À l'origine des fleuves dans les Andes semi-arides : le rôle hydrologique des glaciers rocheux et des tourbières vu par les méthodes hydrogéophysiques et isotopiques

07/05/2021 12:00

Dans les Andes semi-aride du Chili, les glaciers rocheux sont d’une importance majeure, car ils délivrent de l’eau aux saisons les plus critiques. Ils sont de plus prépondérants par rapport aux glaciers blancs dans cette région des Andes.

From coherent structures to convective storms: statistical, observational and modelling approaches to turbulent flows

15/10/2025 10:00

The understanding of climate change and its impacts has significantly advanced in recent decades, revealing the formidable challenges it poses to humanity. In particular, it is now well established that the continued anthropogenic emissions of greenhouse gases are not only driving an increase in global mean temperature but also amplifying the frequency and intensity of extreme weather events such as heatwaves and heavy precipitation. However, some aspects remain poorly understood, such as the influence of climate change on complex weather phenomena like convective storms, which can produce significant hazards, including floods, hail, lightning, and severe winds. This knowledge gap arises mainly from the multiscale, multivariate, and nonlinear nature of such phenomena, which involve intricate interactions among atmospheric variables. These processes are governed by turbulence, characterised by highly disordered fluid motions that present major challenges for both theoretical understanding and numerical modeling. In particular, turbulent flows require a very large number of degrees of freedom to be comprehensively accounted for in computer simulations, which is far beyond the capabilities of current computational resources in realistic environmental or industrial settings. As a result, numerical models use subgrid-scale modelling strategies with many adjustable parameters to represent unresolved processes, which introduces uncertainties.

This thesis addresses these challenges by focusing in particular on the analysis and modelling of coherent structures—organized, recurrent flow patterns such as eddies that emerge from the apparent disorder and provide a more tractable view of turbulence. Special emphasis is placed on convective storms in the context of climate change. First, we show how high-dimensional atmospheric data can be simplified through statistical approaches that extract recurring patterns. Specifically, a generative probabilistic model originally developed for topic modeling in text analysis is adapted to decompose maps of atmospheric variables into spatial patterns that can be identified as atmospheric coherent structures. Second, we examine the challenges in studying convective storms and their evolution with climate change, outlining the limitations of available observations and numerical models. In particular, an initial climatology of derechos, a severe type of convective storm, is constructed for France using multiple observational datasets. We also analyse historical changes in atmospheric environments associated with such events with a methodology that accounts for the conditioning role of the large-scale atmospheric configuration. Finally, a modelling approach for turbulence based on the dynamics of coherent structures is proposed. This approach accounts for the intermittent nature of energy dissipation and leverages the sparsity of coherent structures to limit computational costs. Such strategy could provide more efficient and accurate alternatives to current subgrid-scale models of turbulence, with potential application for atmospheric convection and climate models.

Modélisation numérique de la pollution et du climat régional

09/10/2025 10:00

Je présenterai certains des travaux que j’ai menés autour de la modélisation régionale du climat et de la composition atmosphérique au Laboratoire de Météorologie Dynamique depuis 2012.

Tout d’abord, sur la région Méditerranéenne, les programmes internationaux HyMEx et ChArMEx, m’ont permis d’étudier les précipitations dans le bassin méditerranéen et leur lien avec le couplage atmosphère-océan ainsi qu’avec les effets directs et indirects des aérosols dans le cadre des thèses de doctorat de Ségolène Berthou et de Nicolas Da Silva. Je présenterai également des travaux plus proches des aspects numériques de la modélisation, portant en particulier sur les méthodes de résolution numérique de l’équation de l’advection dans le cadre des modèles de chimie-transport.

Ces travaux ont porté sur toute la chaîne de production qui mène des cas académiques jusqu’à des études réalistes sur des panaches volcaniques ou radioactifs. Je présenterai ensuite quelques contributions que j’ai pu faire au modèle CHIMERE. Enfin, je proposerai quelques perspectives pour mon travail des prochaines années, en particulier autour de l’évolution des modèles de chimie-transport et de leur maillage ainsi que sur l’étude des panaches atmosphériques. Enfin, j’évoquerai le développement du réseau de recherche international ChimSur avec des collègues sud-américains, qui est aussi une perspective importante de mon travail.

