Tesis sobre el tema "Isotopes stables de la vapeur d'eau"

Les observations des isotopologues stables de l'eau dans l'atmosphère fournissent des informations précieuses sur l'histoire de la condensation et de l'évaporation de la vapeur d'eau. La fourniture de telles données avec haute résolution verticale dans la basse troposphère (0-3 km) contribue à améliorer notre compréhension des processus de base tels que la formation de nuages, la convection humide et le mélange, et offre la possibilité d'augmenter la précision des prévisions faites par les modèles de circulation générale de l'atmosphère. Malgré les progrès de la télédétection depuis le sol et depuis l'espace, les produits d'inversion à partir de capteurs passifs sont sujettes à des biais et manquent de la résolution verticale requise pour les études du cycle de l'eau dans la basse troposphère. L'objectif de cette thèse est d'étudier une approche de télédétection active basée sur la méthode DIAL (differential absorption lidar) pour mesurer à la fois l'isotopologue principal de la vapeur d'eau H2(16)O et l'isotopologue semi-lourd de l'eau HD(16)O avec une résolution verticale et temporelle élevée (100-200 m, 10 min). Les performances attendues d'un tel instrument en termes d'erreurs aléatoires et systématiques ont été analysées en premier lieu à l'aide de simulations prenant en compte les paramètres instrumentaux et atmosphériques. L'analyse théorique a montré que la plage spectrale autour de 1,98 μm est appropriée pour la mesure DIAL de H2(16)O et HD(16)O et que ces mesures nécessitent un laser accordable dans cette plage de longueurs d'onde avec des énergies d'impulsion de dizaines de mJ. Pour répondre à cette exigence, une source laser paramétrique basée sur un oscillateur paramétrique optique à cavités imbriquées et un étage d'amplification paramétrique optique utilisant des cristaux de phosphate de titanyl de potassium périodiquement polarisés (PPKTP) de haute ouverture (5×7 mm^2) a été mise en place. Cette source émit une radiation monofréquence largement accordable (1,95-2,30 μm) avec des énergies allant jusqu'à 9 mJ pour des impulsions de 12 ns à une fréquence de répétition de 150 Hz. En utilisant la source laser développée, des mesures DIAL de H2(16)O et HD(16)O dans la couche limite atmosphérique ont été réalisées en mode de détection directe dans le cadre de plusieurs campagnes de mesure. Il a été montré qu'avec la configuration de lidar développée, les mesures des isotopologues avec une précision significative sont limitées aux premières centaines de mètres au-dessus du sol. Pour réaliser des mesures avec des résolutions et précisions adaptées aux études du cycle de l'eau dans toute la couche limite, des améliorations instrumentales supplémentaires en termes d'énergie laser et de réduction du bruit de détection sont nécessaires. Dans ce but, une étape supplémentaire est proposée pour la conception et la préparation d'une architecture lidar capable d'atteindre une sensibilité plus élevée grâce à un schéma d'amplification à double étage optimisé, ce qui devrait permettre d'atteindre des énergies de sortie supérieures à 40 mJ
Observations of stable water isotopologues in the atmosphere provide valuable insights into the condensation and evaporation history of water vapor. The provision of such data with sufficient vertical resolution in the lower troposphere (0–3 km) helps to improve our understanding of basic processes like cloud formation, moist convection and mixing, and offers the potential to increase the accuracy in the predictions made by atmospheric general circulation models. Despite the progress in remote sensing from the ground and from space, retrievals from passive sensors are prone to biases and lack the vertical resolution required for water cycle studies in the lower troposphere. The aim of this thesis is to investigate an active remote sensing approach based on the differential absorption lidar (DIAL) method to measure both the water vapor main isotopologue H2(16)O and the semiheavy water isotopologue HD(16)O with high vertical and temporal resolution (100–200 m, 10 min). The expected performance of such an instrument in terms of random and systematic errors was first analyzed using simulations accounting for instrumental and atmospheric parameters. The theoretical analysis showed that the spectral range around 1.98 μm is suitable for DIAL profiling of H2(16)O and HD(16)O and that range-resolved measurements require a tunable laser in that wavelength range with pulse energies of tens of mJ. To fulfill this requirement, a parametric laser source based on a nested-cavity optical parametric oscillator and an optical parametric amplification stage using state-of-the-art high-aperture (5×7 mm^2) periodically poled potassium titanyl phosphate (PPKTP) crystals was implemented. It delivers widely tunable (1.95–2.30 μm) single-frequency radiation with energies up to 9 mJ for 12 ns pulses at a repetition rate of 150 Hz. Using the developed laser source, DIAL measurements of H2(16)O and HD(16)O in the atmospheric boundary layer were conducted in direct-detection mode in the frame of several measurement campaigns. It was shown that with the developed lidar setup, isotopologue measurements with meaningful precision are limited to the first few hundred meters above the ground. To achieve measurements with range resolution and precision suitable for water cycle studies within the entire boundary layer, further instrumental improvements in terms of laser energy and reduced detection noise are necessary. For this purpose, a further step is proposed for the design and pre-development of a lidar setup capable of achieving a higher sensitivity thanks to an optimized double-stage amplification scheme for the laser transmitter that should allow to reach output energies >40 mJ

Au cours de cette etude, de nombreuses experiences ont ete menees sur le devenir de la composition isotopique de l'eau dans le continuum sol-plante-atmosphere. Les processus qui gouvernent l'evolution des teneurs en isotopes stables de l'eau des feuilles ont pu etre identifiees et discutes. L'evolution tempiorelle des abondances relatives en oxygene-18 et en deuterium dans l'eau foliaire ont ete egalement modelisee. Ce modele prend en compte des parametres de nature differente, tels que des parametres climatiques (humidite relative, temperature de l'air), de l'envirronement (vitesse du vent), isotopiques (teneurs en isotopes lourds de l'eau d'alimentation, de la vapeur d'eau atmospherique qui participe aux echanges avec le reservoir d'eau foliaire, facteurs de fractionnement isotopique) et intrinseques a la plante

Les isotopes stables de l'eau constituent un outil intéressant pour étudier les variations passées et actuelles du cycle de l'eau. Sous les tropiques, la convection est un facteur important agissant sur la composition isotopique (δ18O, δD) de l'eau. Néanmoins, plusieurs questions subsistent sur la compréhension du signal isotopique, notamment en raison d'un manque de données dans la phase vapeur. Le but de cette thèse est d'une part de mesurer en continu pour la première fois au Sahel la composition isotopique de la vapeur d'eau en surface, puis de déterminer quelle est la valeur ajoutée de telles mesures pour l'étude du cycle de l'eau atmosphérique de la mousson africaine. Dans un premier temps, nous présentons notre protocole de mesure, à travers plusieurs tests réalisés en laboratoire avec une technologie laser récemment commercialisée. L'installation d'un instrument laser à Niamey (Niger) nous a permis d'acquérir des mesures pendant plus de deux ans. Nous discutons ces données à différentes échelles de variabilité. A l'échelle saisonnière, nous soulignons le rôle prépondérant de l'activité convective pendant la mousson et de la dynamique de grande échelle. Nous mettons en évidence de forts modes de variabilité intra-saisonniers évoluant au cours de l'année, illustrant le caractère intégrateur de la composition isotopique de la vapeur vis-à-vis de la convection pendant la mousson, et le rôle des interactions entre la circulation atmosphérique et les téléconnexions tropiques/extra-tropiques pendant la saison sèche. Nous discutons aussi de la variabilité diurne et des informations que peuvent nous apporter ces mesures sur les processus convectifs
Water stable isotopes are a useful tool to investigate past and present-day atmospheric water cycle. If the isotopic composition (δ18O, δD) of tropical precipitation is strongly affected by convective processes at different timescales, large uncertainties remain in the understanding of its variabilty, since a variety of factors can control δ, from local to large-scale processes. One way to better understand the atmospheric controls on the isotopic composition of precipitation is to monitor that of the water vapor in parallel. The goal of this thesis is to monitor continuously for the first time the near-surface water vapor isotopic composition in the Sahel region, and second to study what is the added value of such measurements for investigating the atmospheric water cycle of the West African Monsoon. First, we present our measurement protocol, through several experimental results conducted in laboratory. We have set up a commercially available laser instrument in Niamey (Niger) and monitored the isotopic composition of water vapor during more than two years. Then, we present and discuss the data, through several temporal scales of variability. We show that the water vapor isotopic composition is strongly impacted by convection during the monsoon period, and large-scale dynamics during the dry season. It also records strong intraseasonal fluctuations that could be linked to convection modes of variability during the monsoon, and interactions between atmospheric circulation and tropical/extratropical teleconnections during the dry season. We also discuss diurnal variations, and investigate the variability at the scale of the rain events

L'étude des réseaux trophiques est un prérequis à la compréhension du fonctionnement des écosystèmes. Cependant, les déterminants potentiels des réseaux trophiques (disponibilité des ressources, stabilité et taille de l'écosystème) restent discutés. Dans ce contexte, 3 nouvelles questions portant sur les réseaux trophiques des cours d'eau sont abordés par l'analyse des isotopes stables. Une première étude confirme le rôle structurant du gradient amont-aval dans le fonctionnement des cours d'eau, en précisant son in fluence directe et indirecte sur le réseau trophique piscicole. Une deuxième étude montre l'incidence négative de la variabilité du régime thermique des cours d'eau sur la longueur de chaîne trophique et apporte un nouveau soutien au déterminant "stabilité de l'écosystème". Enfin, une troisième étude explore les effets de l'occupation des sols à 2 échelles spatiales, et suggère une influence complexe jouant sur la diversité des ressources et des niveaux trophiques du réseau.

