Le réseau magnétique consiste en un ensemble de petites concentrations de flux magnétique sur la photosphère solaire. Vu sa petite échelle de taille et de flux, à la limite de détection, son comportement n'est connu que depuis récemment. Les interactions du réseau sont pourtant cruciales afin de comprendre la dynamo et l'irradiance solaires, car beaucoup de caractérisques du réseau dépendent de ces interactions. De plus, le réseau est la principale contribution magnétique surfacique à l'irradiance solaire. Les modèles existants du réseau ne tenaient jusqu'à maintenant pas compte des interactions du réseau. Nous avons tenté de combler cette lacune avec notre modèle. Nos simulations impliquent une marche aléatoire en 2D de tubes de flux magnétiques sur la photosphère solaire. Les tubes de flux sont injectés puis soumis à des règles de déplacement et d'interaction. L'injection se fait à deux échelles, respectivement la plus petite et la plus grande observables: les tubes de flux élémentaires et les taches solaires. Des processus de surface imitant ceux observés sont inclus, et consistent en l'émergence, la coalescence, l'annulation et la submergence de flux. La fragmentation des concentrations n'est présente que pour les taches, sous forme de désintégration libérant des tubes de flux. Le modèle est appliqué au cycle solaire 21 (1976-1986, le mieux documenté en termes de caractéristiques de taches solaires. Il en résulte des réponses à deux questions importantes en physique solaire. La première est: l'injection de flux magnétique à deux échelles très distinctes peut-elle conduire à une distribution de flux en loi de puissance comme on l'observe, si l'on inclut des processus de surface qui retraitent le flux? Cette question est étroitement liée à l'origine de la dynamo solaire, qui pourrait produire ladite distribution. Nous trouvons qu'on peut effectivement produire une telle distribution avec ce type d'injection et ce type de processus de surface. Cela implique que la distribution de flux observée ne peut servir à déterminer quel type de dynamo opère dans le Soleil. La deuxième question à laquelle nous avons apporté un élément de réponse est celle à savoir combien de temps il faut au réseau pour retrouver son état d'activité de base. Cet état a été observé lors du minimum de Maunder en 1645-1715 et touche de près la question de l'influence de l'activité solaire sur le climat terrestre. Le récent minimum d'activité est considéré par certains comme ayant atteint cet état. Nous trouvons plutôt que ça n'a pas été le cas. En effet, le temps de relaxation du réseau que nous avons calculé est supérieur au temps écoulé entre la fin du dernier cycle solaire d'activité et celui de l'amorce du présent cycle. / The magnetic network is an ensemble of small magnetic flux concentrations on the solar photosphere. Given its small scale in size and flux, at the detection limit, its behavior has only been known since recently. The network's interactions are crucial in understanding the solar dynamo and the solar irradiance, as many network characteristics depend on these interactions. The network is the main surface magnetic contribution to the solar irradiance. The extant models of the network so far did not consider interactions. We have attempted to remedy this failing with our model. Our simulations involve a random walk in 2D of magnetic flux tubes on the solar photosphere. The flux tubes are injected, then undergo displacement and interaction rules. Injection occurs on two scales, the smallest and the largest observable respectively: elementary flux tubes and sunspots. Surface processes are included which imitate the ones observed: emergence, coalescence, cancellation and submergence of flux. Fragmentation of concentrations only happens for sunspots, as disintegration releasing flux tubes from the spot. The model is applied to solar cycle 21 (1976-1986), the best documented in terms of sunspot characteristics. Two important questions in solar physics have been answered with this model. The first pertains to whether flux injection at two very distinct flux scales can lead to a flux distribution in the shape of a power law, as observed, in the presence of surface mechanisms which reprocess the flux. This question is tied to the origin of the solar dynamo, which could produce (or not) this distribution. We find that it does produce the aforementioned distribution. This implies that the observed flux distribution cannot be used to constrain the type of dynamo operating in the Sun, because the surface flows can equally well produce the observed flux distribution. The second question is how long the network takes to return to its baseline activity level during a prolonged activity minimum. This state was observed during the Maunder minimum in 1645-1715 and bears strongly on the relationship between solar activity and Earth climate. The recent activity minimum is considered by certain authors to have reached the baseline state of solar activity. However, we find that this was not the case. The network relaxation time we calculate is longer than the duration of the last minimum.

