These EauTrace CEREGE

Oudin

Informations

• Publié par: Mezat
• Nombre de lectures: 43
• Langue: Français

Extrait

Proposition de sujet de thèse

Traçage isotopique de l’évaporation et du recyclage continental de vapeur d’eau

atmosphérique : application à la région Camargue-Crau

Ecole doctorale

: SCIENCES DE L’ENVIRONNEMENT

Laboratoire d’accueil

: CEREGE, UMR 6635, Europôle de l’Arbois, 13545 Aix en Provence

(

http://www.cerege.fr/

)

Direction

: Christine VALLET-COULOMB (MCF Université Paul Cézanne) et Florence

SYLVESTRE (DR IRD)

Contact

: C. Vallet-Coulomb, tel : [phone] (

[e-mail]

)

Les candidatures doivent être adressées avant le 30 avril 2010, délai de

rigueur, à C. Vallet-Coulomb.

Résumé :

La région Camargue-Crau, typiquement soumise à un climat méditerranéen, est caractérisée

par une imbrication étroite entre des zones humides/irriguées et des zones très sèches. Ces

contrastes impliquent des interactions complexes entre les différents secteurs, le flux de

vapeur produit par l’évapotranspiration des zones humides pouvant contribuer aux

précipitations locales ou réduire la demande évaporatoire des écosystèmes voisins. Les

écosystèmes régionaux sont par conséquent étroitement liés au fonctionnement des zones

humides locales, et la perspective d’une restriction de l’eau pour l’irrigation traditionnelle,

dans le contexte du changement climatique, pourrait considérablement modifier l’équilibre

actuel.

Cette thèse a pour objectif d’étudier l’impact de l’évaporation et de l’évapotranspiration des

zones humides et des surfaces irriguées sur le climat local de la région Camargue-Crau, grâce

au traçage isotopique (

δ

18

0,

δ

2

H). Il s’agira (1) de développer une méthodologie d’étude de la

partie atmosphérique du cycle de l’eau qui s’appuiera sur la mesure

in situ

, par spectrométrie

laser, de la composition isotopique de la vapeur atmosphérique, et (2) d’apporter une

quantification de l’impact des zones humides sur le bilan hydrologique local.

Compétences requises:

Ce sujet s’adresse à un(e) candidat(e) ayant une formation en Sciences de la Terre, en

Sciences de l’Environnement, ou en bioclimatologie. Une compétence en géochimie des

isotopes stables sera particulièrement appréciée. Le projet nécessite l’acquisition de mesures

sur le terrain, ainsi qu’une grande partie de développement méthodologique et analytique.

Une aptitude marquée pour le travail de terrain en situation d’autonomie est donc nécessaire.

En parallèle, les interprétations nécessiteront le développement et l’utilisation de modèles, et

des compétences en programmation (matlab) seront également appréciées.

Bourse :

La bourse de thèse est co-financée entre le CNRS-INSU et la région PACA, et s’appuie sur

un partenariat avec la Réserve Nationale de Camargue (

http://www.reserve-camargue.org/

)

Recrutement au 1

er

Octobre 2010 pour une durée de 3 ans.

Rémunération : 1757€ brut mensuel (2095.08€ si une activité complémentaire d’enseignement

était confiée au doctorant par l’école doctorale)

D

ESCRIPTION DETAILLEE DU PROJET

Cadre général et enjeux scientifiques

Il est reconnu maintenant que dans de nombreuses régions du globe, le réchauffement

climatique s’accompagne d’une intensification du cycle hydrologique. Cela se traduit à la fois

par une augmentation de l’intensité des précipitations et par une augmentation de

l’évapotranspiration des continents (Brutsaert 2006). Ces changements se manifestent

toutefois

avec

de

grandes

disparités

spatiales,

en

particulier

dans

les

régions

méditerranéennes,

pour

lesquelles

la

disponibilité

de

l’eau

de

surface

pour

l’évapotranspiration présente une répartition spatiale contrastée. Dans ces régions, on s’attend

à une augmentation de la fréquence et de la durée des périodes de sécheresse, et il est

important de pouvoir bien comprendre comment les différents compartiments hydrologiques

se comportent pour définir des mesures d’adaptation. Le secteur Crau-Camargue est

exemplaire à cet égard, du fait de l’imbrication entre des surfaces très arides (le Coussoul en