Les communautés piscicoles sont situées au sommet des chaînes trophiques. Cette position dans le réseau trophique lacustre leur confère, de ce fait, un rôle potentiel d'intégrateurs des processus sous- jacents, à l'échelle de l'écosystème. De plus, la composition en isotopes stables d'un organisme dépend des voies qui transfèrent le carbone jusqu'à cet organisme. Notre hypothèse de base était donc que la composition en isotopes stables des poissons pourrait donc constituer un indicateur relatif de fonctionnement trophique des lacs. Pour valider cette hypothèse, nous avons employé, dans un premier temps, le corégone, Coregomus lavaretus, un salmoniforme zooplanctonophage commun dans les lacs alpins, comme modèle biologique. Une étude préalable avait révélée que la composition en isotopes stables du carbone des corégones était très variable au sein des lacs alpins. Selon notre hypothèse, cette variabilité serait le reflet de différences dans les voies de transferts du carbone dans les réseaux trophiques de ces lacs. Les facteurs explicatifs de cette variabilité inter-lacs ont donc, dans un premier temps, été étudiés. Au terme de cette première partie, la composition isotopique du corégone s'est montrée être effectivement un indicateur du fonctionnement trophique des lacs. Les perturbations peuvent modifier les flux de carbone au sein des systèmes et devraient, de fait, conduire à des changements dans les compositions isotopiques des communautés de poissons. L'effet de deux perturbations d'origine anthropique sur la composition isotopique des poissons a, par la suite, été analysé: la première est relative à l'eutrophisation -restauration de deux lacs alpins, la seconde concerne le marnage dans deux réservoirs africains. Les résultats de ces deux études indiquent que des modifications majeures, engendrées par ces perturbations, dans l'origine et les flux de carbone dans les réseaux trophiques, sont enregistrées dans l'histoire isotopique des communautés piscicoles
Fish communities occupy the top of food chains. How fish obtain their constitutive carbon depends consequently of all the carbon pathways at the downer levels of the food web. This trophic position confers to fish a potential role of integrators of the underlying processes, at the ecosystem scale. Moreover, stable isotopes composition of an organism depends on all the pathways that transfer carbon up to this organism. Consequently, we wondered in what extent the stable isotopes composition of fish could be a proxy of the trophic functioning of lakes. To address this assumption, whitefish, Coregonus lavaretus, a zooplanktivorous salmonid common in alpine lake, was, in a first time, used as biological model. A preliminary study had revealed the stable isotope composition of whitefish was quite variable among alpine lakes. According to our idea, this variability mirrors differences in the carbon pathways of the food web of these lakes. To understand what was reflected by this variability, we studied initially in what extent it resulted from intrinsic factors (such as lake size or trophic status). This study has then lead us to deepen the role played by the zooplankton compartment in carbon pathways up to Whitefish. In the final stage of this first part, the isotopic composition of whitefish appeared as a proxy for lake trophic functioning. Changes in environmental factors can alter carbon pathways in food webs. If fish are efficient integrators of carbon pathways, impacts of perturbations should be mirrored on their isotopic compositions. Impacts of two anthropogenic perturbations of stable isotope composition of fish were then evaluated : the first one relates to eutrophication - restoration of two alpine lakes, the second one to water levels changes in two Malian reservoirs. Results from these two studies reveal that major changes, ensuing from these perturbation, in carbon origins and fluxes within lake food webs are recorded in the isotopic history of fish communities

Cette thèse présente des profils isotopiques (¹⁸O et ²H) d’eau liquide, vapeur et CO₂ réalisés sur cinq sondages effectués dans la zone non saturée à Béni-Abbès (Algérie). Une ligne de préparation des microquantités d’eau pour l’analyse de l’oxygène 18 et du deutérium a été mise au point, ainsi que des dispositifs spéciaux pour prélever les gaz du sol et les sédiments dans les sables très secs. Les résultats ont permis d’étudier : - les relations entre les teneurs en oxygène 18 de H₂O liquide, H₂O vapeur, CO₂ ; - les relations ¹⁸O - ²H pour l’eau et la vapeur ; - l’application du modèle isotopique d’évaporation de Barnes et al. (1984) à trois profils. Un profil de chlorures sur un site a permis une estimation de l’âge de fonctionnement du processus d’évaporation. En conclusion, des appréciations sont données sur l’équilibre isotopique entre les différents fluides étudiés, ainsi que sur les sources d’alimentation en eau et les taux d’évaporation calculés dans trois sites
This work presents isotope profiles (18O and 2H) of liquid water, water vapor and CO₂ established on five boreholes made in the unsaturated zone at Béni-Abbès (Algeria). One preparation line of water micro quantities for deuterium and oxygen 18 analyses was built, and special devices for soil gases and very dry sands sampling were utilized. The results allowed the study of: -relationships between the O contents in liquid H₂¹⁸O, water vapor and CO₂, -relationships between ¹⁸O and ²H for liquid water and vapor, -Application of isotopic model for evaporation of Barnes et al. (1984) to three profiles, -One chloride profile. As a conclusion, some assessments were made about isotopic equilibrium between the different fluids in soil and about recharge water and evaporation rates calculated in three locations

Ce travail porte sur l'étude paléo-environnementale de bassins himalayens: le bassin d'avant pays (Miocène sup. ) et le bassin transporté de Kathmandu (Plio-pléistocène). Nous nous sommes appuyés sur l'étude du C et de l'O des mollusques et des eaux de la plaine du Gange et des bassins intra-montagneux modernes. Pour l'actuel, le δ18Ow des rivières varie de -18 à -4‰. Le δ18Ocar montre que les carbonates sont proches de l'équilibre isotopique avec les eaux dans lesquels ils sont formés (20 à 25°C). Le δ13Ccar est appauvri par rapport au DIC des rivières, impliquant qu'une part de carbone organique est utilisée pour la synthèse des coquilles. Dans les Siwaliks (16-1 Ma), le δ18Ocar varie de -16. 4 à 0. 6‰. Les valeurs anté-6 Ma sont très inférieures aux valeurs pliocènes et actuelles de la plaine du Gange. La plaine miocène sup. était donc drainée par des rivières de configuration différente des rivières modernes. Le δ13C augmente vers 5 Ma jusqu'à environ 0‰, évolution qui semble en rapport avec l'explosion de la flore C4. Le bassin de Kathmandu (3-0 Ma) est caractérisé par une sédimentation fluvio-lacustre. La profondeur du lac montre des fluctuations importantes, contrôlées par la tectonique, les glissements et débris-flow. Pour les périodes pos-50 Ka, la géochimie des isotopes de l'O des mollusques montre des périodes pour lesquelles les valeurs δ18Ocar sont très élevées (-2. 4 à 8‰), compatibles avec les eaux de précipitation d'hiver à Kathmandu (-6. 5 à 7. 5‰). Ces valeurs sont généralement associées à des diatomées. Deux processus semblent se combiner durant ces épisodes: une diminution des précipitations d'été et une forte évaporation, qui augmentent le 18O
The work deals with paleo-environmental study of the Siwalik foreland basin (upper Miocene) and the intermountain Kathmandu basin (Plio-Pleistocene). O and C composition of modern mollusks and waters of Ganga Plain and intermountain basins were realized as a reference for paleo-environmental study. The δ18O of rivers varies from -18‰ in north of Himalaya to -4‰ in the plain. The δ18Ocar of modern shell show an equilibrium fractionation with the river waters (20 to 25°C). Both carbonate and river water values are different according to catchment basin extension. The δ13CDIC of rivers are higher than δ13Ccar due to organic carbon incorporation in shell. In the Siwaliks, 18Ocar varies from -16. 4 to 0. 6‰. For the Late Miocene, the δ18Ocar values are lower than Pliocene and modern values. Therefore, rivers running through the Siwalik plain should show different geometry. The δ13C show a sharp increase up to 0‰ around 5 Ma, which seems to be linked to the contemporaneous evolution of C4 plant. The Kathmandu Basin (3-0 Ma) is a transported basin and characterized by fluvio-lacustrine sediments. The evolution of lake is controlled by tectonic, landslide and debris-flow. The δ18Ocar older than 1 Ma vary from -11 to -4‰ and are compatible with river water (-10. 1 to -7‰) as well as monsoon water (-18 to 2‰) in Kathmandu. In contrast δ18Ocar of Gokarna Formation (< 50 Ka) is extremely high (-2. 4 to 8‰) and is compatible to dry period meteoric water (-6. 5 to 7. 5‰). Such values are generally associated with diatomite. Two processes could be interacted for diatomite time: reduction in summer precipitation and strong evaporation; both phenomena tend to make a strong concentration in 18O

Dans un contexte de réchauffement climatique, appréhender l'évolution de la hausse du niveau des mers est un enjeu majeur. Pour cela un des éléments clefs est de comprendre l'évolution du cycle hydrologique atmosphérique dans les régions polaires qui influence directement le bilan de masse de surface des calottes Arctique et Antarctique (les deux plus gros réservoirs d'eau douce de la planète). Des enregistrements existent grâce aux données satellites depuis 50 ans et quelques rares données météo depuis 70 ans en Antarctique mais ces enregistrements sont trop courts pour étudier les modes de variabilité pluri-annuels ainsi que la différence entre signal anthropique et signal naturel. Pour avoir accès à des enregistrements plus longs, une des meilleures solutions est d'utiliser les traceurs climatiques dans les carottes de névé. La composition isotopique de l'eau dans ces carottes est largement utilisée pour reconstruire les variations de température passée. Cela dit, le lien entre température et composition isotopique n'est pas très bien contraint car de nombreux autres paramètres influencent la composition isotopique de la neige au moment de sa formation (i.e. température, altitude, humidité, origine de la masse d'air) ou après le dépôt de neige en surface (i.e. échange atmosphère-neige, diffusion du signal, sublimation de la neige de surface).L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre le cycle hydrologique atmosphérique et son influence sur la composition isotopique de la vapeur et de la précipitation dans les régions polaires avec en tête l'idée d'améliorer l'interprétation des carottes de névé dans ces régions. Ce travail se décompose en 3 parties.Dans un premier temps, nous avons développé une solution technique qui répondait au défi de la mesure de la composition isotopique de la vapeur toute l'année en région polaire. En effet, l'hiver étant très sec dans ces régions (jusqu'à 10 ppmv à Dome C, l'hiver), l'utilisation d'un analyseur laser Picarro était limité car il est très sensible aux variations d'humidité en dessous de 2000 ppmv. L'hiver est une saison clé dans les régions polaires car elle est synonyme d'une importante variabilité climatique du fait de nombreux évènements synoptiques. Durant cette thèse, la fabrication de 2 prototypes de générateur de très basse humidité (LHLG) a permis de calibrer les analyseurs Picarro sur une gamme de 200 à 2500 ppmv.Ensuite, j'ai analysé la plus longue série de mesures de la composition de la vapeur et de la précipitation jamais effectuée en région polaire: 4,5 années en continu, à 78°N au Svalbard. J'ai montréque le site de mesure était très peu influencé par des processus locaux agissant sur la composition isotopique de la vapeur d’eau. Grâce à cela, j'ai pu attribuer les variations observées, l'hiver, à des évènements synoptique et ainsi attribuer une signature isotopique différente aux masses d'air en fonction de leur origine (Nord Atlantique ou Arctique).Enfin, j'ai installé le nouvel instrument de calibration fabriqué au début de mon doctorat à Dumont D'Urville (DDU), sur la côte en Terre Adélie. Grâce à cela, la première campagne de mesure continue de la composition isotopique de la vapeur à DDU initiée en janvier 2019 est toujours en cours. Je présente ici les 22 premiers mois de ce nouvel enregistrement. Cette série unique permet de documenter la signature isotopique du cycle hydrologique atmosphérique en Terre Adélie toute l'année. J'ai étudié l'influence des vents catabatiques, de la glace de mer et des rivières atmosphériques sur le signal enregistré dans la vapeur. Ces résultats préliminaires ouvrent des perspectives pour l'interprétation des carottes de névé récemment forées dans le cadre du programme ASUMA
In a global warming context, understanding the evolution of sea level rise is a major challenge. It is key to estimate the evolution of the atmospheric hydrological cycle in the polar regions, which directly influences the surface mass balance of the Arctic and Antarctic ice caps (the two largest freshwater reservoirs on the planet). Records are available from satellite data for the last 50 years and a few rare weather data since the 50's in Antarctica, but these records are too short to study the patterns of interannual variability and the difference between anthropogenic and natural signals. One of the best ways to access longer records is to use climate proxies in snow cores. The water isotopic composition in these cores is widely used to reconstruct past temperature variations. However, the link between temperature and isotopic composition is not very well constrained because many other parameters influence the isotopic composition of snow at the time of its formation (i.e. temperature, altitude, humidity, origin of the air mass) or after snow deposition on the surface (i.e. atmosphere-snow exchange, signal scattering, sublimation of surface snow).The objective of this thesis is to better understand the atmospheric hydrological cycle and its influence on the isotopic composition of vapour and precipitation in polar regions with the idea of improving the interpretation of snow core records in these regions. This work is divided into 3 parts.Firstly, we developed a technical solution to meet the challenge of measuring the vapor isotopic composition all year round in polar regions. Indeed, winter being very dry in these regions (down to 10 ppmv at Dome C in winter), the use of a Picarro laser analyzer is limited because it is very sensitive to humidity variations below 2000 ppmv. Winter is a key season in the polar regions as it is associated with significant climate variability due to numerous synoptic events. During this thesis, the fabrication of 2 prototypes of low humidity level generator (LHLG) allowed the calibration of the Picarro analyzers over a range of 200 to 2500 ppmv.Then, I analyzed the longest series of vapor and precipitation isotopic composition measurements ever performed in a polar region: 4.5 years continuously at 78°N in Svalbard. I showed that the water isotopic composition at this measurement site was unsignificantly influenced by local processes. Thanks to this, I was able to attribute the observed winter variability to synoptic events and thus assign a different isotopic signature to the air masses according to their origin (North Atlantic or Arctic).Finally, I installed the new calibration instrument (LHLG) built at the beginning of my PhD at Dumont D'Urville (DDU), on the coast in Terre Adélie. Thanks to this, the first continuous measurement campaign of the vapor isotopic composition at DDU initiated in January 2019 is still ongoing. I present here the first 22 months of this new record. This unique series makes possible to document the isotopic signature of the atmospheric hydrological cycle in Terre Adélie all year round. I have studied the influence of katabatic winds, sea ice and atmospheric rivers on the signal recorded in the vapor. These preliminary results open perspectives for the interpretation of recently drilled cores from the ASUMA program