Le concentrateur à réflecteur linéaire de Fresnel (LFR) est une technologie solaire thermodynamique en plein essor : petites applications industrielles (chaleur, froid, électricité) à centrales électriques (10-100 MWel). Ce travail de thèse établit un modèle global du procédé solaire, en régime permanent, pour un prédimensionnement du système. Le modèle comprend trois parties chaînées : (i) les transferts radiatifs dans le concentrateur optique, modélisés précisément par une méthode de Monte Carlo (environnement EDStar) ; (ii) les transferts thermiques dans le récepteur, évalués analytiquement (puissances, températures) ; (iii) le cycle thermodynamique, avec Thermoptim. L’application étudiée couple un concentrateur LFR à un moteur Ericsson. L’air est fluide caloporteur et de travail. Un prototype est en construction. L’hybridation et le stockage thermique sont des options clés. Un modèle systémique permettrait d’optimiser l’opération du procédé, en étudiant son comportement dynamique. / Linear Fresnel Reflector (LFR) is a promising Concentrating Solar Power technology. Research is booming and industrial applications are emerging. Applications range from small production units (heat, cold, electricity) to utility scale power plants (several tenths of MW). This PhD work establishes a global model of the solar process, in order to improve our knowledge of the system’s performances. It is a static model suited for a pre-design of the system. The model is chaining three parts. Radiative heat transfer in the optical concentrator is modelled by Monte Carlo statistical Method. The algorithm enables a detailed study of any geometrical configuration, especially through absorbed power flux maps on the receiver. The simulation tool is using the environment of development EDStar. The thermal model calculates analytically the useful thermal power, losses and temperature profiles along the receiver (glass cover, fluid, pipe...). The thermodynamic cycle is simulated analytically using the software Thermoptim. The studied application uses air as heat transfer and working fluid. Air directly feeds an Ericsson engine. The engine developed by LaTEP laboratory is promising for small scale cogeneration (1 to several tenths of kWel). The prototype Linear Fresnel Reflector built in Ecole des Mines d’Albi will enable experimental study of a solar process coupling an LFR concentrator and an Ericsson engine. The technology under study can feed a power plant or a cogeneration system in the industry, producing electricity and heat at 100 to 250°C. Hybridisation with an other energy source (biomass, gas...) and thermal storage (molten salt?) are key features to investigate. To optimise the operating strategy of the process, dynamic behaviour must be studied: a systemic or agent based model is a very relevant approach.

En ce début de millénaire 1,4 Milliards d'humains, parmi les plus démunis de la planète, vivent dans des sites isolés et ne bénéficient pas de réseaux de distribution d'énergie. Leur besoin en électricité est modeste, mais important en terme d'usages : accès aux soins médicaux et à l'instruction, communication, développement d'économies locales. C'est face à ce constat que Schneider Electric Industries relève, depuis 2009, le défi de concevoir et réaliser des microcentrales solaires thermodynamiques, concurrentielles à d'autres solutions, pour fournir à ces populations une énergie électrique fiable et respectueuse de l'environnement. Inscrit dans le cadre de ce projet, le présent travail - réalisé en Cifre - est séquencé par l'évolution industrielle du projet. Dans un premier temps, un Etat de l'Art, étendu à une analyse de détail, a contribué à privilégier certains choix technologiques : capteurs solaires à concentration, stockage thermique à chaleur sensible et moteur de Stirling. Dans un second temps, une étude thermodynamique préliminaire a permis d'évaluer le dimensionnement d'éléments clefs du système : champ de captage solaire et stockage thermique. En complément une étude de sensibilité paramétrique du dimensionnement et des performances à divers facteurs de pertes énergétiques a souligné les points durs techniques et participé à l'orientation des travaux de conception. Enfin, l'analyse exergétique de fonctionnement de capteurs solaires et d'un moteur Stirling en régimes dynamiques stationnaires proposent des bases pour l'optimisation de contrôle et commande, visant à accroître les performances énéergétiques du système et favoriser sa viabilité thermoéconomique / As a new millenium begins, 1.4 Billion people worldwide earn less than 2 dollars daily and have no access to the