Composition du jury

Philippe CIAIS, Directeur de Recherche CEA, LSCE, rapporteur
Georges DURRY, Professeur,Université de Reims, SA,rapporteur
Hervé LE TREUT, Directeur de Recherche CNRS, LMD, examinateur
Pierre H. Flamant, Directeur de Recherche CNRS, LMD, directeur de thèse
Jacques PELON, Directeur de Recherche CNRS, SA, examinateur
Berrien MOORE, Professeur, Durham, University of New Hampshire, USA, examinateur
Pierre CELLIER, Directeur de Recherche CNRS, INRA, invité

Résumé

Le dioxyde de carbone (CO2) est actuellement le 1er gaz d’origine anthropique à contribuer à l’effet de serre. Sa concentration dans l’atmosphère atteint aujourd’hui 375 ppm, concentration qui n’a jamais été atteinte depuis 400000 ans. L’analyse de carottes de glace dans l’Antarctique montre par ailleurs une forte corrélation entre la température de surface du globe et la concentration de CO2. Ces observations laissent présager que les émissions anthropiques de CO2 pourraient induire une perturbation du système climatique bien au-delà de sa variabilité naturelle. Un réseau dobservations en surface, constitué d’environ une centaine de station, s’est construit progressivement depuis les années 50. Cependant la couverture temporelle et spatiale de ce réseau est limitée pour contraindre les modèles climatiques. La télédétection passive spatiale dans un premier temps puis active par LIDAR ont ainsi vu le jour pour répondre à un besoin de mesures globales de la concentration du CO2 atmosphérique.
Dans le but de cadrer l’étude instrumentale et de comprendre les processus naturels: photosynthèse, respiration et mélange à l’origine de la variabilité du rapport de mélange en CO2 dans la couche limite
atmosphérique (CLA) de la région parisienne, un modèle a été réalisé en collaboration avec l’INRA et le LSCE. Il permet de faire le lien entre l’écosystème à l’échelle locale et des mesures de concentration réalisées en surface, représentatives du transport à moyenne échelle. Ce modèle montre que des flux minimum de CO2 en surface sont typiquement de -25 mol.m-2.s-1 pendant la période de pleine croissance de la végétation
(identifiée fin avril début mai) alors que les flux nocturnes dus à la respiration se répartissent entre 3 et 8 mol.m-2.s-1. Ces résultats dépendent des conditions météorologiques et sont le reflet de l’écosystème du Sud-Ouest parisien, de la période des cultures, de la couverture forestière (~ 30 %) et des perturbations anthropiques majoritairement due au trafic routier au printemps, été et début de l’automne. Les résultats
montrent aussi une bonne modélisation de la photosynthèse par une simple proportionnalité avec le flux solaire visible.
Dans le cadre de cette thèse, un LIDAR de démonstration a été réalisé puis testé et utilisé pour déterminer les concentrations du CO2 atmosphérique et caractériser les échanges de ce gaz dans la troposphère. Différentes méthodes ont été mises en oeuvre: LIDAR rétrodiffusion pour une vue globales des conditions atmosphériques, des aérosols et des nuages et pour l’analyse de la situation météorologique, LIDAR DIAL pour la mesure de concentration du CO2, résolue spatialement et temporellement, pour analyser les processus de la photosynthèse et de la respiration et les perturbations anthropiques, LIDAR Doppler pour la compréhension de la dynamique atmosphérique en lien avec la variabilité de la concentration du CO2, pour l’analyse du mélange et de l’advection de différentes masses d’air. Le système DIAL a permis d’obtenir des résultats prometteurs quant à la mesure du rapport de mélange en CO2 avec une précision proche de 1 %.
Les mesures horizontales dans la couche limite et les mesures verticales de contenu intégré dans toute la CLA ont été comparées aux mesures in situ effectué au LSCE distant de quelques kilomètres de l’École Polytechnique. Les comparaisons sont bonnes (moins de 1 % lorsque les mesures in-situ et DIAL sont effectuées dans la même masse d’air) et les écarts (supérieurs à 1 % ) peuvent s’interpréter en terme de représentativité spatiale suivant les conditions météorologiques et la proximité de sources anthropiques, comme l’agglomération parisienne. Par ailleurs le travail de thèse montre que des nuages de moyenne et de haute altitude peuvent être utilisées pour effectuer des mesures dans la troposphère libre. Enfin l’analyse des processus naturels effectuée dans le travail de modélisation a montré la possibilité d’une séparation claire entre les rapports de mélange dans la couche nocturne et dans la couche résiduelle. En effectuant des tirs à 16° d’inclinaison on a mis en évidence la stratification verticale de l’atmosphère en rapport de mélange de CO2 corrélé avec le coefficient de rétrodiffusion, la vitesse et la direction du vent horizontal. Ces mesures montrent tout le potentiel d’une mesure DIAL résolue verticalement pour analyser les processus naturels ou anthropiques à l’origine des variations du rapport de mélange en CO2 dans la CLA.
Pour conclure un travail de modélisation instrumentale a été réalisé pour définir les caractéristiques d’un nouveau système capable de répondre aux objectifs scientifiques pour la réalisation à terme de mesures aéroportées et spatiales.