Ces dernières années, la mesure des isotopologues de l'eau est devenue de plus en plus importante pour les sciences de l'atmosphère. A cause de l'influence des conditions climatiques sur les rapports isotopiques, la composition isotopique de l'eau conservée dans la glace en Antarctique et en Arctique peut être utilisée comme un paléothermomètre permettant de comprendre les changements passés du climat. La mesure des variations de la composition isotopique de la vapeur d'eau dans l'atmosphère peut servir à étudier le cycle hydrologique global de la terre et à raffiner les modèles de circulation atmosphérique.Alors que la méthode conventionnelle pour la mesure des isotopes de l'eau, la Spectrométrie de Masse des Rapports Isotopiques (IRMS), n'est pas adaptée aux mesures en continu et in-situ des isotopes de vapeur d'eau, le développement récent des spectromètres laser offre une méthode simple et robuste pour effectuer des recherches sur le terrain avec une bonne résolution temporelle. Pourtant, jusqu'à présent la plupart des instruments optiques exigent des niveaux d'humidité relativement élevés avec des concentrations d'eau supérieures à 1000 ppmv, ce qui exclut les mesures dans quelques unes des régions les plus intéressantes pour l'investigation des variations isotopiques dans l'eau, telles que les couches élevées de l'atmosphère ou les régions centrales de l'Antarctique.Ce travail introduit un nouveau spectromètre laser infrarouge qui est basé sur la technique d'OFCEAS et qui a été conçu spécialement pour la mesure des quatre isotopologues H2_16O, H2_18O, H2_17O et HDO dans un environnement sec avec des concentrations d'eau de quelques centaines à seulement quelques dizaines de ppmv. L'instrument qui a été développé dans le cadre de cette thèse montre une stabilité de mesure supérieure comparée aux instruments OFCEAS précédents, avec des temps d'intégration optimaux pouvant aller jusqu'à plusieurs heures et une longueur de trajet optique effective de plus de 30 km.La performance globale de l'instrument est analysée et le problème de la dépendance des mesures isotopiques vis-à-vis de la concentration d'eau avec laquelle l'expérience est effectuée est investigué en détail. La présence d'un motif fixe spectral est identifiée comme la source principale de bruit et analysée en détail.En outre, un nouveau système de calibration pour des mesures d'isotopes de vapeur d'eau est présenté. Ce système a été développé dans le cadre de cette thèse afin de disposer d'un moyen fiable et stable pour la calibration des mesures des variations isotopiques de la vapeur d'eau. Le système de calibration est basé sur l'injection continue d'eau dans une chambre d'évaporation avec deux pousse-seringue au nanolitre. Il est capable de générer une vapeur d'eau standard entre 5 et 15000 ppmv. Une simulation modélisée de l'injection d'eau, qui est en bon accord avec les expériences, est présentée.Ensuite une première utilisation du spectromètre OFCEAS dans la station de recherche norvégienne (Troll) en Antarctique est exposée en détail. Les données enregistrées pendant une période de trois semaines de Février à Mars 2011 sont présentées et discutées, en particulier relativement aux problèmes de calibration rencontrés avec un système de calibration rudimentaire construit sur place. Pendant cette période le spectromètre a mesuré en continu les isotopologues de vapeur d'eau dans l'atmosphère sur le site de la station.Pour conclure, nous allons présenter le projet Isocloud, un projet international avec pour but d'étudier des effets de (super)saturation en utilisant la chambre à nuages AIDA du KIT en Allemagne. Notre spectromètre et le système de calibration faisaient partie de ce projet. Les données expérimentales de quatre campagnes de mesure sont présentées et des résultats préliminaires sont discutés. Nous concluons avec la discussion d'un protocole de mesure optimal et donnons des perspectives pour le futur
In recent years, the measurement of water isotopologues has become increasingly important for atmospheric research. Due to the influence of climatic conditions on the isotope ratios, the isotopic composition of water stored in the ice in Antarctica and the Arctic can be used as paleothermometers to reconstruct past climate changes. The measurement of changes of the isotopic composition of water vapor in the atmosphere can be used to study the global hydrolocal cycle and to refine atmospheric circulation models.Whereas the conventional method for water isotope measurements, Isotope Ratio Mass Spectrometry (IRMS), is not adapted for in-situ continuous measurements of water vapor isotopes, the recent development of laser spectrometers offers a comparably easy and robust method to conduct in-the-field research with good time resolution. However, until now, most optical instruments require relative high humidity levels with water concentrations of at least several 1000 ppmv, which excludes measurements in some of the most interesting regions for water isotope research, such as the upper atmosphere and the central regions of Antarctica.In this work, we present a novel infrared laser spectrometer based on the technique OFCEAS, specifically designed to measure the four isotopologues H2_16O, H2_18O, H2_17O and HDO under very dry conditions, at water concentrations of some hundred to only tens of ppmv. The instrument developed during this thesis shows much higher measurement stability over time compared to previous OFCEAS instruments with optimum integration times of up to several hours and a very long effective path length of more than 30 km. At water concentrations around 80 ppmv, a precision of 0.8‰, 0.1‰ and 0.2‰ for d2H, d18O and d17O respectively could be achieved with an integration time of 30 to 60 min and at the optimum water concentration of ~650 ppmv, of 0.28‰, 0.02‰ and 0.07‰ respectively.An investigation of the overall performance of the instrument is presented and we specifically discuss the problem of a dependence of the isotope measurements on the water concentration at which a measurement is carried out. As main source of the concentration dependence, pattern noise is identified and a detailed analysis of the noise sources is given.Furthermore, a new calibration system for water vapor isotope measurements, the Syringe Nanoliter Injection Calibration System (SNICS), is introduced, which was developed in the framework of this thesis to offer a more reliable and stable means for the calibration of water vapor isotope measurements. This calibration system is based on the continuous injection of water into an evaporation chamber with two nanoliter syringe pumps and is able to generate standard water vapor in a range of 5 to 15 000 ppmv. A model simulation of the water injection is presented and shows a good agreement with experimental results.Subsequently, a first employment of the OFCEAS spectrometer at the Norwegian research station of Troll in Antarctica is discussed. Data from a three-week period from February and March 2011, during which the spectrometer continuously measured water vapor isotopologues in the atmosphere at the research station, is shown and problems and possibilities are discussed.Finally, the Isocloud project, an international project to study (super)saturation effects at the AIDA cloud chamber of the Karlsruhe Institute Technology in Germany, is introduced, in which we participated with both the spectrometer and the calibration instrument. Experimental data of the four measurement campaigns is presented, preliminary results are discussed. We conclude with a discussion of the optimum measurement protocol and give an outlook for the future

