# IX – PHYSICO-CHIMIE DE L'ATMOSPHERE

Jacques MORELLI

Mission des Etudes et de la Recherche, Ministère de l'Environnement et du Cadre de Vie

On a assisté au cours des dernières années à un développement accéléré des études effectuées en France en matière de physico-chimie de l'atmosphère. Les travaux ont porté sur différents aspects de ce vaste domaine de recherche, qu'il s'agisse de mises au point techniques ou de réalisations instrumentales destinées à faciliter son exploration, d'investigations visant à améliorer nos connaissances des caractéristiques physiques du milieu atmosphérique et d'observations se rattachant à l'étude de la phase atmosphérique du cycle biogéochimique d'une multitude de constituants. On essaiera dans ce qui suit de dégager les grandes lignes des sujets traités et les principaux résultats obtenus sur ces différents points.

## I – TRAVAUX TECHNIQUES

L'intérêt suscité par les problèmes de pollution atmosphérique est à l'origine de nombreux travaux relatifs à la métrologie des constituants de l'air, à l'état gazeux et particulaire [1]. Ce type de recherche a conduit à la réalisation d'appareils qui équipent aujourd'hui des réseaux de contrôle de la qualité de l'air : appareils de mesure automatique des oxydes d'azote par chimioluminescence, du SO₂ spécifique par photométrie de flamme, des poussières par jauge β, etc.

Un important effort a été fait en vue de l'adaptation de différentes techniques analytiques à la mesure à très bas niveau de constituants gazeux [2]. Il a notamment été fait appel à la chromatographie en phase gazeuse pour la détection de composés soufrés et carbonés (CO, chlorure de vinyle, halogénoalcanes, etc.) et pour la mesure in situ de gaz volcaniques à haute température. L'amélioration d'un appareil de conception originale dont le principe repose sur la dissociation des molécules des constituants à analyser par collision avec des jets moléculaires d'argon suivie d'une séparation des fragments obtenus par filtration électrostatique devrait par ailleurs permettre la mesure d'un grand nombre de gaz polluants à des concentrations de l'ordre de 50 ppb.

Des recherches se sont orientées aussi vers la mise au point de techniques de mesure à distance de constituants atmosphériques ou de paramètres physiques à prendre en compte dans les études de dispersion des polluants et dans la prévision des épisodes de pointe de pollution : hauteur d'inversion de température, composantes de la vitesse du vent [2]. Différentes méthodes ont été développées en vue de la télemesure optique de constituants tels que SO₂, le fluor, la chlorure de vinyle, les oxydes d'azote, la vapeur d'eau et l'ozone : radiométrie à modulation sélective, absorption différentielle par laser, spectrométrie Raman, etc. [2]. L'une d'elle devenue maintenant opérationnelle permet notamment la détermination par lidar du profil vertical d'ozone du sol jusqu'à 30 km d'altitude [3] et celle du profil de vapeur d'eau dans les basses couches [4]. Ce dernier procédé a conduit à de premiers résultats en bon accord avec ceux d'observations faites simultanément par ballon sonde. Il a également été possible d'appliquer des techniques lidar à la télédétection des poussières dans la couche limite planétaire [5].
En ce qui concerne les techniques de mesure des aérosols, les recherches ont en grande partie été axées sur la détection des particules ultrafines. Un compteur de noyaux à flux continu a été élaboré et son rendement de détection en fonction de la taille des particules à dénombrer ($4 \cdot 10^{-3} \mu\text{m} < r < 0,1 \mu\text{m}$) a pu être précisé [6]. Ce compteur, dont un prototype industriel vient d'être réalisé, peut fonctionner dans des gammes de concentrations comprises entre $10^{-2}$ et $10^6$ particules·cm$^{-3}$. Une autre méthode utilisant des batteries de diffusion couplées à un compteur de noyaux a permis de suivre l'évolution de la granulométrie des aérosols pour des diamètres de 10 à 200 Å [7, 8]. Dans cette gamme de tailles, une étude comparative d'un même aérosol a récemment été effectuée au moyen de batteries de diffusion et d'un analyseur de Whitby ; elle a révélé de nets écarts entre les distributions granulométriques obtenues par les deux différents procédés, du fait de pertes de comptage, et une défectuosité du fonctionnement de l'analyseur de Whitby en dessous de 100 Å [9]. Des techniques de prélèvement par impaction couplées avec la microscopie optique ou électronique ont d'autre part été développées pour préciser la granulométrie de l'aérosol marin dans le domaine 0,01 – 100 µm [10, 11, 12, 13].

## II – ETUDES DANS LE DOMAINE DE LA PHYSIQUE DE L'ATMOSPHERE

On a regroupé sous cette rubrique un ensemble de résultats à caractère essentiellement physique. Comme on pourra le constater, les travaux mentionnés concernent le plus souvent la physique des aérosols.