Crau, la Sansouïre en Camargue), des zones humides et surfaces irriguées. Cette région

présente une grande diversité de milieux, souvent uniques, et qui pourraient être

particulièrement affectés par les diverses pressions futures dues aux évolutions du climat, à

l’utilisation des ressources en eau et à des modifications de l’utilisation agricole des terres. En

particulier, les cultures irriguées (foin de Crau, rizières de Camargue) y prennent une place

importante, et la perspective de future restriction de l’utilisation de la ressource en eau peut

considérablement modifier l’équilibre actuel.

Cette thèse permettra d’acquérir et de développer une expertise spécifique sur l’utilisation des

isotopes stables comme traceurs des flux de vapeur atmosphérique. La composition isotopique

de la vapeur atmosphérique est un traceur efficace et prometteur du cycle de l’eau, car elle

permet d’identifier les sources de vapeur atmosphérique, et notamment de discriminer les

sources locales (flux d’évaporation et flux de transpiration), et les sources régionales (vapeur

advectée). Lorsque l’on combine les mesures isotopiques dans la vapeur d’eau et dans les

précipitations, on peut détecter et quantifier les phénomènes de recyclage locaux ou régionaux

de vapeur continentale, aidant ainsi à boucler les bilans hydrologiques à différentes échelles

(Vallet-Coulomb

et al.

, 2008).

Par ailleurs, l’intérêt grandissant que représente le traçage isotopique de la vapeur

atmosphérique comme outil de quantification du cycle hydrologique à l’échelle régionale se

traduit par l’intégration de ce paramètre dans de nombreux modèles climatiques,

hydrologiques, et de fonctionnement de la surface (Sturm et al., 2005; Fekete et al., 2006;

Henderson-Sellers 2006).

Caractère novateur

La mise au point très récente des techniques de mesure de la composition isotopique de l’eau

(

δ

18

O,

δ

2

H) par spectrométrie laser permet maintenant d’obtenir des précisions comparables à

celles obtenues par spectrométrie de masse. En 2010, peu de laboratoires de recherche en

France sont équipés avec ce type d’instrument, mais le potentiel de cette technique, robuste,

transportable, et nettement moins coûteuse que la spectrométrie de masse, est très prometteur.

Ce projet s’appuie sur une des facilités qu’offre la spectrométrie laser: la mesure

in situ

et en

continu de la composition isotopique de la vapeur atmosphérique. Cela représente un progrès

considérable, car jusqu’à présent la mesure de la composition isotopique de la vapeur d’eau

impliquait un échantillonnage de la vapeur par piégeage cryogénique, technique assez lourde

à mettre en oeuvre sur le terrain. A la différence de l’échantillonnage de la vapeur d’eau, la

résolution temporelle des mesures obtenues par spectrométrie laser permet de suivre des

cycles journaliers, tandis que sa relative simplicité de mise en oeuvre permet d’envisager un

suivi à long terme, englobant les variations saisonnières.

Les études focalisées sur le traçage isotopique de la vapeur d’eau connaissent actuellement un

nouvel essor (Lee et al., 2005, 2006, Worden et al., 2007, Wen et al 2008, Welp et al., 2008),

et c’est une compétence que nous souhaitons développer régionalement, et qui viendra

compléter l’expertise des équipes de recherche de la région PACA dans le domaine de

l’hydrologie isotopique.

Spectromètre laser pour la mesure

δ

18

O et

δ

2

D de la vapeur

atmosphérique.

Plan et déroulement du travail de thèse

Le déroulement de la thèse s’appuiera sur des dispositifs de terrain mis en place dans le cadre

du programme HYDROCCAM (financement EC2CO). Des expériences

in situ

sont en cours

à partir de bacs d’évaporation installés en Camargue, afin de mesurer le fractionnement

isotopique de l’évaporation en conditions contrôlées. Les premiers résultats (Vallet-Coulomb

et al

., 2010) montrent l’aptitude des expériences sur bac à produire des séries temporelles

moyennées de la composition isotopique de la vapeur atmosphérique (

δ

A

) par l’application du

modèle de Craig et Gordon (1965) combiné à un bilan de masse.