Les études de contenus stomacaux des poissons permettent de connaître le régime alimentaire des espèces, par lequel on peut déterminer la position trophique, le rôle que l'espèce joue dans l'écosystème et les relations avec les autres espèces. Les signatures en isotopes stables de l'azote et du carbone sont par ailleurs de plus en plus utilisées en complément de l'approche précédente, en particulier pour l'étude des réseaux trophiques dans une approche écosystémique. Les rougets (famille des Mullidae) sont des poissons benthiques qui habitent les fonds littoraux jusqu'au rebord du plateau continental et constituent une ressource économique majeure du littoral méditerranéen. Les objectifs généraux de cette thèse ont été d'évaluer l'alimentation des rougets barbet Mullus barbatus et M. Surmuletus, de connaître l'influence des apports de Rhône sur l'architecture des réseaux trophiques aboutissant à ces poissons. Nous avons étudié comment la matière organique particulaire, base des réseaux trophiques, s'intègre aux écosystèmes côtiers soumis à l'influence du panache rhodanien et non soumis à cette influence du Rhône. Nous avons aussi comparé nos résultats avec ceux acquis sur le même modèle de la sole commune
Goatfishes (Mullidae) are benthic species inhabiting coastal bottoms down to the end of the continental shelf, and constitute a major economic resource in the Mediterranean. The main objectives of this work were to study the diet of Mullus barbatus and M. Surmuletus, and to understand the influence of the Rhone River inputs on the food webs’ structure ending to these species. We studied how the particular organic matter (POM), the basis of food webs, was integrated into the coastal ecosystems subjected, or not, to river inputs in 2004. We have (1) analysed the suspended matter, sediments, benthic macrofauna, and goatfish (different size-classes) in different sites and depths, (2) analysed the samples through stable isotopes (white muscles of fish, water POM, sediments, macrofauna), (3) analysed the stomach contents of fish, and (4) determined the variations of the isotopic signature (carbon and nitrogen) of the terrestrial POM transported by the Rhone River, in order to follow its pathway within the coastal food webs. Our results have shown a fish diet dominated by polychaetes (carnivores, sub-surface depositiovores and surface depositivores) and various crustaceans (amphipods, cumaceans, macrurans and brachyurans). However, this diet varied according to species, and mainly according to fish size. We have obtained the isotopic signatures (δ15N and δ13C) for Mullus barbatus and M. Surmuletus. The results for δ15N displayed significant differences of trophic level for Mullus barbatus depending on fish size, distance from the Rhone River mouth and depth. In contrast, in all sites and depths, δ15N value did not vary with fish size in M. Surmuletus. In both species, δ15N values were significantly lower in sites non subjected to river inputs. δ13C signature in Mullus barbatus exhibited slight differences with fish sizey in some sites of the Gulf of Lions, whereas δ13C signature in M. Surmuletus did not shown any variation with fish size or sites. Thus, one could suggest that the basis of food webs was different in sites subjected and not subjected to river inputs. In addition, our results indicated that the Rhone River did not influence significantly the food webs ending to these species, except to a modest extend for M. Barbatus strait off the river mouth. On the reverse, the food webs of both species were mainly based on carbon from marine origin in the different sites. It thus appeared that the food webs of the two mullid species were not much influenced by the Rhone river inputs, and the transfert of organic matter through diet was mostly characterized by a marine pathway

Les fleuves sont à l'origine des transferts de matières organiques et inorganiques des continents vers les océans. Ces matières peuvent être séparées par filtration (généralement à 0,45 ou 0,22µm) entre une phase particulaire et une phase dissoute. Le devenir des formes organiques va dépendre de leurs origines. Les formes labiles sont souvent rapidement minéralisées lors de leur transfert tandis que les formes réfractaires ont un comportement conservatif. Nous avons étudié la dynamique de toutes les formes (dissoutes et particulaires) de matières organiques et inorganiques le long du continuum fluvial de la Garonne moyenne ainsi que dans la retenue de Malause. Cette retenue constitue la dernière discontinuité hydrologique sur le continuum fluvial. Nos résultats montrent que le continuum fluvial de la Garonne moyenne est un important puits de matières en suspension, COP, NOP et une source de phytoplancton, toutes périodes hydrologiques confondues. Chla et silice dissoute sont stockées en périodes de basses eaux et remobilisées en périodes de hautes eaux. Seul le phosphore total dissous montre une forte remobilisation à l'aval de l'agglomération toulousaine. Les rétentions de matières ont lieu en hautes eaux sur le continuum au niveau des méandres et dans les zones couvertes de végétation riparienne dense. En étiage les rétentions sont dues à la consommation biologique (végétation, phytoplancton, biofilm, bactéries, …). Les phénomènes d'adsorption sur le complexe périphyton-sédiments sont également responsables du stockage de certains éléments, notamment le phosphore. Des exportations vers le milieu macroporeux du fleuve contribuent également aux stockages de matières (MES, COD). La production phytoplanctonique reste faible sur le continuum fluvial. Elle est apportée sur la Garonne par la dérive des algues benthiques qui pourraient provenir du biofilm. L'essentiel de la production du phytoplancton est cependant apportée par les affluents. Les signatures isotopiques (δ13C) des matières organiques (COD, COP) transportées par la Garonne montrent une très faible différence entre les périodes hydrologiques. Les signatures isotopiques de l'azote (δ15N) montrent par contre un très fort enrichissement en étiage au niveau des affluents. Cet enrichissement traduit une forte activité microbienne qui est à l'origine d'une biodégradation de l'azote issu des rejets anthropiques. L'analyse des surfaces spécifiques des sédiments de fond du continuum montre que la Garonne possède des surfaces faibles par rapport à d'autres fleuves du monde (Amazone, Mississipi) du fait des teneurs faibles en argiles dans ses sédiments de fond. Ces faibles teneurs en argiles n'ont pas permis de mettre en évidence de relation entre les teneurs en COP et les surfaces spécifiques. La retenue de Malause montre à l'échelle annuelle une rétention de MES, COP, phytoplancton, Chla et phosphore, contrairement au continuum fluvial, et dans une moindre mesure, de la silice dissoute. On observe une faible remobilisation de COD et NTD. Le phytoplancton de la retenue est apporté principalement par le Tarn, bien que nous observions une nette production de Chla en étiage dans la retenue, nous n'avons pas trouvé d'espèces spécifiques à la retenue. Celles qui se développent en basses eaux sont issues des blooms printanier et estival du Tarn. La contribution de la Garonne au phytoplancton de Malause est faible et vient des diatomées essentiellement benthiques alors que le Tarn montre une production plutôt pélagique. Les teneurs en COP des sédiments de fond de la retenue montrent une nette augmentation. On est donc dans le cas d'une discontinuité qui piège le COP contrairement à d'autres zones d'accumulation de sédiments tels les estuaires ou les deltas où le COP est en partie minéralisé. L'étude des signatures isotopiques du carbone et de l'azote montre une succession de dépôts sédimentaires (appauvris en 13C et enrichis en 15N puis l'inverse), mettant en évidence une superposition de matériaux d'origines différentes (érosion des sols, production phytoplanctonique). Cette succession traduit aussi la double influence de la Garonne et du Tarn sur les dépôts sédimentaires de la retenue de Malause.

L’objectif de la thèse vise à déterminer les facteurs et processus qui contrôlent l’origine et la qualité des eaux souterraines alluviales et ainsi à mieux comprendre le fonctionnement et la vulnérabilité des aquifères alluviaux qui occupent une place prééminente dans le paysage hydrogéologique mondial tant pour leur rôle économique - production d'eau potable, développement agricole - que pour leur rôle écologique. Des mesures hydrodynamiques, hydrochimiques (ions majeurs, traces, molécules phytosanitaires et pharmaceutiques) combinées à des déterminations isotopiques (oxygène-18, deuterium, carbone-13) ont ainsi été effectuées sur 19 points incluant puits, piézomètres et eaux de surface, de février 2011 à novembre 2012, afin d’évaluer l’origine et la qualité de l’eau souterraine dans l’aquifère alluvial de la rivière Allier, un des principaux tributaires de la Loire. La zone d’étude, située près de la ville de Clermont-Ferrand (France), joue par ailleurs un rôle socio-économique majeur, la nappe alluviale de l’Allier constituant la principale ressource en eau potable pour une population d’environ 100 000 habitants. D’un point de vue hydrodynamique, l'eau souterraine circule généralement du sud au nord, avec une alimentation naturelle à partir des coteaux adjacents, dans la partie non-pompée de l'aquifère. Dans la zone de pompage, cette circulation naturelle est modifiée par le pompage qui fait pénétrer l’eau de la rivière Allier dans l’aquifère. La recharge de l’aquifère dépend alors de quatre pôles de mélange : pluie, rivière Allier, coteaux adjacents et partie sud, non-pompée, de l’aquifère. Les résultats chimiques et isotopiques obtenus permettent de cartographier la contribution de chaque pôle de mélange. [...] Ces résultats mettent en évidence la vulnérabilité de l’aquifère face aux pollutions. Les parties méridionale et orientale du site sont affectées par des arrivées d’eaux de qualité médiocre démontrant l’importance de la définition d’un périmètre de protection adaptée. Près de l’Allier, une attention particulière doit être portée non seulement aux pollutions ponctuelles qui peuvent se produire sur le cours de la rivière, mais également aux pollutions chroniques liées notamment aux rejets des stations d’épuration pourvoyeurs de polluants tels les molécules pharmaceutiques. Toutes les informations acquises devront être incluses dans les stratégies de gestion d'eau souterraine afin protéger la durabilité de cette ressource de valeur. Les résultats s’appuient sur les investigations menées sur la nappe alluviale de l’Allier, néanmoins la méthodologie utilisée et sa transposition à des systèmes analogues est l’une des perspectives majeures de cette étude
Hydrodynamic, hydrochemical (major ions, traces, pharmaceuticals and pesticides), and isotopic investigations (oxygen-18 and deuterium) were carried out on 19 points, including boreholes, piezometer, surface water, and springs from February 2011 to November 2012, to assess groundwater quality in the unconfined shallow alluvial aquifer of the Allier River (one of the main tributary of the Loire River). The study area, located near the city of Clermont-Ferrand (France), plays an important socio-economic role as the alluvial aquifer is the major source of drinking water for about 100 000 inhabitants. The objective of the project aims at understanding the functioning and the vulnerability of alluvial aquifers that occupy a pre-eminent position in the hydrogeologic landscape both for their economic role - production of drinking water and agricultural development - and for their ecological role. Moreover, this study also targets at determining the factors and processes controlling shallow groundwater quality and origin. The water circulates from the south, with a natural alimentation from the hills in the non-pumped part of the alluvial aquifer. In the pumping zone, this general behaviour is altered by the pumping that makes the water from the Allier River enter the system in a large proportion. Four end-members have been identified for the recharge of the alluvial groundwater: rainfall, Allier River, surrounding hills’ aquifer and the southern non-pumped part of the alluvial system. Results indicate that, despite the global Ca-HCO3 water type of the groundwater, spatial variations of physico-chemical parameters do exist in the study area. Ionic concentrations increase from the Allier River towards east due either to the increase in the residence time or a mixing with groundwater coming from the aquifer’s borders. Stable isotopes of the water molecule show the same results: boreholes close to the river bank are recharged by the Allier River (depleted values), while boreholes far from the river exhibit isotopic contents close to the values of hills’ spring or to the southern part of the alluvial aquifer, both recharged by local precipitation. One borehole (B65) does not follow this scheme of functioning and presents values attesting of a probable sealing of the Allier River banks. Based on these results, the contribution of each end-member has been calculated and the functioning of the alluvial system determined. According to this general scheme of functioning, origins of pollution (agricultural, urban) have been determined and clues to the protection of such hydrosystems defined