power grid. The need of electric power of these people represent small energy amounts but is very important regarding to the usage : acces to healthcare and education, communication, local economic development. In reponse to the situation, since 2009, Schneider Electric Industries takes up the challenge to design and realize micro solar power plants, competitive with other solutions, to supply these people with reliable and environment-friendly electricity. Dealing with this project, this work has been realized under contract, so it follows the development sequence of the industrial project. The first part is a State of the Art of the actual solar thermodynamical technologies. This task is extended to a qualitative evaluation of various technologies, as a contribution to select adapted technologies: concentrating solar thermal receivers, sensible heat thermal storage and Stirling engine. The secon step is a preliminary thermodynamics analysis of the whole system, that allowed to evaluate key features: the size of the solar receivers area, the thermal storage volume, and overall energy performance. This task is streched by a sensitivity analysis of the sizing and performances, according to various energy losses parameters, that shows the technical hard spots of the design. Finally, an exergy-based dynamical analysis of stationary operating solar receivers and Stirling engines leads to a propostion of basis methods and criteria for the optimal control of power, in order to maximize the energy performances of the system and to enhance its competitiveness

L’objectif du travail est la mise en place d’un pôle intégré d’excellence pour l’énergie solaire en Afrique de l’Ouest. Trois pays y ont été identifiés comme territoires d’expérimentation (Burkina Faso ; Côte d’Ivoire ; Sénégal). Les enquêtes de terrain dans ces territoires suivies d’une analyse de filière a permis de mettre en évidence les interactions entre les acteurs de la filière solaire dans les trois pays (pouvoirs publics ; recherche et formation ; entreprises ; société civile ; utilisateurs). La réalisation de matrices d’influences directes à partir des résultats de l’analyse de la filière solaire dans les pays a permis de comprendre le faible niveau de relations entre les acteurs interdépendants. Les résultats révèlent que les pouvoirs publics demeurent les acteurs dominants de la filière solaire dans les trois pays, malgré la faiblesse de leur volonté. Les entreprises privées et les organisations non gouvernementales sont des acteurs relais (entre les pouvoirs politiques et les utilisateurs) qui jouent un rôle d’installation d’équipements solaires et de développement de projets surtout en milieux ruraux. Les utilisateurs (consommateurs) de la filière solaire sont des acteurs « dominés » qui n’ont pas d’influence sur les autres acteurs notamment les pouvoirs politiques. La recherche et la formation dont les résultats se limitent à des formations théoriques ou des expérimentations non diffusées restent des acteurs isolés. Le pôle intégré construit permet de stabiliser, régulariser et faire circuler entre eux les connaissances produites et les capacités développées par les acteurs en interactions au sein d’un écosystème / The purpose of this thesis is the building an integrated excellence pole for solar energy in West Africa. Three countries have been identified as areas for experimentation (Burkina Faso; Cote d’Ivoire; Senegal). Field surveys in these territories and sector analysis allow highlighting the interactions among the solar sector actors in the three countries (political field, research and training, business, civil society, users). The realization of direct influence matrices from the results of solar energy sector analysis in the countries helped us to understand the low level of relationship among interdependent stakeholders.The results show that the public authorities are still the dominant players, despite the weakness of their willingness. Private companies and non-governmental organizations have a liaison role playing an essential task of solar equipment installation and projects development especially in rural areas. The users of the solar sector are dominated players without influence on the other players especially the public authorities. The research actors clearly appear as isolated: Their results are generally limited to theoretical courses, the conduct of experiments and prototypes that rarely reach public release phase. The constructed pole allows to stabilize, to settle and to make the produced knowledge circulate and the capacities developed by the actors in interaction within an ecosystem.

