[PDF] Estimation des émissions et puits de méthane par inversion

View - Download Estimation des émissions et puits de méthane par inversion

Previous PDF

Next PDF

Thèse de doctorat

NNT : 2021UPASJ015Estimation des émissions et puits de méthane par inversion atmosphérique multi-contraintes du transport et de la chimie atmosphérique à l"aide d"un ensemble d"observations Estimating methane emissions and sinks by multi-constraint inversion of at- mospheric transport and chemistry assimilating an ensemble of observa- tions Thèse de doctorat de l"université Paris-Saclay

École doctorale n

129, Sciences de l"environnement d"Île-de-France (SEIF)

Spécialité de doctorat : Météorologie, océanographie, physique de l"environnement Unité de recherche : Laboratoire des Sciences du Climat et de l"Environnement Référent : Université de Versailles -Saint-Quentin-en-Yvelines Thèse présentée et soutenue à Paris-Saclay, le 15 décembre 2021, par

Joël THANWERDAS

Composition du jury :Valérie DauxPrésidenteProfesseure, LSCE/UVSQ Vincent-Henri PeuchRapporteur & ExaminateurDirecteur de recherche, ECMWF Peter RaynerRapporteur & ExaminateurProfesseur, Université de Melbourne (Australie) Guillaume MonteilExaminateurChercheur, Université de Lund (Suède) Martina SchmidtExaminatriceDirectrice de recherche, Université de Heidelberg (Allemagne) Direction de la thèse :Philippe BousquetDirecteurProfesseur, LSCE/UVSQ Marielle SaunoisCo-encadranteEnseignante-Chercheuse, LSCE/UVSQ Antoine BerchetInvitéIngénieur-Chercheur, LSCE/CEA

Remerciements

comité de thèse. Un grand merci également à Peter Rayner d"avoir accepté d"évaluer ce manuscrit. Enfin,

merci à Guillaume Monteil et Martina Schmidt d"avoir accepté de faire partie du jury d"évaluation de

cette thèse. "If I have seen further it is by standing on the shoulders of Giants." - Isaac Newton

Pendant ces travaux de thèse, j"ai eu la chance d"être encadré par quatre brillant.e.s chercheur.se.s

que je tiens à remercier chaleureusement. Marielle, Antoine, Isabelle, Philippe, vos connaissances et

votre expertise n"ont d"égales que votre humilité et votre gentillesse. Philippe, merci d"avoir été aussi

présent malgré tes nombreuses responsabilités. Merci pour tes conseils ainsi que pour tes nombreux mots

d"encouragement qui m"ont porté tout au long de ma thèse. Isabelle, merci pour tes conseils réguliers et

toujours judicieux qui résonneront encore longtemps dans mon esprit. Merci aussi de transmettre autour

de toi ta motivation et ton entrain à toute épreuve. Antoine, merci d"avoir été aussi présent et de n"avoir

montré aucun signe d"impatience devant un petit thésard ignare en quête de connaissances. Tu resteras

longtemps un de mes modèles d"excellence, autant techniquement que scientifiquement. Enfin, merci

mille fois Marielle pour ton temps, ta gentillesse, ton écoute et ta disponibilité. Tu as su me transmettre

patiemment une rigueur de travail que j"étais loin de posséder au commencement de cette thèse. Par

ailleurs, je n"ai jamais cessé d"être impressionné par l"étendue de tes connaissances sur le méthane. Merci

à vous quatre de m"avoir tant apporté et de m"avoir accordé une telle confiance.

Je tiens aussi à remercier chaleureusement Frédéric Chevallier. Merci d"avoir toujours gardé ta porte

ouverte. Merci pour tes conseils avisés et tes explications toujours claires qui ont régulièrement réussi à

allumer une lumière dans mon esprit. Rien ne vaut une bonne discussion de couloir!

Merci à l"équipe IT et au personnel administratif pour leur soutien et leur efficacité. J"ai eu de nom-

breuses occasions au cours de ces trois années de venir solliciter votre aide et vous avez toujours su

répondre avec gentillesse à ces demandes. Merci aux doctorants, post-doctorants, CDD, permanents et stagiaires du LSCE qui m"ont fait rire

le temps d"un repas, d"une pause, d"un débat de société ou d"une soirée sportive ou festive (le foot et le

volley restant les deux meilleurs anti-dépresseurs). Merci tout particulièrement à Leslie, Audrey, Élise

et Grégoire pour votre présence, votre soutien et pour l"ensemble des fous rires partagés tout au long de

i

cette thèse. Merci à toi Franck, petit oiseau parti trop vite (peut-être pour le bien de ma thèse), pour cet

humour qui restera gravé dans ma mémoire. Merci aux groupes GTEE et climactions pour avoir considérablement enrichi ma réflexion sur les

impacts environnementaux de la recherche et, plus généralement, sur le lien entre changement climatique

et société. Merci aussi de m"avoir montré tous les bénéfices de l"action en groupe. Merci pour votre

motivation sans faille, votre indignation raisonnée et votre espoir.

Merci à l"ensemble du corps enseignant qui m"a formé, a éveillé ma curiosité et m"a appris à me

questionner. Merci d"avoir façonné l"esprit qui me permet aujourd"hui de comprendre le monde dans

lequel je vis et de pouvoir participer à la construction de celui dans lequel j"aimerais vivre. Merci aussi

au système éducatif français qui m"a permis d"accéder (presque) gratuitement à cet enseignement.

passer, accélérer, enrouler, smasher, corser et bloquer pendant ces trois années. Rien ne vaut un bon

entraînement de volley pour se libérer du poids d"une thèse!

Merci aussi à tous mes amis qui m"ont soutenu et encouragé. Finalement, je l"ai trouvé cette atmo-

sphère. Enfin, je crois.