La France compte de nombreux étangs (environ 251 000), construits le plus souvent par l’aménagement d’un barrage sur un cours d’eau de tête de bassin, dans des fonds de vallées argileux, pour la production de poissons. La Lorraine est une région riche en étangs et ces derniers sont le plus souvent localisés sur des cours d’eau temporaires dans des bassins versants agricoles et/ou forestiers. Ces cours d’eau ont un fonctionnement écologique basé sur l’intégration, par les réseaux trophiques détritiques, des ressources organiques allochtones. Or, les étangs constituent des zones lentiques biogènes : la matière organique (MO) autochtone (constituée entre autres par le plancton, les macrophytes, les fèces produits par le biote) peut modifier les équilibres – souvent fragiles – de ces écosystèmes aquatiques de tête de bassin. L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier l’influence des étangs de barrage sur le recyclage et l’intégration de la MO allochtone et autochtone par les réseaux trophiques basaux aquatiques des cours d’eau de tête de bassin. Premièrement, ce travail a porté sur l’étude de la décomposition des litières (et des communautés associées) en amont et en aval d’étangs localisés sur des bassins soit agricoles, soit forestiers. Nos résultats mettent en exergue l’intérêt de la prise en compte de l’occupation du sol sur le bassin versant pour appréhender au mieux l’effet des étangs sur les processus de décomposition des litières. Nous montrons ainsi que l’étang de barrage entraîne une diminution de la vitesse de décomposition des litières, en lien notamment avec une diminution de la biomasse fongique, uniquement dans les cours d’eau en milieu agricole. Sur les cours d’eau forestiers, ce sont essentiellement les communautés de macroinvertébrés qui semblent influencées, et de manière plus marquée qu’en milieu agricole, avec une diminution des taxons les plus sensibles aux pollutions organiques. Puis, nous avons cherché à préciser les processus de décomposition des litières dans les cours d’eau temporaires de tête de bassin versant entravés ou non par un étang. Notre choix s’est porté sur les cours d’eau en milieu forestier afin de limiter les effets confondants liés à d’autres perturbations humaines. Dans ces conditions, nos résultats montrent que la présence d’un étang tend à augmenter la vitesse de décomposition des litières. Cela serait dû à un meilleur conditionnement des litières et également à une modification des communautés de déchiqueteurs en aval de l’étang. En revanche, l’effet de l’étang sur l’intégration des ressources allochtones par les réseaux trophiques détritiques nécessite la prise en compte des conditions hydrologiques se présentant à l’aval du barrage. Il s’agit là d’un résultat original révélant que l’impact de l’étang est plus marqué sur les communautés de déchiqueteurs et sur leur action de dégradation des litières lorsque le cours d’eau passe en régime permanent à l’aval de l’étang. Enfin, nous nous sommes intéressés à la modification des niches trophiques à partir de l’étude des signatures isotopiques des communautés de macro-invertébrés de cours d’eau entravés ou non par un étang. Nos résultats montrent que l’étang influence majoritairement les signatures isotopiques des biofilms et des matières en suspension. En lien avec cette observation, nous remarquons que les niches isotopiques des différentes guildes trophiques de macro-invertébrés sont modifiées à l’aval de l’étang. Ce résultat souligne ainsi que l’ensemble des guildes trophiques ici étudiées consomment et intègrent les ressources autochtones produites au sein même de l’étang. Pour résumer, ce travail a mis en évidence les interactions complexes entre étang et cours d’eau de tête de bassin. Il souligne de fait la nécessité de prendre en compte l’occupation du sol sur les bassins versant et le régime hydrologique du cours d’eau pour conclure sur l’effet de l’étang sur le fonctionnement écologique des cours d’eau de tête de bassin
In France there are more than 250,000 ponds. Most often, they are dam reservoirs constructed on headwater streams in clay valleys for fish production and thus named fishponds. In Lorraine region, most of the numerous fishponds are located on temporary streams (i.e. periodically dry during summer time) in agricultural and/or forested catchments. These streams have an ecological functioning based on the integration of allochthonous organic matter (OM) resources by the basal detrital food webs. Yet, fishponds constitute biogenic lentic systems that favor autochthonous OM production (e.g. plankton, macrophytes, faeces). Consequently, fishponds could disrupt the fragile balances in these headwater stream ecosystems. The goal of my thesis was to study the effect of fishpond on the recycling and the integration of allochthonous and autochthonous OM by the aquatic food webs within headwater streams. First, we studied the litter decomposition (and the associated communities) between upstream and downstream fishponds located in agricultural or forested catchments. Our results indicate the needs to take into account the catchment land uses to grasp the fishpond effect on litter decomposition. We found that in agricultural catchments fishponds lead to a decrease of the litter breakdown rate in association with a fungal biomass decrease. In forested catchments, the macro-invertebrate assemblages are more affected than in agricultural catchments, showing a decrease of the most sensitive taxa to organic pollution. Secondly, we focused on litter processes in temporary headwater streams hampered or not by a fishpond. To this end, we worked on forest streams to exclude confounding anthropogenic effects. In this environment our results indicate that the presence of a fishpond tends to increase litter breakdown rate. It can be related with a better litter conditioning and to the shredder assemblage’s modification downstream from the fishpond. Furthermore, fishpond effect on the integration of allochthonous resources by food webs was found to be highly dependent on hydrological conditions downstream from the fishpond. This original result highlights that the impact of the fishpond seems to be greater on the shredder assemblages and on their litter breakdown activities when the stream show important hydrological modifications (i.e. become permanent downstream from the fishpond). Finally, in order to analyze the modification of trophic niches, we studied benthic macroinvertebrate isotopic signatures in streams hampered or not by a fishpond. Our results indicate that fishpond mainly influenced the isotopic signatures of biofilms and suspended OM. In line with this result, isotopic niches of the different macroinvertebrate trophic guilds are also modified downstream from the pond. Consequently we may suggest that all the studied trophic guilds consume and integrate autochthonous resources produced into the fishpond. In summary, our work highlights complex interactions between fishpond and headwater streams and underlines the needs to take into account the catchment land use and the stream hydrology before concluding on the fishpond effect on stream functioning

Un changement de débit peut entrainer des modifications dans les traits d'histoire de vie, le partitionnement des ressources alimentaires, les déplacements ou encore l'impact de facteurs abiotiques sur les populations de poissons. Les spirlins vivent jusqu'à 3 ans, avec une acquisition de la maturité dès 1 an pour les mâles et 2 ans pour les femelles. Les blageons vivent jusqu'à 4-5 ans, avec une acquisition de la maturité dès 2 ans pour les deux sexes. En comparaison avec d'autres populations d'Europe, la croissance des spirlins était la plus élevée en Durance et la plus faible pour les blageons de la zone concernée par la modification du débit. De plus, un seuil ontogénique a été identifié pour les deux espèces. Selon la théorie de la niche, la survie d'espèces est liée à un partitionnement de leurs ressources. Les deux espèces présentent un partitionnement alimentaire. Les résultats des valeurs isotopiquesont été validés à l'aide des resultats de contenus stomacaux. Les affluents représentent des apports de débit, de nutriments et d'habitats pour une rivière principale. Les blageons et spirlins originaires de la rivière Durance se déplacent vers un affluent au cours de la période hivernale. Ce résultat a été mis en évidence à l'aide des valeurs isotopiques. Les facteurs abiotiques de rivières tempérées sous climat méditerranéen sont décrits comme sévères, imprévisibles et avec une fréquence de crue élevée; et influencent la structure des populations de poissons. Les pontes multiples des femelles spirlins semblent avoir permis aux juvéniles d'éviter des concentrations élevées en matières en suspension, néfastes à leur survie
A flow modification can lead to changes in life history traits, interspecific interactions, movements and the impact of abiotic factors on fish populations. Spirlin longevity was three years, with the acquisition of the maturity after their first year for males and after their second year for females. Soufie longevity was four to five years, with the acquisition of the maturity after their second year for the two sexes. In comparaison with others populations studeid in Europe, the growth was higher for spirlin and lower for soufie from the study aera on the Durance River. Moreover, an ontogenetic threshold was identified for both species. According to the niche theory, the species survival is linked to a partitioning of their resources. The two species showed a food partitioning. Stable isotope values were confirmed by stomach contents results. Tributaries represent inputs in flow, nutriments ans habitats for a main river. Soufie and spirlin coming moved from the Durance River to the tributary during the winter period. This result was underlined by stable isotope values. Abiotic factors of temperate stream with a mediterranean climate are described as severe, unpredictable and with a high frequency of flooding and then influence the structure of the fish population. The several spawning batches of spirlin females seem to have allowed juveniles to avoid high concentrations of channel suspended sediment, harmful for their survival