L’industrialisation et l’utilisation dans la vie courante d’un nombre croissant de produits chimiques et médicamenteux sont responsables de la dissémination dans l’environnement de substances variées nommées« polluants émergents ». Les traitements des eaux usées existants ne sont pas conçus pour éliminer cette catégorie de pollution et les polluants émergents sont alors rejetés dans le milieu récepteur. Une possible solution pour limiter le rejet de ces composés par les effluents de station d’épuration serait l’utilisation de procédés de traitement additionnels tels que les procédés d’oxydation avancés. C’est dans ce contexte qu’a démarré le projet Européen Clean Water en 2009 associant 7 entités dont le GEPEA-Ecole des Mines de Nantes. Le concept du projet est de développer des procédés photocatalytiques mettant en œuvre des nanomatériaux actifs sous la lumière solaire. Ces procédés visent à éliminer les polluants émergents tels que les perturbateurs endocriniens ou les produits pharmaceutiques. Dans ce programme, le laboratoire GEPEA est concerné par l’évaluation de l’efficacité des matériaux vis-à-vis de l’élimination des polluants émergents sous irradiations UV et visibles. Pour cela, une méthodologie expérimentale a été établie de façon à exprimer les performances des catalyseurs testés en termes de constantes cinétiques de dégradation, de taux de conversion et de minéralisation des molécules étudiées mais aussi en fonction de la formation de produits intermédiaires. Ces performances sont également évaluées en termes de biodégradabilité, d’effet de toxicité et de perturbation endocrinienne des produits intermédiaires. Dans un premier temps, la méthodologie expérimentale établie a été testée sur la dégradation de la tétracycline en utilisant un catalyseur de référence puis, elle a été appliquée sur la dégradation respective du bisphénol A et de la 17β-oestradiol en utilisant un catalyseur de référence et les catalyseurs élaborés dans le cadre du projet Clean Water. Les résultats sur la dégradation de la tétracycline ont montré que i) les intermédiaires réactionnels sont moins toxiques que la tétracycline, ii) la structure des intermédiaires réactionnelles est semblable à celle de la tétracycline ce qui explique la faible biodégradabilité de ces intermédiaires. Concernant la dégradation du bisphénol A et de la 17β-oestradiol, les résultats ont montré que i) les catalyseurs sont efficaces sous irradiation solaire simulée. Cependant, l’efficacité photocatalytique du catalyseur dépend du composé à dégrader, ii) la nature des intermédiaires réactionnels identifiés du bisphénol A dépend du catalyseur utilisé, iii) l’effet œstrogénique de la solution d’oestradiol persiste au cours du traitement photocatalytique. / Industrialisation, the use of numerous chemical products in domestic activities and the use of medicine drugs have led to the release in the environment of various substances named "emerging pollutants”. The existing wastewater treatments are not designed to eliminate this kind of pollution and then these pollutants are released into the natural aquatic media. To limit the release of these compounds by waste water treatment plant effluent, a solution could be the use of additional treatment processes such as advanced oxidation processes. In this context, the European project Clean Water has started in 2009. Clean Water involves 7 entities including the GEPEA laboratory-Ecole des Mines de Nantes. The aim of the Clean Water project is to develop sustainable and cost effective water treatment and detoxification processes using TiO2 nanomaterials with UV-visible light response under solar light. These processes act to remove emerging contaminants such as endocrine disruptors and pharmaceuticals. In this program, theGEPEA laboratory is concerned with the evaluation of the efficiency of novel photocatalysts under UV and visible irradiations for the elimination of emerging pollutants. For this purpose, an experimental methodology was established to express the efficiency of the tested catalysts in terms of degradation kinetic constants, pollutants conversion and mineralisation and also in terms of the intermediate products formed. The efficiency of photocatalysts is also evaluated in terms of intermediates biodegradability, toxicity and endocrine disruption effects. First, the experimental methodology was tested on the degradation of tetracycline with a reference catalyst. Then, it was applied to the degradation of bisphenol A and estradiol respectively with the reference catalyst and the catalysts developed within the Clean Water Project. The results obtained on the tetracycline degradation have showed that: i) tetracycline intermediate products are less toxic than tetracycline ii) the intermediates structure is similar to that of tetracycline, this can explain the low biodegradability observed for these intermediates. For the degradation of bisphenol A and estradiol, the results showed that: i) the photocatalysts are efficient under simulated solar irradiation. However, the catalyst photocatalytic efficiency depends on the compound to be degraded ii) the nature of the bisphenol A reaction intermediates identified depends on the catalyst used iii)the estrogenic effect of the estradiol treated solution persists during the photocatalytic treatment.

