elle est basée sur l'inversion simultanée de plusieurs profils de températures provenant de différents sites de forage ayant subi le même forçage climatique. La méthode permet de s'affranchir de l'impact des processus de fonte/regel en surface pour reconstruire les variations passées des températures de l'air. Les résultats obtenus sur le Col du Dôme montrent que le réchauffement climatique sur le site à 4250 m est similaire à celui observé à basse altitude. Ces résultats tendent à montrer que le réchauffement climatique n'est pas amplifié avec l'altitude. / This thesis focuses on the numerical modeling of the thermal response of glaciers to climate changes. The change in surface conditions related to climate forcing is one of the key point of this study. We point out the crucial role of the meltwater refreezing in cold accumulation zone and the thickness of the snow and firn cover around the equilibrium line. The models are developed from the study of specific cases of three glaciers in Mont Blanc range ( French Alps). These studies allow us to analyze the risk related to hanging glaciers and to reconstruct the past temperaures at high altitude from observede nglacial temperatures. The very extensive dataset obtained at the site of the Col du Dôme (4250 m) includes measurements of deep temperatures and density profiles as well as measurements of snow accumulation and surface velocities. These observations allow us to develop and validate a three-dimensional thermal regime model coupled with a flow model and forced by meteorological data. This model is used to perform a thorough study of the thermal response of cold accumulation zone to climate change. It can also be used for the prediction of future glacial hazard related to hanging glaciers warming. A preliminary analysis has been carried out on the hanging glacier of Taconnaz. The warming could have a major impact on the stability of this kind of glaciers frozen to their beds if the melting point is reached. The study performed on Tête Rousse glacier (about 3200 m) shows clearly the influence of the snowpack and firn cover on the thermal regime of glaciers around the equilibrium line. The results obtained from coupling of a snow model (CROCUS) with a model of thermal regime reveal a very good agreement with the observed ice temperatures. This study provides insights into the thermal processes responsible for water storage inside a small almost static glacier, which can lead to catastrophic outburst floods. In the future, according to atmospheric temperature increase scenarios for the coming century, most of the glacier will become cold which will reduce the risk of water filled cavity formation. Finally, a new inverse method has been developed to reconstruct temperatures in the past from observed englacial temperatures. The method is based on the simultaneous inversion of several temperature profiles coming from different drilling sites with the same climate forcing. The method overcomes the impact of refreezing meltwater to reconstruct past air temperatures variations. This is similar to the observed regional low altitude trend. The results obtained on the Col du Dome shows that climate warming on the site at 4250 m is similar to the observed regional low altitude trend in the northwestern Alps, suggesting that air temperature trends are not altitude dependent.

Dans les industries de procédés, les opérations de pompage et de transformation sont fondamentales et omniprésentes. Durant ces opérations unitaires (incluant des transferts de chaleur, de matière et de quantités de mouvement), les produits évoluent (réactions chimiques et biochimiques, croissances microbiennes, traitements thermiques, etc.) induisant dans de nombreux cas des phénomènes d'encrassement avec des cinétiques et des intensités variables. Les recherches issues de l’INRA ont conduit à la mise au point d’un capteur d’encrassement basé sur une analyse thermique différentielle et locale. Ce dernier permet le contrôle en continu et en ligne du niveau d’encrassement d’un équipement et a été protégé par brevet. L’entreprise Neosens a acquis une licence d’exploitation exclusive sur ce brevet afin de développer et commercialiser le produit dont les limites sont maintenant connues.Dans ce travail, nous visons à atteindre deux objectifs majeurs en vue de répondre aux nouvelles problématiques posées. Le premier doit permettre la mise au jour d’un capteur d’encrassement en utilisant les technologies microsystèmes. Le second vise la validation d’un nouveau mode de fonctionnement et d’une méthode pour le contrôle de l’encrassement. Ce travail s'appuie naturellement sur les travaux antérieurs et les principales phases de recherche ont porté sur la conception, la réalisation et l'intégration d'éléments sensibles sur les bases technologiques des microsystèmes, l'intégration des régimes thermiques permanent et périodique associés au traitement en ligne du signal et à la validation expérimentale aux échelles laboratoire, pilote et industrielles des géométries et configurations nouvelles.Les travaux de recherche ont permis de fiabiliser et d’améliorer considérablement les performances métrologiques. Le microsystème réalisé apparaît comme complémentaire du capteur existant en termes de limites de détection et de quantification. / In industrial processes including agro and bioprocess, fouling is considered to be a complex and misunderstood phenomenon. Unit operations (including heat, mass and momentum transfers) are carried out in continuous, batch or fed-batch processes. During these operations, the products may evolve (chemical and biochemical reactions, microorganisms growth and activity, etc.) and fouling may occur with a wide range of kinetics from minutes up to years and dimensions from micrometers up to centimeters. Research issued from INRA led to develop a fouling sensor based on local differential thermal analysis and to patent this system. The device enables on-line and continuous monitoring of fouling propensity. Neosens company acquired an exclusive licence and develop and commercialize the sensor whose operating limits are known. In this work, our scientific and technological objectives are to break new locks through: (i) the realization of a fouling sensor based on microsystems technologies, (ii) the investigation and validation of an alternative thermal working mode and a method for fouling monitoring. Based on the previous work, our research deals with conception, realisation and integration of components based on microsystems technologies, integration of permanent and periodic thermal regimes with on-line data treatment and experimental validation at laboratory, pilot-plant and industrial scales for new geometries and configurations.This work led to metrology improvement and reliability. The resulting microsensor seems to be a complement of previous sensor regarding detection and quantification limits