Comprendre la relation entre biodiversité et fonctionnement des écosystèmes est une question centrale de l'écologie moderne. Cette problématique est d'autant plus importante dans le contexte général des perturbations anthropiques sur la biodiversité et les écosystèmes. Les invasions biologiques représentent l'une des causes principales de perte de diversité taxonomique et de modification des écosystèmes. Ceci est particulièrement le cas dans les écosystèmes aquatiques d'eau douce qui sont soumis à de nombreuses introductions d'espèces non-natives de poissons qui peuvent modifier la structure des communautés et altérer les interactions biotiques entre espèces. Les interactions trophiques et les réseaux trophiques qu'elles forment sont à la base des liens entre la structure même de la biodiversité et le fonctionnement des écosystèmes. Par conséquent, identifier les impacts des espèces non-natives sur la structure trophique des communautés est crucial pour estimer comment le fonctionnement des écosystèmes et les services qu'ils rendent peuvent répondre aux invasions biologiques. Dans cette étude, 18 lacs de gravières ont été sélectionnés et leurs communautés piscicoles quantifiées durant deux années consécutives afin de tester les effets des invasions biologiques sur les patrons de diversité fonctionnelle et la structure trophique des communautés piscicoles. Dans un premier temps, nous avons étudié le rôle des facteurs environnementaux sur la composition et la structure des communautés de poissons. Nos résultats ont démontré que la structure des communautés de poissons différait de manière significative entre lacs et nous avons notamment observé que les lacs gérés principalement à des fins halieutiques présentaient une plus forte richesse taxonomique. Nous avons également démontré que les espèces natives et non-natives étaient dominantes dans des lacs avec des caractéristiques environnementales différentes, alors que les pratiques de gestion jouaient davantage un rôle sur structures des communautés. Dans l'ensemble, cette étude a permis de démontrer que la composition des communautés piscicoles évoluait de manière prévisible le long d'un gradient environnemental associé au niveau de maturité des lacs et des pratiques de gestion associées. Dans un second temps, nous avons quantifié l'importance de la variabilité intraspécifique des traits fonctionnels au sein d'une espèce modèle, le black-bass (Micropterus salmoides). Plus précisément, nous avons échantillonné l'ensemble d'une population and nous avons démontré que la variabilité des traits fonctionnels entre les individus était forte et pouvait affecter les estimations de diversité fonctionnelle. De plus, le très faible chevauchement de niches fonctionnelles et isotopiques entre les différentes classes d'âge indiquaient qu'elles doivent être considérées comme des entités fonctionnelles distinctes. Nous avons également démontré l'existence d'une corrélation entre les traits fonctionnels et les valeurs isotopiques du carbone et de l'azote, suggérant ainsi un lien entre spécialisation trophique et les différences de traits fonctionnels au sein des différents stades de vie. Dans un troisième temps, en intégrant la variabilité intraspécifique des traits fonctionnels à l'échelle de la communauté, nous avons examiné les structures fonctionnelles des différentes communautés piscicoles le long d'un gradient d'invasions. Nos résultats ont démontré que les entités natives et non-natives de poissons différaient significativement en terme de traits fonctionnels et que le " niche partitioning " était le mécanisme principal permettant la coexistence des espèces natives et non-natives ayant des traits fonctionnels similaires
Understanding the relationship between biodiversity and ecosystem functioning is a central question in modern ecology. This question is particularly crucial in the general context of human perturbations on both biodiversity and ecosystems. Biological invasions are considered as one of the leading causes of the ongoing taxonomic diversity crisis and the modification of ecosystems. This is especially true in freshwater ecosystems since the widespread introductions of non-native fish can modify recipient communities notably by changing the biotic interactions between species. Trophic interactions represent the linkage between the structural characteristics of biodiversity and the functioning of ecosystems, describing the network of species and the energy links between them. Identifying the impacts of non-native fish species on the trophic structure of recipient communities is therefore crucial to estimate how ecosystem functioning and ecosystem services might respond to biological invasions. In the present study, fish communities from 18 gravel pit lakes were selected and monitored during two consecutive years to test the effects of biological invasions on functional diversity patterns and the trophic structure of fish communities. We first investigated the environmental determinants of fish community composition and structure in these gravel pit lakes. Our results demonstrated that fish community structure significantly differed between lakes and we notably found that lakes highly managed for angling hosted higher levels of taxonomic diversity. We also found that native and non-native species were dominant in lakes with different environmental conditions, while management practices play a critical role in shaping fish species composition. Overall, these findings demonstrated that fish community composition followed a predictable shift along an environmental gradient linked to the natural maturation of gravel pit lakes and the associated human practices. Second, we quantified the importance of intraspecific variability in functional traits in a model species, the largemouth bass (Micropterus salmoides). We sampled a whole population in a private pond and found that functional trait variability among individuals within the same population could affect estimates of functional diversity. Moreover, the extremely low overlap for both functional and stable isotope niches between age-classes indicated that different age classes within a species should be considered as distinct functional entities. We also demonstrated the existence of a significant correlation between functional traits and stable isotope values, suggesting the existence of a linkage between trophic specialization and differences in functional traits within each life stage. Third, incorporating intraspecific variation in functional traits at the community level, we examined the functional attributes of fish communities in the studied lakes. Our results demonstrated that native and non-native fish significantly differed in terms of functional traits. We also demonstrated that niche partitioning was the principal mechanism allowing the coexistence of native and non-native fish with similar functional traits

Une etude geochimique et isotopique a ete menee sur les eaux souterraines des formations argilo-sableuses du continental terminal (ct1) dans le bassin des iullemeden au niger. La faible hauteur des precipitations annuelles (400 mm/a) suggere que la recharge dans cette region semi-aride est faible. Les prelevements d'eau pour les analyses chimiques (elements majeurs et traces) et isotopiques (o-18,h-2,c-14,cl-36, uranium et gaz nobles) ont ete effectues a partir de 17 forages artesiens. Les eaux presentent un facies principalement bicarbonate-sulfate sodique et les faibles variations de facies suggerent que les eaux ont traverse des formations similaires. L'augmentation du rapport br/cl compare a celui des aerosols marins indique que les chlorures en solution proviennent vraisemblablement de saumures piegees dans l'aquifere ou ses impermeables. Les teneurs en isotopes stables presque constantes montrent que la recharge s'est effectuee sous des conditions climatiques identiques. L'appauvrissement en isotopes lourds par rapport aux eaux constituant la recharge moderne est caracteristique de precipitations formees sous des conditions climatiques plus froides et plus humides qu'a l'actuel. Les teneurs en gaz nobles dissous vont dans le sens d'une diminution de temperature. La plupart des activites en carbone-14, proches de la limite de detection, sont difficilement exploitables en terme de temps de residence. La recharge s'est vraisemblablement effectuee il y a plus de 25 000 ans b. P. Les rapports entre le chlore-36 et le chlore total montrent d'importantes variations qui s'expliquent, a l'aide des rapports br/cl, en terme de melanges entre le chlore-36 d'origine atmospherique et le chlore-36 provenant des formations aquiferes ou des impermeables. Les teneurs en uranium des eaux sont tres faibles en relation avec les faibles valeurs de eh. Le desequilibre u-234/u-238 est vraisemblablement due au phenomene de recul alpha au sein de l'aquifere

Les effets des introductions d'espèces non natives sur le milieu restent mal connus et les poissons top-prédateurs, au sommet du réseau trophique (intégrateurs), sont des modèles d'étude intéressants pour observer ces impacts. Des changements de fonctionnement de communautés animales, en liaison avec ces introductions, ont été mis en évidence par les analyses des isotopes stables au sein des réseaux trophiques lentiques et lotiques, grâce à l'évaluation des positions trophiques et des régimes alimentaires des top-prédateurs. De plus, la chimie des otolithes a permis de reconstituer l'histoire de vie de poissons introduits (translocation). Ainsi, de nouvelles informations sur l'écologie trophique des poissons top-prédateurs ont été acquises et permettront la mise en place de plans de gestion
The impacts of exotic species on ecosystem functions are still poorly known. Top-predatory fish, which are at the top of the food-chain are relevant models to study the impacts on freshwater ecosystems. Introductions of exotic top-predator fish can induce changes in the functioning of freshwater communities, that could be inferred by stable isotope analyses in lentic and lotic food-webs, using trophic positions and diet compositions of top-predators. Moreover, the otolith chemical signatures can discriminate freshwater fish stocks and help to reconstruction of the introduced fish life history. Our results provide new information about trophic ecology of top-predator fish, and this knowledge will be useful to design regional conservation plans

La composition isotopique de l’eau (dO18 et dD) est couramment utilisée pour étudier le cycle de l’eau actuel et passé ainsi que ses variations. Alors que dans les zones polaires, cet outil géochimique représente les fondements de la reconstitution des climats polaires passés, de multiples questions demeurent quant aux facteurs pilotant la composition isotopique de l’eau dans les tropiques.Afin de répondre à ces questions, le présent travail de thèse a porté sur la réalisation de mesures en continu de la composition isotopique de la vapeur d’eau sur l’île de La Réunion (océan Indien), ainsi que sur l’évaluation du potentiel de ces mesures pour la compréhension des processus atmosphériques humides prévalant sur cette zone géographique. L’implantation d’un spectromètre laser à l’Observatoire Atmosphérique du Maïdo nous a permis d’obtenir une chronique de trois ans de mesures.Dans un premier temps, les différentes variabilités temporelles que présentent nos mesures ont été étudiées. Les enregistrements ne montrent aucune cyclicité saisonnière sur la composition isotopique de la vapeur d’eau. Elles indiquent en revanche une forte cyclicité diurne, ainsi qu’une variabilité synoptique associée à des évènements cycloniques.Dans un second temps, nous montrons que cette cyclicité diurne résulte de phénomènes de mouvement de couche limite atmosphérique, avec une vapeur marine qui atteint l’Observatoire durant la journée, alors que des masses d’air en provenance de la troposphère libre y parviennent durant la nuit. La présence de certaines nuits significativement plus appauvries en dO18 et dD reflète (1) une modification de la circulation atmosphérique régionale avec un renforcement des subsidences au niveau de La Réunion, lié à la position du Jet Subtropical durant l’hiver austral, et (2) tantôt une intensification de la subsidence au niveau de La Réunion, tantôt des processus de condensation locaux ou régionaux durant l’été austral.Enfin, l’étude des phénomènes cycloniques indique qu’au cours de ces périodes, un fort appauvrissement de la composition isotopique de la vapeur est observé. Celui-ci survient 2 à 3 jours avant et perdure jusqu’à 3 jours après le passage du système. Durant cette période, l’évolution de la composition isotopique de la vapeur d’eau présente une sous-structure. On note (1) un appauvrissement isotopique qui est fonction de la distance au centre du système, (2) un enrichissement isotopique au niveau du mur du système, et (3) des évolutions abruptes de la composition isotopique de la vapeur d’eau dans les bandes précipitantes dues à des processus de mélange, de condensation et/ou de recharge
The isotopic composition of water vapor (dO18 and dD) is commonly used to study present and past water cycle and its varations. If this geochemical tool has been widely used to study past polar climates, many questions remain about the factors governing the isotopic composition of water in the tropics.The goal of this thesis is (1) to monitor the isotopic composition of water vapor in Reunion island (Indian Ocean), and (2) to evaluate the potential of theses measurements for understanding humid climate processes. We have set up a laser spectrometer at the Maïdo Atmospheric Observatory, allowing us to obtain a three-year chronicle of measurements.First, we analyze the temporal variability in our measurements. The isotopic composition of water vapor does not record any seasonal cyclicity. On the other hand, a strong diurnal cycle is visible, as well as a synoptic variability associated with cyclonic events.We then focus on the diurnal cycle. We show that it results from atmospheric boundary layer motions, with a marine vapor reaching the Observatory during the day, and air masses originating from the free troposphere reaching the Observatory during the night. During some nights, vapor is significantly more depleted in dO18 and dD. During the austral winter, this phenomenon is due to a modification of the regional atmospheric circulation causing a reinforcement of subsidences at Reunion Island, related to the position of the Subtropical Jet. During the austral summer, this phenomenon is sometimes due to an intensification of the subsidence at Reunion Island, and at other times to local or regional condensation processes.Finally, we focus on cyclonic events. During these periods, a strong isotopic depletion of the vapor is observed. We show that this depletion occurs 2 to 3 days before the system and continues until 3 days after. During this period, the evolution of the isotopic composition of the water vapor has a substructure. We note (1) an isotopic depletion that is a function of the distance to the center of the system, (2) an isotopic enrichment at the system wall, and (3) an abrupt evolutions of the isotopic composition of the water vapor in the rainbands due to mixing, condensation and/or recycling processes