La majorité des bâtiments existant aujourd'hui ne respectent pas les réglementations thermiques actuelles. Pour répondre aux exigences environnementales il est impossible, dans ce contexte, d'envisager une politique globale de démolition-reconstruction. Des campagnes de réhabilitation doivent être mises en place. Une solution innovante de réhabilitation énergétique est proposée permettant d'exploiter les ressources énergétiques urbaines, peu utilisées actuellement. Elle consiste à rajouter autour du bâtiment une enveloppe extérieure qui aurait pour fonction principale le captage d'énergie solaire. Un outil d'optimisation de la géométrie de l'enveloppe et de la distribution spatiale de panneaux capteurs à sa surface est développé. Sa validation est effectuée sur des cas simples, puis il est appliqué aux situations présentant de forts contrastes : optimisation pendant la période d'hiver ou d'été, à Oslo ou à Tunis, avec des obstacles proches masquant le Soleil. Afin de réaliser les formes complexes obtenues, il est proposé d'utiliser les gridshells comme système constructif. Ces structures obtenues par déformation élastique d'une grille de poutres en matériau composite initialement planes posent la question de la durabilité de ces matériaux soumis au chargement permanent. Pour étudier le comportement à long terme (fluage et rupture différée) de ces matériaux composés de fibres de renfort et matrice polymère viscoélastique, un modèle micro-mécanique est développé. Ce modèle de type shear-lag permet d'étudier l'influence des propriétés mécaniques des constituants sur la durée de vie du composite soumis à un chargement en traction et traction-cisaillement combinés / The majority of existing buildings does not follow present energy efficiency regulations. In order to fulfill environmental requirements it seems impossible, in this context, to consider a global demolition-reconstruction policy. Renovation programmes need to be implemented. An innovative energy efficiency improvement solution is proposed, enabling to explore urbain energy ressources presently underexploited. The concept is to add, around the building, an external envelope whose main function would be to collect energy. An optimization tool aiming at finding the optimal geometry and collectors' spatial distribution on the envelope's surface, is developed. Its validation is carried out on simple cases, it is then applied in situations showing strong contrasts: optimization during summer and winter, in Oslo and in Tunis, with close obstacles partially masking the Sun. In order to build the emerging complex geometries, the use of gridshell structures is proposed. These structures are obtained through elastic deformation of an initially plane grid made of composite material slender beams. This raises the problem of composite materials durability under sustained loading. In order to study the long-term behavior (creep and creep rupture) of these materials composed of reinforcing fibres and a polymeric viscoelastic matrix, a micromechanical model is developed. This shear-lag type model allows studying the influence of the constituents' mechanical properties on the lifespan of the composite under permanent pure traction or combined shear and traction loadings

Les cellules solaires en couches minces permettent de produire de l'énergie à bas-coût et sans émission de gaz à effet de serre. Dans le but de réaliser des dispositifs toujours plus performants, nous étudions l'impact de l'intégration de nanostructures métalliques (NSs) au sein de cellules solaires organiques (CSO). Ces NSs peuvent alors générer des effets diffusifs et des résonances issues de plasmons de surface. A l'aide d'un modèle numérique FDTD, nous démontrons que l'ingénierie plasmonique peut servir à augmenter l'absorption dans le matériau photoactif tout en limitant l'énergie perdue sous forme de chaleur dans les NSs. L'influence de paramètres opto-géométriques de structures associant matériaux organiques et effets plasmoniques est étudiée (diamètre, position des particules dans la couche et période du réseau de particules sphériques). Expérimentalement, des NSs d'argent ont été réalisées par évaporation sous vide puis intégrées dans des couches organiques. Nous avons mesuré une exaltation de l'absorption optique dans la gamme spectrale utile à la photo-conversion. Trois architectures différentes de CSO plasmonique ont été fabriquées et caractérisées par MEB, TEM et ToF-SIMS, puis modélisées, permettant d'identifier des verrous technologiques et de proposer des pistes d'amélioration. Nous avons aussi intégré des NSs au sein d'un empilement transparent et conducteur de type oxyde/métal/oxyde, dans le but de remplacer l'électrode classique en oxyde d'indium et d'étain d'une CSO. Le rôle de chaque couche de l'empilement sur le comportement optique de l'électrode est discuté. Les épaisseurs des couches d'une électrode de type ZnO/Ag/ZnO ont été optimisées. / Thin-film solar cells are able to produce low-cost energy without greenhouse gas emissions. In order to increase devices performance, we investigate the impact of metallic nanostructures (NSs) integrated in organic solar cells (OSC). These NSs can generate scattering effects and surface plasmon resonances. Using FDTD modeling, we demonstrate that plasmon engineering can be used to increase light absorption in a photoactive material while minimizing the energy lost as heat in the NSs. The influence of opto-geometrical parameters of plasmonic structures in organic material is investigated (diameter, position of particles in the layer and period of spherical particles array). Experimentally, silver NSs are deposited by evaporation and incorporated into an organic layer. We measured an optical absorption enhancement in the spectral range useful for photo-conversion. Three different architectures of plasmonic OSC are fabricated and characterized by SEM, TEM and ToF-SIMS, then modeled, allowing us to identify some technological obstacles and to propose possible improvements. We also integrated NSs inside a transparent and conductive multilayer stack composed of oxide/metal/oxide, in the aim of replacing the traditional indium tin oxide electrode of a OSC. The role of each layer of the stack on the electrode optical behavior is discussed. Layers thicknesses of a ZnO/Ag/ZnO electrode were optimized.