La compréhension des déterminismes des communautés de poissons et de leurs variations est un enjeu majeur, tant en écologie qu'en bioindication. Dans ce travail doctoral, nous avons mis en place des outils de statistiques avancées afin d'identifier les aspects des régimes thermique et hydrique, constituants essentiels de l'environnement naturel des poissons, responsables des variations des assemblages de juvéniles de cyprinidés du haut Rhône. En utilisant des chroniques de températures de l'eau, de débits et d'échantillonnages par pêche électrique sur la période 1980-2005, nous avons déterminé trois groupes d'espèces présentant des réponses synchrones aux variations d'environnement, et développé deux types de modèles hiérarchique, s'appuyant sur ces groupes, selon une perspective bayésienne :- un modèle de régression poissonienne, pour lequel nous avons utilisé une procédure de choix de modèle fondée sur le critère du Facteur de Bayes. Ce premier modèle nous a permis de sélectionner les variables d'intérêt et de quantifier leurs effets sur les variations interannuelles d'abondances des différentes espèces. - un modèle à facteur latent partagé, résumant l'influence commune d'une variable latente, l'hypersignal, sur les variations de l'environnement et des proportions relatives des groupes d'espèces. Nous avons ainsi souligné les importances relatives des variables environnementales dans la structuration des communautés. Alors que leurs effets sont généralement discutés séparément, nous avons mis en évidence l'influence conjointe des régimes thermique et hydrique sur la structuration et les variations interannuelles des assemblages de juvéniles de poissons en grandes rivières.

Les poissons vivant au sein d’une rivière sont soumis à des variations circadiennes de température pouvant influencer la croissance, la digestion et le métabolisme standard. Les modèles bioénergétiques utilisant les fonctions métaboliques pour déterminer la croissance d’un poisson ont souvent été élaborés avec des poissons acclimatés à des températures constantes. Ces modèles pourraient sous-estimer l’énergie dépensée par un poisson soumis à des températures fluctuantes. En utilisant la respirométrie par débit intermittent, les objectifs de ce travail étaient : (1) de quantifier les différences entre les taux métaboliques standards de poissons acclimatés à une température constante (20.2 oC ± 0.5 oC) et à des fluctuations circadiennes de température (19.8 oC ± 2.0 oC; 19.5 oC ± 3.0 oC) et (2) comparer deux méthodologies pour calculer les taux métaboliques standards de poissons sujets aux fluctuations circadiennes de températures : respirométrie (a) en température constante ou (b) en température fluctuante. Les poissons acclimatés à des fluctuations circadiennes de température ont des taux métaboliques standards plus élevés que des poissons acclimatés à une température constante. À 20.2 oC ± 0.5 oC, les taux métabolique standards ont été de 25% à 32% plus bas pour des poissons maintenus à une température constante que pour des poissons gardés sous des fluctuations circadiennes de température. Les méthodologies utilisées pour estimer les taux métaboliques standards de poissons sujets aux fluctuations de température offrent des résultats similaires. / Fish that inhabits river are subjected to circadian fluctuations in water temperature. These fluctuations can influence growth, digestion and metabolic processes. Bioenergetic models are traditionally modeled using data recorded from fish kept at constant water temperatures. These models could underestimate the energy spent by fish subjected to fluctuating temperatures. Thus, with intermittent-flow respirometry, the objectives of this study were to: (1) quantify the differences between standard metabolic rates of fish acclimatized to a constant temperature (20.2 oC ± 0.5 oC) and two circadian fluctuating temperatures (19.8 oC ± 2.0 oC; 19.5 oC ± 3.0 oC) and (2) compare two methodology for calculate standard metabolic rates of fish subjected to circadian fluctuating temperatures: intermittent-flow respirometry with (a) constant temperature or (b) fluctuating temperatures. Fish held at circadian fluctuating temperatures have higher standard metabolic rates than fish acclimatized to a constant temperature. At 20.2 oC ± 0.5 oC, standard metabolic rates was 25% to 32% lower for fish held at constant temperature than for fish held under circadian fluctuations. However, results of the two different strategies used to calculate standard metabolic rates of fish subjected to circadian fluctuating temperatures did not differ.