Contrairement aux carottes de glace polaires, les variations isotopiques dans les carottes de glace tibétaines compliquent l'interprétation des signaux de température. L'une des principales raisons est que dans les régions de mousson aux latitudes basses et moyennes, les isotopes de l'eau sont influencés par des processus convectifs et nuageux. Il est nécessaire de mieux comprendre le comportement des isotopes de l'eau et les contrôles dynamiques impliqués dans la transpiration et la convection de l'humidité. Des observations in situ à grande échelle et des profils verticaux des isotopes de la vapeur pendant la convection seraient utiles, mais ces données sont rares. Le but de cette thèse a été de documenter les variations horizontales, verticales et temporelles de la mousson d'Asie de l'Est. D’abord, afin de documenter les variations horizontales près de la surface et saisonnières de la composition isotopique stable de l’eau en Chine, nous avons effectué des observations in situ des isotopes de la vapeur d'eau sur une vaste région de la Chine (plus de 10 000 km) pendant les saisons de pré-mousson et de mousson, à l'aide d'un système de mesure des isotopes de la vapeur d'eau nouvellement conçu et installé sur un véhicule. Nous avons constaté que les variations spatiales de la vapeur δ18O sont principalement contrôlées par la distillation de Rayleigh le long des trajectoires des masses d'air pendant la saison de pré-mousson, et sont fortement influencées par différentes sources d'humidité, les processus de recyclage continental et la convection le long du transport de l'humidité pendant la saison de la mousson. Ces résultats donnent un aperçu de la distribution spatiale et de la variabilité saisonnière de la composition isotopique de l'eau en Asie de l'Est et de leurs facteurs de contrôle, et soulignent la nécessité d'interpréter les enregistrements proxy dans le contexte du système régional et des sources d'humidité. Ensuite, pour mieux comprendre les processus physiques qui contrôlent la distribution verticale des isotopes de la vapeur et sa variabilité intra-saisonnière et saisonnière, nous avons observé les profils verticaux des isotopes de la vapeur de l'atmosphère jusqu'à la haute troposphère (de la surface du sol à 3856 m jusqu'à 11000 m d'altitude) de juin à octobre dans le sud-est du plateau tibétain à l'aide d'un drone spécialement conçu à cet effet. Pour l’échantillonnage, nous avons utilisé des sacs d’air, mais avons rencontré des problèmes de perméabilité généralement associés à ces sacs. Pour corriger ces problèmes, nous avons développé un modèle de diffusion et en avons calibré les paramètres avec des expériences de laboratoire. Ceci nous a permis de documenter pour la première fois que la distribution verticale des isotopes de la vapeur d'eau atmosphérique pendant toute la période de la mousson jusqu'à la haute troposphère, avec une résolution verticale et une gamme d'altitudes sans précédent. Nous constatons que les profils verticaux de la composition isotopique de la vapeur d'eau reflètent une combinaison de processus à grande échelle, en particulier la convection profonde et le recyclage continental le long des trajectoires, et les processus convectifs locaux, en particulier le détrainement convectif et la sublimation des cristaux de glace. Les variations saisonnières et intra-saisonnières observées sont généralement cohérentes verticalement, en raison du fort mélange convectif vertical et du détrainement convectif local de la vapeur provenant des basses couches, et reflètent les variations de convection profonde le long des trajectoires
Unlike polar ice core records, the isotope variations in Tibetan ice cores challenge the interpretation of temperature signals. One of the main reasons is that in monsoon regions at low and middle latitudes, water isotopes are influenced by convective and cloud processes. A deeper understanding of water isotope behavior and the dynamical controls involved in moisture transpiration and convection is needed. Large-scale in-situ observations and vertical profiles of vapor isotopes during convection would be helpful. However, such data are rare. The aim of this thesis was to document horizontal, vertical, and temporal variations in the isotopic composition of water in East Asian monsoon region. First, to document the horizontal and seasonal variations of water isotopes near the surface across China, we made in-situ observations of near-surface vapor isotopes over a large region (over 10000 km) across China in both pre-monsoon and monsoon seasons, using a newly-designed vehicle-based vapor isotope monitoring system. We found that the observed spatial variations of vapor δ18O are mainly controlled by Rayleigh distillation along air mass trajectories during the pre-monsoon period, but are significantly influenced by different moisture sources, continental recycling processes, and convection along moisture transport during the monsoon period. These results provide an overview of the spatial distribution and seasonal variability of water isotopic composition in East Asia and their controlling factors and emphasize the need to interpret proxy records in the context of the regional system and moisture sources. Second, to better understand the physical processes that control the vertical distribution of vapor isotopes and its intra-seasonal and seasonal variability, we observed the vertical profiles of atmosphere vapor isotopes up to the upper troposphere (from the ground surface at 3856m up to 11000m a.s.l.) from June to October in the southeastern Tibetan Plateau using a specially-designed unmanned-aerial-vehicle (UAV) system. For the sampling, we chose to carry air bags on UAVs as a portable sampling device, but encountered the permeability problem commonly associated with these bags. To corrected for this problem, we developed a diffusion model with diffusion parameters calibrated through laboratory experiments. This allows us to document for the first time the vertical distribution of atmospheric water vapor isotopes across the entire monsoon period up to the upper troposphere, boasting an unprecedented vertical resolution and altitude range. We find that the vertical profiles of water vapor isotopic composition reflect a combination of large-scale processes, in particular deep convection and continental recycling along trajectories, and local convective processes, in particular convective detrainment, and sublimation of ice crystals. The observed seasonal and intra-seasonal variations are generally vertically coherent, due to the strong vertical convective mixing and local convective detrainment of vapor originating from the low levels, and are mainly due to deep convection along trajectories

La taille du corps est une caractéristique importante pour décrire la façon dont les organismes interagissent avec leur environnement biotique et abiotique. La distribution en taille dans les réseaux trophiques peut être synthétisée par une relation linéaire négative entre la taille des organismes et leur abondance. Cette relation, communément appelée "spectre de taille", est largement utilisée dans les écosystèmes marins pour évaluer les impacts des pêcheries commerciales sur les propriétés des réseaux trophiques. Dans ce travail, notre objectif était de développer cette approche basée sur la taille des organismes dans le but de quantifier les effets des changements globaux sur le fonctionnement des écosystèmes lacustres. Dans un premier chapitre, nous avons étudié la variation spatiale du spectre de taille des poissons dans les lacs naturels et de barrages à l'échelle nationale en utilisant de nombreuses campagnes de biosurveillance. Alors que les bioindicateurs étaient significativement affectés par l'eutrophisation et les invasions biologiques, nos résultats ont souligné la valeur ajoutée de l'utilisation du spectre de taille pour déceler les impacts des altérations physiques de l'habitat sur les communautés. Dans un deuxième chapitre, nous avons quantifié la stabilité temporelle de ces communautés de poissons en réponse aux changements d'intensité des facteurs du changement global. L'invasion biologique n'a pas eu d'influence sur la dynamique temporelle du spectre de taille, mais nous avons observé que l'augmentation de la température de l'eau, ainsi que l'augmentation de la charge en nutriments, pouvaient être liés à des changements à court terme dans les spectres de taille. Dans un troisième chapitre, nous avons évalué la relation entre le spectre de taille et la structure trophique réelle des communautés de poissons. En utilisant l'analyse des isotopes stables, nous avons montré qu'un faible rapport de masse prédateur-proie, suggérant une efficacité de transfert trophique plus élevée, induisait des pentes du spectre de taille plus plates (abondances plus élevées des poissons de large taille corporelle). Cependant, la présence d'espèces non-natives altère cette relation et réduit la pertinence d'utiliser le spectre de taille pour refléter les flux d'énergies dans les réseaux trophiques. Dans le quatrième chapitre, notre objectif était d'identifier expérimentalement comment les changements dans le spectre de taille reflètent les changements dans le fonctionnement de l'écosystème. Les résultats ont démontré que le spectre de taille peut être lié à productivité primaire et secondaire par des processus ascendants, ainsi qu'aux changements dans l'intensité des cascades trophiques. Dans l'ensemble, ces résultats démontrent la pertinence de l'utilisation de la structure en taille des communautés pour quantifier les impacts anthropiques sur les communautés lacustres et les conséquences potentielles sur le fonctionnement des écosystèmes, avec des applications possibles dans les programmes de gestion au niveau de l'écosystème
Body size is a powerful trait to describe how organisms interact with their biotic and abiotic environments. Size distribution in food webs can be formalized by a negative linear relationship between organism size and abundance. This relationship, usually referred as the "size spectrum", is commonly used in marine ecosystems to assess the impacts of commercial fisheries on food webs properties. In this work, our aim was to develop this size-based approach on communities to quantify the effects of global changes on the functioning of lacustrine ecosystems. In a first chapter, we investigated the spatial variation of the fish size spectrum in natural and reservoir lakes on a national scale using various biomonitoring surveys. While bioindicators were significatively affected by eutrophication and biological invasions, our findings highlighted the added value of using the size spectrum to highlight the impacts of habitat alterations. In a second chapter, we quantified the temporal stability of these communities in response to changes in the intensity of global change drivers. Biological invasion had no influence on the fish size spectrum dynamic, but we observed that increased water temperature, as well as increased nutrient loading could be linked to short-term changes in size spectra. In the third chapter, we assessed the relationship between size spectrum slope and the trophic structure of fish communities. Using stable isotope analysis, we showed that a low predator-prey mass ratio, suggesting to higher trophic transfer efficiency, induced flatter size spectrum slopes (higher abundance of large fishes). However, the presence of non-native species disrupted this relationship and reduced the potential for using the size spectrum to reflect energy flux in food webs. In the fourth chapter, our goal was to experimentally identify how changes in the size spectrum reflect changes in ecosystem functioning (e.g. productivity or metabolism). Results demonstrated that size spectrum can be linked to primary and secondary production through bottom-up processes, and changes in the intensity of trophic cascades through top-down processes. Taken together, these results demonstrate the relevance of using size structure to quantify anthropogenic impacts on lacustrine communities and the potential consequences on ecosystem functioning, with possible applications in biomonitoring programs at ecosystem level