Les micro-bolomètres non-refroidis bénéficient de développements technologiques récents qui se traduisent par des matrices de plus en plus grandes (1024*768 pixels), pour des pixels de plus en plus petits (17 µm) et de plus en plus sensibles bien que non-refroidis (NETD<60 mK @300 K). L'objectif de cette thèse est d'étudier les détecteurs micro-bolométriques non-refroidis afin de tester leurs capacités en imagerie et en spectroscopie en vue de leur utilisation dans le cadre d'une mission spatiale vers les petits corps du système solaire, dont en particulier la mission Marco Polo R. J'ai étudié le fonctionnement de ces détecteurs en prenant pour exemple le détecteur Nano640Etm de la société Ulis, représentatif de la technologie des micro-bolomètres non-refroidis disponible actuellement. J'ai mesuré la stabilité dans le temps de son signal, l'homogénéité de la matrice du détecteur, et l'influence de différents paramètres de fonctionnement (température du plan focal, temps d'intégration des pixels, gain). La réponse du détecteur est linéaire en fonction de la température de scène à la puissance 4. Les résultats de cette caractérisation m'ont permis de mesurer le NETD du détecteur dans le cadre de cette expérience. J'ai ensuite testé les capacités du détecteur Nano640Etm en imagerie radiométrique calibrée afin d'estimer les erreurs maximales de calibration pour un, deux, ou trois points de calibration placés différemment dans la gamme de température observée / The recent progress of the uncooled micro-bolometer technology has lead to larger detector matrices (1024*768 pixels), with smaller pixel sizes (17 µm) and a higher sensitivity although it is an uncooled technology (NETD<60 mK @300 K). The objective of this thesis is to study uncooled micro-bolometer detectors in order to assess their performance for imagery and spectroscopy within the framework of a space mission towards small bodies of the solar system, including the Marco Polo R mission. I have studied these detectors through the example of the Nano640Etm detector of the Ulis society, which represents well the currently available uncooled micro-bolometer technology. I have measured its signal stability through time, the detector's matrix homogeneity, and the influence of various operating parameters (focal plane temperature, integration time of the pixels, gain). The detector's response is linear as a function of the scene temperature to the power of 4. The results of this characterization allowed me to measure the detector's NETD within this experiment. Then, I tested the Nano640Etm detector's ability to perform calibrated radiometric images in order to estimate the maximum calibration error for one, two, or three calibration points chosen differently within the observed temperature range. Lastly, I assessed the detector's performances for dispersive spectroscopic measurements, using its signal to noise ratio, as a function of the observation wavelength, the scene temperature, and the spectral resolution. The results of these tests are very positive.