Merci à Aliyah et Philippe pour leur soutien et leur infinie gentillesse en toute situation. Merci aussi

pour ces belles semaines passées à rédiger dans les montagnes de la Haute-Savoie.

Merci à ma famille d"avoir toujours accepté mes choix et cru en moi. Merci à vous d"être si ouvert.e.s

d"esprit et d"accepter la remise en question. Merci pour ces débats bienveillants qui m"enrichissent et me

font grandir. Merci pour votre soutien inconditionnel pendant ces trois années, surtout dans les périodes

les plus sombres. Merci Papa et Maman de m"avoir transmis votre amour du vivant. Merci Maman et

Mamie, d"avoir été si précurseurs sur bien des sujets importants. Merci Mamie pour toute ta tendresse,

Merci Papi et Mamaya pour vos sourires, votre intelligence et votre fierté à l"égard de vos petits-enfants.

Merci à vous tous d"avoir pavé ma voie.

Enfin, merci à Yona. Merci de me tirer vers le haut au quotidien, par ta profondeur de réflexion, par

les désespoirs et les accomplissements de cette thèse avec toi m"a permis d"aller jusqu"au bout.

ii

Table des matières

Remerciementsii

Table des matièresiii

Table des figuresviii

Liste des tableauxx

Introduction

3

Partie I Introduction générale

5 I Évolution et impacts du méthane atmosphérique 7

1 Le méthane à travers l"histoire de la Terre

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.1 Découverte contemporaine

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.2 Origine du méthane sur Terre

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.3 Les variations de concentrations atmosphériques de méthane...

. . . . . . . . . . 11

1.3.1 ... des 800 000 dernières années

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.3.2 ... du dernier millénaire

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.3.3 ... des dernières décennies

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2 Les impacts du méthane sur notre environnement

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.1 Le rôle du méthane dans la chimie atmosphérique

. . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2 Le rôle du méthane dans le réchauffement climatique

. . . . . . . . . . . . . . . 14

II Le cycle biogéochimique du méthane

17

1 Les sources d"émission de méthane

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.1 Les sources biogéniques

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.1.1 Les zones humides

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.1.2 La culture du riz

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.1.3 Les déchets

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.1.4 Le bétail

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.1.5 Les termites

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.1.6 Les eaux douces

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 iii

TABLE DES MATIÈRES

1.1.7 Le permafrost

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.2 Les sources thermogéniques

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.2.1 Gaz naturel, pétrole et charbon

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.2.2 Sources géologiques

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.2.3 Hydrates de méthane

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.3 Les sources pyrogéniques

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.3.1 La combustion de biomasse

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.3.2 La combustion de biocarburants

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2 Les puits de méthane

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.1 L"oxydation par des radicaux libres

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.1.1 Le radical hydroxyle OH

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.1.2 L"oxygène atomique O(

1D). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.1.3 Le chlore atomique Cl

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.2 L"oxydation par le sol

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 III Estimer le budget du méthane : approches classiques et intérêts des isotopologues 29

1 La quantification du bilan de méthane

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

1.1 Approche montante

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

1.2 Approche descendante

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

1.3 Liens et incertitudes

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2 Les isotopologues du méthane : caractéristiques et intérêts

. . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.1 Définition et présentation des différents isotopologues du méthane

. . . . . . . . 32

2.2 Le fractionnement isotopique d"un puits

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.3 La signature isotopique d"une source

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.4 Les variations temporelles des signaux isotopiques atmosphériques

. . . . . . . 36

2.4.1 Équation d"évolution temporelle du rapport isotopique atmosphérique

36

2.4.2 Observation de l"évolution temporelle des signaux isotopiques

. . . . 37

3 L"utilisation des observations isotopiques au coeur des objectifs de cette thèse

. . . . . . 38

3.1 La contrainte isotopique

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.2 Plan de thèse

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Partie II Matériels et méthodes

41
IV Modélisation et observation du méthane atmosphérique 43

1 Présentation du modèle de chimie-transport LMDz-SACS

. . . . . . . . . . . . . . . . . 44

1.1 Introduction à la modélisation atmosphérique

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

1.2 Équation de continuité et approche eulérienne

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

1.3 Le modèle de transport LMDz

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

1.4 Le module de chimie simplifiée SACS

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2 Les ingrédients d"une simulation avec LMDz-SACS

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.1 Conditions initiales

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.2 Sources

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.3 Puits

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.4 Signatures isotopiques de sources

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3 L"observation du méthane atmosphérique

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.1 Les mesures in-situ et flacon

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.2 Les mesures par télédétection

quotesdbs_dbs25.pdfusesText_31

[PDF] CH2

[PDF] CH2 : Les mécanismes de transmission du mouvement

[PDF] Ch2 Le théorème de Pythagore Préparation du contrôle (sans

[PDF] Ch21 : Cosinus d`un angle aigu 1 Définition du cosinus d`un angle 2

[PDF] ch3 intégration, forces de pression sur un quart de sphère

[PDF] Ch3 – L`unité centrale : composants et fonctionnement - Travail

[PDF] Ch3. Exercice corrigé. p:78 n°19

[PDF] CH3578_METHODE ABCDE E2

[PDF] Ch390 en ce temps là: damals plus brûlant: glühender se ramasser

[PDF] Ch4. Cours. ANALYSE SPECTRALE.

[PDF] ch5 - Institut Montefiore

[PDF] CH5 - Les transformations chimiques

[PDF] Ch5 LA LOI D`OHM U (V) - Arithmétique

[PDF] CH52 0483 5012 3456 7100 0 L`IBAN Tous les

[PDF] Ch6 : Théorème des milieux 1 Propriété de la droite des milieux 2