La composition isotopique de l’eau (dO18 et dD) est couramment utilisée pour étudier le cycle de l’eau actuel et passé ainsi que ses variations. Alors que dans les zones polaires, cet outil géochimique représente les fondements de la reconstitution des climats polaires passés, de multiples questions demeurent quant aux facteurs pilotant la composition isotopique de l’eau dans les tropiques.Afin de répondre à ces questions, le présent travail de thèse a porté sur la réalisation de mesures en continu de la composition isotopique de la vapeur d’eau sur l’île de La Réunion (océan Indien), ainsi que sur l’évaluation du potentiel de ces mesures pour la compréhension des processus atmosphériques humides prévalant sur cette zone géographique. L’implantation d’un spectromètre laser à l’Observatoire Atmosphérique du Maïdo nous a permis d’obtenir une chronique de trois ans de mesures.Dans un premier temps, les différentes variabilités temporelles que présentent nos mesures ont été étudiées. Les enregistrements ne montrent aucune cyclicité saisonnière sur la composition isotopique de la vapeur d’eau. Elles indiquent en revanche une forte cyclicité diurne, ainsi qu’une variabilité synoptique associée à des évènements cycloniques.Dans un second temps, nous montrons que cette cyclicité diurne résulte de phénomènes de mouvement de couche limite atmosphérique, avec une vapeur marine qui atteint l’Observatoire durant la journée, alors que des masses d’air en provenance de la troposphère libre y parviennent durant la nuit. La présence de certaines nuits significativement plus appauvries en dO18 et dD reflète (1) une modification de la circulation atmosphérique régionale avec un renforcement des subsidences au niveau de La Réunion, lié à la position du Jet Subtropical durant l’hiver austral, et (2) tantôt une intensification de la subsidence au niveau de La Réunion, tantôt des processus de condensation locaux ou régionaux durant l’été austral.Enfin, l’étude des phénomènes cycloniques indique qu’au cours de ces périodes, un fort appauvrissement de la composition isotopique de la vapeur est observé. Celui-ci survient 2 à 3 jours avant et perdure jusqu’à 3 jours après le passage du système. Durant cette période, l’évolution de la composition isotopique de la vapeur d’eau présente une sous-structure. On note (1) un appauvrissement isotopique qui est fonction de la distance au centre du système, (2) un enrichissement isotopique au niveau du mur du système, et (3) des évolutions abruptes de la composition isotopique de la vapeur d’eau dans les bandes précipitantes dues à des processus de mélange, de condensation et/ou de recharge
The isotopic composition of water vapor (dO18 and dD) is commonly used to study present and past water cycle and its varations. If this geochemical tool has been widely used to study past polar climates, many questions remain about the factors governing the isotopic composition of water in the tropics.The goal of this thesis is (1) to monitor the isotopic composition of water vapor in Reunion island (Indian Ocean), and (2) to evaluate the potential of theses measurements for understanding humid climate processes. We have set up a laser spectrometer at the Maïdo Atmospheric Observatory, allowing us to obtain a three-year chronicle of measurements.First, we analyze the temporal variability in our measurements. The isotopic composition of water vapor does not record any seasonal cyclicity. On the other hand, a strong diurnal cycle is visible, as well as a synoptic variability associated with cyclonic events.We then focus on the diurnal cycle. We show that it results from atmospheric boundary layer motions, with a marine vapor reaching the Observatory during the day, and air masses originating from the free troposphere reaching the Observatory during the night. During some nights, vapor is significantly more depleted in dO18 and dD. During the austral winter, this phenomenon is due to a modification of the regional atmospheric circulation causing a reinforcement of subsidences at Reunion Island, related to the position of the Subtropical Jet. During the austral summer, this phenomenon is sometimes due to an intensification of the subsidence at Reunion Island, and at other times to local or regional condensation processes.Finally, we focus on cyclonic events. During these periods, a strong isotopic depletion of the vapor is observed. We show that this depletion occurs 2 to 3 days before the system and continues until 3 days after. During this period, the evolution of the isotopic composition of the water vapor has a substructure. We note (1) an isotopic depletion that is a function of the distance to the center of the system, (2) an isotopic enrichment at the system wall, and (3) an abrupt evolutions of the isotopic composition of the water vapor in the rainbands due to mixing, condensation and/or recycling processes

Depuis de nombreuses années, les métaux traces ont fait l’objet de recherches importantes dans les domaines de l’environnement et de l’écotoxicologie. Le mercure (Hg), élément trace, a été étudié depuis l’époque où sa responsabilité dans la contamination de la baie de Minamata au sud-ouest du japon a été mise en évidence. Il est le seul élément chimique dont l’introduction dans le milieu marin par l’activité humaine ait entraîné mort d’homme. Les sédiments jouent un rôle important dans le cycle biogéochimique du mercure en milieu aquatique, qui sont considérés comme piège de la contamination par le mercure, les sulfures jouent un rôle important dans le contrôle de sa spéciation et les risques environnementaux générés dans les milieux aquatiques. Le mercure peut être transformé sous ses formes methylées et être remobilisé ou encore transféré dans la chaine trophique. Dans certaines conditions les sédiments peuvent être aussi une source de contamination par le mercure. La première partie de cette étude est axée sur la mise au point d’une nouvelle méthode de mesure et de spéciation du mercure dans les sédiments en utilisant, le couplage éthylation en solution du mercure et du methylmercure avec la méthode Headspace et Headspace avec Trap (piège Tenax), séparation par Chromatographie Gaz et détection par la technique de spectroscopie de fluorescence atomique à vapeur froide (CV-AFS : Cold Vapor Atomic Fluorescence Spectroscopy). L’étude de terrain été réalisée dans les canaux « Deûle et Lys » de la région Nord-Pas de Calais, côté français et dans deux fleuves côté République Tchèque « le Morava et le Jihlava ». Les techniques d´échantillonnages classiques des sédiments par carottage et à l´aide des méthodes de diffusion sur gel DGT (Diffusion Gradient Thin film) pour la mesure du mercure in situ ont été utilisées. La méthode DGT permet de déterminer le métal dissous labile (ion libre, complexes minéraux et complexes organiques peu stables) et dépend du type de capteur DGT utilisé. Différents gels ont été utilisés et comparés pour la détermination du mercure: Spheron-Thiol, Duolit GT-73 et TiO2. Les résultats obtenus montrent que le Canal de la Deûle est un site caractérisé par une contamination très forte et ancienne. Les transformations et la partition des espèces du mercure ont été évaluées grâce à l´utilisation de traceurs isotopiques (199IHg et 201MeHg) en même temps que la réactivité biogéochimique du sédiment. Les comportements respectifs des espèces naturelles (endogènes) et ajoutées (exogènes) du mercure ont été comparés pour chaque couche du sédiment
Mercury (Hg) is naturally occurring toxic element; however global mercury emissions are dominated by anthropogenic sources. The global cycle of mercury has seen an increase in mercury deposition, especially in aquatic ecosystems, since the beginning of the industrial revolution. First part of the thesis summarizes the source of mercury, its properties and toxicity from the general point of view, but also the current state of knowledge on the biogeochemical cycle of mercury and in particular behaviour of mercury inside the sediments of the aquatic environment and factors influencing its transformation into methylated form. The sediment in aquatic systems may acts as the ultimate sink, where mercury in its various complexes is deposited. The mercury in sediments can then be converted to its more toxic organic form, methylmercury (MeHg), by the transformation processes controlled by various physical, chemical and biological factors. More over remobilization of mercury species from sediments is possible due to diffusion and resuspension and so sediments may act as potential source of mercury for aquatic biota. Bioaccumulation and biomagnifications can then continue up the food chain where humans, among other animals, consume the organic mercury. It is clear that determination of total mercury is not sufficient to understand its fate in the environment; determination of MeHg provides very useful additional information. The sensitive and precise analytical method for MeHg determination is necessary. The methodological part of the thesis deal with the methods for determination of mercury species in sediments. The method for methylmercury determination in sediments using automated Headspace sampler equipped with Trap and coupled with Gas Chromatography and Atomic Fluorescence Detector was developed and is define. The special attention is also given to the necessity of clean sampling procedures and the proper storage and pre-treatment of the samples and the field study of Hg distribution in sediments. The mercury contamination of sediments from the South Moravia and Northern France are compared. The mercury species and other elements (Fe, Mn, S) were analysed in sediments and/or pore water and/or surface water collected from the sampling sites in the Deûle and Lys River (France) and Jihlava and Morava River (Czech Republic). In order to better assess the mercury contamination of aquatic ecosystem, the pore water concentration could be evaluated to understand the availability of mercury from sediment. The use of diffusive gradient in thin film (DGT) technique is applied to measure pore water mercury concentration in river sediments. Different resins gels for mercury determination are used: Spheron-Thiol, Duolite GT-73 and TiO2. River Deûle act as a sink for enormous anthropogenic Hg from the industrial activities and is considered as a potential significant source of methylmercury to the surrounding environment. The last part of thesis deals with the application of well-established isotope experiments to study methylation/demethylation processes in sediments of Deûle River. For this purpose, species-specific isotopically enriched tracers in the form of inorganic mercury IHg (199Hg) and MeHg (201MeHg) have been added to the sediment slurries. Mercury labelled species were used as the tracers to follow their chemical fate and calculate the extent of the transformation reaction yield occurring during the 24 hours experiment. This experiment methodology is refined by applying advanced matrix algebra to resolve the contributions of several different enriched stable isotope species specific tracers to the isotope pattern found, making the calculation of methylation/demethylation rates possible

Ce travail porte sur l'étude paléo-environnementale de bassins himalayens: le bassin d'avant pays (Miocène sup.) et le bassin transporté de Kathmandu (Plio-pléistocène). Nous nous sommes appuyés sur l'étude du C et de l'O des mollusques et des eaux de la plaine du Gange et des bassins intra-montagneux modernes.
Pour l'actuel, le Δ18Ow des rivières varie de -18 à -4‰. Le Δ18Ocar montre que les carbonates sont proches de l'équilibre isotopique avec les eaux dans lesquels ils sont formés (20 à 25°C). Le Δ13Ccar est appauvri par rapport au DIC des rivières, impliquant qu'une part de carbone organique est utilisée pour la synthèse des coquilles.
Dans les Siwaliks (16-1 Ma), le Δ18Ocar varie de -16.4 à 0.6‰. Les valeurs anté-6Ma sont très inférieures aux valeurs pliocènes et actuelles de la plaine du Gange. La plaine miocène sup. était donc drainée par des rivières de configuration différente des rivières modernes. Le Δ13C augmente vers 5 Ma jusqu'à environ 0‰, évolution qui semble en rapport avec l'explosion de la flore C4.
Le bassin de Kathmandu (3-0 Ma) est caractérisé par une sédimentation fluvio-lacustre. La profondeur du lac montre des fluctuations importantes, contrôlées par la tectonique, les glissements et débris-flow. Pour les périodes pos-50 Ka, la géochimie des isotopes de l'O des mollusques montre des périodes pour lesquelles les valeurs Δ18Ocar sont très élevées (-2.4 à 8‰), compatibles avec les eaux de précipitation d'hiver à Kathmandu (-6.5 à 7.5‰). Ces valeurs sont généralement associées à des diatomées. Deux processus semblent se combiner durant ces épisodes: une diminution des précipitations d'été et une forte évaporation, qui augmentent le 18O.