Le climat du bassin méditerranéen est caractérise par un fort impact du déficit hydrique sur la croissance de la végétation. Dans ces régions fréquemment affectées par les sècheresses, l'humidité des sols est un facteur essentiel des processus hydrologiques et de la croissance de la végétation. Des études climatiques récentes ont montré qu'il est probable que le changement climatique accroitra encore l'impact des sècheresses et la pression sur les ressources en eau. Le bassin méditerranéen peut donc être qualifié de "point chaud" du changement climatique. Dans ce contexte, il est important de construire des synergies entre les systèmes d'observation satellitaire et in situ des surfaces continentales et les plateformes de modélisation. Cette thèse a été réalisée en lien avec le programme international HyMEX (Hydrological cycle in the Mediterranean Experiment), consacré à l'étude du cycle de l'eau et de la prévisibilité des risques hydro- étéorologiques en Méditerranée, notamment des sècheresses. Une climatologie des variables biogéophysiques (humidité du sol, indice foliaire de la végétation ou LAI -Leaf Area Index-) et des débits des cours d'eau a été construite sur la période 1991-2008, sur une zone couvrant l'Europe, le Moyen-Orient et l'Afrique du Nord. Pour cela, des simulations du modèle du système sol-plante ISBA-A-gs et du modèle hydrologique TRIP ont été réalisées. ISBA-A-gs simule la photosynthèse et son lien avec la conductance stomatique, ainsi que le cycle annuel de la biomasse foliaire. ISBA-A-gs a été pilote par les variables atmosphériques de surface de la réanalyse ERA-Interim du CEPMMT. Le ruissellement et le drainage simules par ISBA-A-gs ont été convertis en débits des rivières par TRIP. Dans un premier temps, la qualité des forçages ERA-Interim a été évaluée sur la France a l'aide de mesures in situ du rayonnement solaire incident et de la réanalyse SAFRAN, qui fournit des précipitations fondées sur un réseau dense de mesures in situ. Des biais ont été mis en évidence sur les deux variables : ERA-Interim sous-estime les précipitations (-27%) et surestime le rayonnement solaire incident (+7%). A l'échelle de l'Europe et du bassin méditerranéen, les biais des précipitations ERA-Interim ont été corriges sur une base mensuelle à partir des précipitations du GPCC. L'impact du biais des précipitations sur la simulation des débits par TRIP a été étudié, ainsi que l'impact des différences des variables biophysiques produites par plusieurs versions du modèle ISBA (dont ISBA-A-gs). L'utilisation d'ISBA-A-gs permet une meilleure représentation des débits d'étiage et l'emploi de données satellitaires pour contraindre le LAI améliore les débits au printemps. Le volume et les variations inter annuelles des débits d'eau douce vers la Méditerranée sont en accord avec les estimations pré-existantes. Enfin, les simulations d'humidité du sol et du LAI ont été comparées aux données in situ et satellitaires disponibles durant la période 1991-2008 sur l'Europe et le bassin méditerranéen, ainsi qu'au modèle ORCHIDEE de l'IPSL. Un bon accord est observe entre (1) l'humidité superficielle du sol simulée par ISBA-A-gs et tirée des observations satellitaires micro-ondes par le projet ESA-CCI Soil Moisture, et (2) la variabilité inter annuelle du LAI simule et le LAI produit par le projet GEOLAND2. Les variations inter annuelles de l'humidité du sol et du LAI sont corrélées lors de périodes clés, mais sur des zones plus étendues avec le modèle qu'avec les observations satellitaires. / The climate of the Mediterranean basin is characterized by marked impact of the soil water deficit on vegetation growth. In these areas, frequently affected by droughts, soil moisture is a key variable for understanding the hydrological processes and the vegetation growth. Recent climatic studies have shown that climate change will probably increase the impact of droughts together with the demand for water resources in this area. As such, the Mediterranean basin is recognized as a "hot spot" of the climate change. In this context, it is important to build synergies between in situ and satellite remote sensing observing systems of the continental areas and modeling platforms. This PhD thesis was performed in the framework of the international HyMEX (Hydrological cycle in the Mediterranean EXperiment) project, which is focused on the water cycle and on the prediction of hydrometeorological hazards (and particularly droughts) over the Mediterranean basin. A climatology of the biophysical variables (soil moisture, vegetation biomass or LAI –Leaf Area Index-) and river discharges was built for the 1991-2008 period over Europe, the Middle East and North Africa. In particular, simulations were performed by the ISBA-A-gs land surface model and by the TRIP hydrological model. ISBA-A-gs simulates photosynthesis and its link with the stomatal conductance, together with the leaf biomass annual cycle. ISBA-A-gs was driven by surface atmospheric variables derived from the ECMWF ERA-Interim reanalysis. Unoff and deep drainage simulated by ISBAA- gs were converted into river discharges by the TRIP model. First, the ERA-Interim forcing was evaluated over the France domain. This evaluation was performed using in situ measurements of the incoming solar radiation (ISR) and with the SAFRAN reanalysis, which provides precipitation data based on a dense network of in situ observations. Biases were evidenced for the two variables: ERA-Interim underestimates precipitation (-27%) and overestimates ISR (+7%). At the scale of Europe and of the Mediterranean basin, ERA-Interim precipitation biases