Les poissons vivant au sein d’une rivière sont soumis à des variations circadiennes de température pouvant influencer la croissance, la digestion et le métabolisme standard. Les modèles bioénergétiques utilisant les fonctions métaboliques pour déterminer la croissance d’un poisson ont souvent été élaborés avec des poissons acclimatés à des températures constantes. Ces modèles pourraient sous-estimer l’énergie dépensée par un poisson soumis à des températures fluctuantes. En utilisant la respirométrie par débit intermittent, les objectifs de ce travail étaient : (1) de quantifier les différences entre les taux métaboliques standards de poissons acclimatés à une température constante (20.2 oC ± 0.5 oC) et à des fluctuations circadiennes de température (19.8 oC ± 2.0 oC; 19.5 oC ± 3.0 oC) et (2) comparer deux méthodologies pour calculer les taux métaboliques standards de poissons sujets aux fluctuations circadiennes de températures : respirométrie (a) en température constante ou (b) en température fluctuante. Les poissons acclimatés à des fluctuations circadiennes de température ont des taux métaboliques standards plus élevés que des poissons acclimatés à une température constante. À 20.2 oC ± 0.5 oC, les taux métabolique standards ont été de 25% à 32% plus bas pour des poissons maintenus à une température constante que pour des poissons gardés sous des fluctuations circadiennes de température. Les méthodologies utilisées pour estimer les taux métaboliques standards de poissons sujets aux fluctuations de température offrent des résultats similaires. / Fish that inhabits river are subjected to circadian fluctuations in water temperature. These fluctuations can influence growth, digestion and metabolic processes. Bioenergetic models are traditionally modeled using data recorded from fish kept at constant water temperatures. These models could underestimate the energy spent by fish subjected to fluctuating temperatures. Thus, with intermittent-flow respirometry, the objectives of this study were to: (1) quantify the differences between standard metabolic rates of fish acclimatized to a constant temperature (20.2 oC ± 0.5 oC) and two circadian fluctuating temperatures (19.8 oC ± 2.0 oC; 19.5 oC ± 3.0 oC) and (2) compare two methodology for calculate standard metabolic rates of fish subjected to circadian fluctuating temperatures: intermittent-flow respirometry with (a) constant temperature or (b) fluctuating temperatures. Fish held at circadian fluctuating temperatures have higher standard metabolic rates than fish acclimatized to a constant temperature. At 20.2 oC ± 0.5 oC, standard metabolic rates was 25% to 32% lower for fish held at constant temperature than for fish held under circadian fluctuations. However, results of the two different strategies used to calculate standard metabolic rates of fish subjected to circadian fluctuating temperatures did not differ.

En général, le métabolisme des poissons est estimé à des valeurs de température constantes, mais les effets de fluctuations journalières de température similaires à celles retrouvées en milieu naturel semblent peu connus. Les objectifs du présent mémoire sont de quantifier les effets de la température moyenne d’acclimatation et d’évaluer les effets de l’historique thermique des individus, sur les réponses métaboliques de tacons de saumon Atlantique (Salmo salar) aux fluctuations journalières de la température. Des tacons provenant de deux rivières, une fraîche et une chaude, ont été acclimatés à un maximum de quatre régimes thermiques (constant 15 °C ou 20 °C, fluctuant 15 °C ± 2.5 °C ou 20 °C ± 2.5 °C) et leur taux métabolique standard estimés par respirométrie par débit-intermittent. Les fluctuations journalières de température (15 °C ± 2.5 °C) près de l’optimum thermique pour cette espèce (16 °C) n’affectent pas le taux métabolique standard. À l’opposé, les fluctuations journalières de température plus chaudes (20 °C ± 2.5 °C) augmentent de 35.4% le taux métabolique standard des tacons de la rivière plus chaude, mais pas ceux des poissons de la rivière fraîche. Ainsi, la température moyenne à laquelle sont acclimatés les poissons peut affecter leur réponse métabolique aux fluctuations journalières de température, mais cette réponse peut varier entre populations provenant de rivières présentant des régimes thermiques différents. Enfin, grâce aux données de métabolisme précédemment estimées, un modèle de métabolisme standard a été développé pour des tacons de saumon Atlantique soumis à des fluctuations journalières de température. / Usually, fish metabolism is evaluated under constant values of temperature, but the effects of daily temperature fluctuations similar to those found in natural environment on metabolism seems to be much less understood. The goals of this study are to quantify the effects of the mean acclimation temperature and to assess the effects of the thermal history on the metabolic response of Atlantic salmon (Salmo salar) parr to daily fluctuations of water temperature. Atlantic salmon parr originating from two rivers, one cool and one relatively warm, were acclimated to up to four thermal regimes (constant 15 °C or 20 °C, daily fluctuating 15 °C ± 2.5 °C or 20 °C ± 2.5 °C) and their standard metabolic rate was estimated using intermittent-flow respirometry. Daily temperature fluctuations (15 °C ± 2.5 °C) near this species’ thermal optimum (16 °C) do not influence standard metabolic rate. In contrast, daily fluctuations of higher temperature (20 °C ± 2.5 °C) do increase standard metabolic rate by 35.4% for fish from the warmer river, but not for fish from the cooler river. Therefore, the mean temperature to which fish are acclimated may affect their responses to daily fluctuations of water temperature, but this response may vary between populations originating from rivers having different thermal regimes. Using standard metabolic rates previously estimated, a standard metabolic rate model was developed for Atlantic salmon parr exposed to daily fluctuations of temperature.