Study of the Surface-Exosphere Interaction of Mercury and the Moon - Étude de l’Interaction Surface-Exosphère de Mercure et de la Lune

26/09/2025 10:00

La Lune et Mercure sont des corps dépourvus d’atmosphère, laissant leurs surfaces exposées aux photons et aux particules chargées émanant du Soleil, ainsi qu’aux impacts de météorites. Au fil du temps, ces contraintes externes ont vaporisé la surface de ces corps en très fine poussière, créant une couche poreuse appelée régolithe. Les radiations solaires, les variations de températures ainsi que les impacts de météorites peuvent éjecter des atomes de la surface de ces corps. Ces atomes sont peu nombreux et forment une atmosphère très ténue, appelée exosphère. Une exosphère est caractérisée par l’absence d’interaction entre les atomes la constituant. Ces atomes migrent autour de la Lune ou de Mercure, seulement affectés par la force gravitationnelle. Ces atomes peuvent impacter la surface et en être immédiatement rééjectés. La densité et la composition de l’exosphère dépendent de la composition et de la structure du régolithe, ainsi que de l’efficacité des forçages externes menant à l’éjection d’atomes. Comprendre les interactions entre l’exosphère et le régolithe est donc fondamental pour comprendre les phénomènes de vieillissement de la surface et correctement interpréter les observations qui peuvent en être faites.

Depuis les premières observations des exosphères de Mercure et de la Lune dans les années 1970, ces environnements ont été observés extensivement et de nombreuses espèces chimiques telles que le sodium, le potassium, le magnésium, ou encore le calcium, ont été mesurées. En parallèle, différents modèles théoriques ont été développés pour expliquer la formation et la variation des exosphères de ces corps. Ces modèles se basent sur un équilibre entre l’apport de nouveaux atomes de la surface et la perte d’atomes exosphériques. Il est considéré que les atomes sont éjectés depuis la surface par quatre processus : la désorption thermique, causée par des températures de surface élevées, la désorption induite par un photon solaire énergétique, la désorption par collision avec une particule solaire énergétique (proton ou électron) et la désorption par vaporisation lors d’un impact de météorite.

La désorption thermique semble être d’un intérêt particulier pour Mercure. Étant la planète la plus proche du Soleil avec une orbite elliptique, sa température de surface peut atteindre 700 K. Les atomes exosphériques, une fois éjectés, peuvent s’échapper de l’attraction gravitationnelle, être ionisés, ou, s’ils retombent à la surface, être adsorbés. Ce dernier processus permet à des atomes exosphériques d’être « recyclés », car leur retour à la surface leur permet d’être rééjectés plus tard dans l’exosphère. C’est ce phénomène de recyclage qui a permis d’expliquer la plus grande densité de sodium observée dans l’exosphère de Mercure après le terminateur du matin.

Cette thèse a pour objectif d’améliorer la description des interactions surface-exosphère pour la Lune et Mercure en introduisant une paramétrisation multi-échelles des connexions gaz-régolithe. La première étape a été d’introduire une description plus fidèle des caractéristiques thermophysiques d’un régolithe. En utilisant un outil de dynamique moléculaire adapté à la description des contacts entre plusieurs milliers de grains de différentes tailles, j’ai simulé une structure granulaire pouvant s’apparenter à un régolithe de la Lune ou de Mercure. Un modèle thermique a aussi été développé pour modéliser la variation de la température du régolithe en fonction de sa position géographique sur Mercure, de la profondeur dans le régolithe et de l’exposition du régolithe par rapport au Soleil.

Ce travail s’inscrit dans la préparation de la mission ESA/JAXA BepiColombo qui se dirige actuellement vers Mercure. Cette mission est composée de deux sondes qui vont observer l’environnement de Mercure d’une manière inédite de par leur configuration multi-points.