were rescaled on a monthly basis using the GPCC precipitation data. The impact of precipitation biases on the river discharges simulated by TRIP was assessed, as well as the impact of the differences in biophysical variables values generated by several versions of ISBA (including ISBA-A- s). It was shown that the use of ISBA-A-gs permits a better representation of the river discharges at low water levels. The use of satellite-derived product to force the LAI improves river discharge simulations at springtime. The river freshwater inputs (volume and interannual variability) to the Mediterranean Sea are close to pre-existent estimates. Finally, the soil moisture and LAI simulations were compared to in situ and satellite observations, available over the 1991- 2008 period over Europe and the Mediterranean basin, as well as to the IPSL ORCHIDEE model. A good agreement is observed between (1) the surface soil moisture simulated by ISBA-A-gs and derived from satellite microwave observations by the ESA-CCI Soil Moisture project, and (2) the interannual variability of the simulated LAI and of the LAI produced by the GEOLAND2 project. The interannual soil moisture and LAI variations are correlated during key period, but over larger areas with the model than with the remote sensing data

De nombreuses recherches se focalisent sur l'étude des aires de distribution des espèces qui se décalent vers des conditions plus adaptées à leurs besoins physiologiques sous l'effet du changement climatique. Le choix des indices utilisés pour caractériser l'écologie des espèces et définir leur vulnérabilité au réchauffement en cours est souvent conditionné par leur disponibilité, alors qu'il devrait être basé sur les connaissances en écophysiologie qui les concernent. D'autre part, la résolution spatiale parfois grossière utilisée n'est pas toujours pertinente au regard de l'échelle à laquelle les processus biologiques se déroulent. Dans ce cadre, l'objectif de ce travail est de cartographier à fine résolution spatiale les bilans en eau des sols et leurs différentes composantes à l'échelle des forêts de France, et d'évaluer leur intérêt pour modéliser la distribution ou la productivité des espèces au regard des indices traditionnellement utilisés. Dans un premier temps, nous avons modélisé et cartographié les différentes composantes du bilan en eau des sols, et tout particulièrement le rayonnement solaire et la réserve utile maximale en eau (RUM) des sols forestiers à partir des relevés de l'Inventaire Forestier National (IFN). Ces données ont été combinées avec des températures et des précipitations pour spatialiser le bilan en eau des sols forestiers de France. Les principaux résultats montrent l'importance de la nébulosité dans la prise en compte du calcul du rayonnement solaire, et l'inefficacité des indices dérivés de l'exposition pour en simuler les valeurs à l'échelle de la France. Nous avons également déterminé qu'il est possible de réaliser avec des informations simples à collecter une carte des RUM des sols forestiers de France. Elle permet de prédire la croissance des essences avec une efficacité comparable aux valeurs relevées sur des placettes et d'améliorer la modélisation de la distribution de certaines essences. Enfin, nous démontrons que les calculs de bilans en eau qui prennent en compte la réserve en eau des sols sont plus efficaces que les bilans hydriques climatiques ou les pluies, particulièrement pour ce qui concerne les espèces hygrophiles ou xérophiles. Ces résultats laissent penser que l'importance de l'eau a été sous-estimée dans l'analyse de la distribution des espèces et l'étude des conséquences du changement climatique sur les plantes. Les données produites permettent de progresser dans la connaissance de l'écologie des espèces et de mieux caractériser la vulnérabilité des espèces, ouvrant la porte à la création d'outils plus fonctionnels pour aider les gestionnaires à évaluer les impacts du changement de climat et à s'y adapter. / Numerous researches focus on species distribution shifts toward ecological conditions most suited to plants under climate change. Ecological indices used to characterize species ecology and to define their vulnerability over broad areas are often at coarse resolution and are determined by data availability. The aim of this work was to map soil water balance and its different components at a fine spatial resolution, and to evaluate their interest to model plant distribution and growth over the whole French forests. We firstly modeled and mapped the solar radiation and the soil water holding capacity of forest soils. These data were combined with temperatures and precipitation to map the soil water balance. For solar radiation, the main results showed that this parameter is only accurately predicted at the French scale when cloudiness is taken into account. We also showed that soil water holding capacity can be mapped at the French scale using the basic information collected on numerous plots from the French national forest inventory. Values extracted from the soil water holding capacity map allowed predicting tree species growth with efficiency similar to values estimated on plots. We also demonstrated soil water balance is more efficient than climatic water balance or precipitation to model species distribution, mainly for hygrophilous and xerophilous species. These results suggest importance of available water could be underestimated when determining the ecological niche of species. These maps allow to improve species ecology knowledge and to help in the determination of their vulnerability area to climate change.