Une première étape de la thèse consistera à mettre en route le spectromètre laser, établir des

protocoles analytiques en laboratoire et sur le terrain. Il s’agira d’établir une méthodologie

d’acquisition de mesures qui tienne compte des conditions microenvironnementales. Le suivi

temporel à haute résolution réalisé par spectrométrie laser sera comparé aux mesures réalisées

sur bacs, et permettra ainsi d’analyser la question de la variabilité spatiale et temporelle de la

composition isotopique de la vapeur atmosphérique, et de la représentativité des valeurs

dérivées des bacs. Ces différents outils seront combinés afin d’avoir une couverture spatio-

temporelle qui permettra de travailler à l’échelle de l’écosystème, sur un suivi saisonnier.

Carte de la région Camargue montrant la répartition des zones humides et

l’implantation des deux bacs d’évaporation (cercles noirs) installés depuis 2008

pour le suivi de la composition isotopique de la vapeur atmosphérique

Bac d’évaporation opérationnel en Camargue depuis 2008 pour la mesure en

conditions contrôlées du fractionnement isotopique de l’évaporation, et la

détermination

indirecte

de

la

composition

isotopique

de

la

vapeur

atmosphérique

R

EFERENCES

Brutsaert W. (2006) Indications of increasing land surface evaporation during the second half

of the 20th century. Geophysical Research Letters 33, L20403.

Craig H. and Gordon L. I. (1965) Deuterium and oxygen 18 variations in the ocean and

marine atmosphere. In Stable isotopes in oceanographic studies and paleotemperatures

(ed. E. T. (Ed.)), pp. 9-130. Lab. Geoligia Nucleare, Pisa.

Fekete B. M., Gibson J. J., Aggarwal P. and Vorosmarty C. J. (2006) Application of isotope

tracers in continental scale hydrological modeling. J. Hydrol. 330, 444–456

Henderson-Sellers A. (2006) Improving land-surface parameterization schemes using stable

water isotopes: introducing the ‘iPILPS’ initiative. Global Planet. Change 51, 3–4.

Lee X., Sargent S., Smith R., and Tanner B. (2005) In situ measurement of the water vapor

18O/16O isotope ratio for atmospheric and ecological applications. Journal of

Atmospheric and Oceanic Technology 22, 555-565.

Lee X., Smith R., Williams J. (2006) Water vapour 18O/16O isotope ratio in surface air in

New England, USA. Tellus 58B, 293-304.

Rahn T. (2007) Tropical rain recycling. Nature 445, 495-496.

Sturm K., Hoffmann G., Langmann B. and Stichler W. (2005) Simulation of delta O-18 in

precipitation by the regional circulation model REMOiso. Hydrol. Process. 19, 3425–

3444

Vallet-Coulomb C., Gasse F., Sonzogni C. (2008) Seasonal evolution of the isotopic

composition of atmospheric water vapour above a tropical lake: deuterium excess and

implication for water recycling. Geochimica et Cosmochimica Acta, 72, p. 4661-4674.

Vallet-Coulomb C., Cartapanis O., Radakovitch O., Sonzogni C., Pichaud M. (2010) Pan-

derived isotopic composition of atmospheric vapour in a Mediterranean wetland

(Rhône River delta, France). Isotopes in Environment and Health Studies, Vol. 46, No.

1, March 2010, 37–48.

Welp L.R., Lee X., Kim K., Griffis T.J., Billmark K.A., Baker J.M. (2008). Delta O-18 of

water vapour, evapotranspiration and the sites of leaf water evaporation in a soybean

canopy. Plant Cell and Environment 31, 1214-1228.

Wen X.F., Sun X.M., Zhang S.C., Yu G.R., Sargent S.D., Lee X. (2008) Continuous

measurement of water vapor D/H and O-18/O-16 isotope ratios in the atmosphere.

Journal of Hydrology 349, 489-500.

Worden J., Noone D., Bowman K., and contributors T. T. E. S. s. t. a. d. (2007) Importance of

rain evaporation and continental convection in the tropical water cycle. Nature 445,

528-532.