### Etude des noyaux de condensation et de leurs sources

De nombreuses mesures de noyaux de condensation ont été effectuées, tant en milieu urbain qu'en milieu naturel. Dans un site urbain (agglomération toulousaine), il a été établi que les noyaux d'Aitken proviennent essentiellement de la circulation automobile, la contribution des foyers domestiques étant relativement faible [14]. Une influence du trafic automobile a également été observée dans des villes d'Afrique Occidentale faiblement industrialisées [15, 16]. Dans des régions équatoriales (Côte d'Ivoire, Congo), les zones lagunaires, certaines plantations en période de floraison et surtout la forêt s'avèrent être aussi de très actives sources de noyaux d'Aitken [17]. Il a été constaté qu'en saison sèche, les noyaux résultant de la pratique des feux de brousse peuvent devenir largement prépondérants [17]. Une étude des conditions de formation de la brume sèche en Afrique de l'Ouest a montré que les poussières à l'origine de ce phénomène, produites en énorme quantité sous l'effet de l'érosion éolienne des sols de régions arides, contiennent des argiles dont l'important pouvoir glaçogène est accru lorsque ces particules entrent en contact avec des aérosols marins [18, 19]. Par ailleurs, un processus naturel de création de noyaux de condensation par des champs d'algues a été mis en évidence sur le littoral breton aux heures de basse marée diurne [20, 21]. Enfin, l'extension de nappes de brouillard dues à un panache de pollution industrielle a pu être suivie dans le Sud Ouest de la France, grâce à des images obtenues par satellite [22].

### Etudes de réactions de conversion gaz-particules. Ionisation et électricité atmosphériques.

Les mécanismes de réactions de conversion gaz-particules ont fait l'objet de recherches approfondies, principalement dans le cas de l'oxydation de $SO_2$ en acide sulfurique et aérosol de sulfates. Cette transformation a été étudiée tant au laboratoire [23, 24, 25, 26] qu'en situ. Des expérimentations en enceinte de simulation ont montré qu'en phase gazeuse homogène, la nucléation est influencée par la présence de $NO_2$ et de vapeur d'eau et s'effectue par l'intermédiaire de radicaux tels que $OH$ et $OH^+$ [23, 24]. Il apparaît également que l'oxydation du $SO_2$, relativement peu importante en phase gazeuse homogène, devient beaucoup plus active au contact de particules solides telles que des oxydes métalliques, dont le rôle catalytique a été établi [26].
D'autres travaux ont porté sur l'ionisation atmosphérique : étude expérimentale des caractéristiques des ions créés artificiellement dans l'air et les gaz purs [27, 28, 29], production de noyaux de condensation dans l'air atmosphérique par rayonnement ionisant [30] ou par effluve électrique [31], détermination de l'état de charge de l'aérosol radioactif naturel [32]. Des recherches sur les réactions ioniques de la basse atmosphère ont été entreprises après mise au point d'une installation de mesure simultanée de la mobilité et de la masse des ions [33, 34, 35]. On doit aussi mentionner des mesures de charge d'espace ionique et du champ électrique atmosphérique en zone côtière peu polluée [36, 37] et autour du site industriel de Lacq où l'influence de la pollution sur ces paramètres a été précisée [38, 39].

### Etude de la turbulence atmosphérique par ses effets optique au sol

Une équipe a cherché à localiser les turbulence par analyse des défauts aléatoires qu'elle produit sur les ondes lumineuses [40, 41, 42, 43]. L'étude des fluctuations du flux lumineux reçu des étoiles a conduit à la réalisation d'un instrument qui renseigne sur la vitesse moyenne des couches turbulentes, leur énergie et leur altitude. Grâce à cette technique, qui a notamment permis la mise en évidence de turbulence dans la stratosphère, on peut suivre en temps réel l'évolution temporelle des couches turbulentes par des profils obtenus toutes les dix secondes. Une autre méthode, basée sur l'analyse des déplacements du bord du soleil ou de la lune au foyer d'un instrument astronomique, s'est avérée bien adaptée à l'étude de la turbulence dans la couche limite planétaire, plus spécialement dans la couche de surface (h < 50 m).

### Modélisation des effets de constituants atmosphériques sur la structure thermique de l'atmosphère

Un modèle thermique unidimensionnel a été développé afin de mieux comprendre le mécanisme de transfert radiatif et les processus à travers lesquels les polluants stratosphériques interagissent avec la structure thermique de l'atmosphère [44]. Ce modèle a été utilisé pour évaluer la sensibilité de l'équilibre thermique sol/atmosphère à diverses perturbations des concentrations atmosphériques en O<sub>3</sub>, H<sub>2</sub>O, CO<sub>2</sub>, NO<sub>2</sub> et SO<sub>4</sub>, et à différentes caractéristiques optiques de la couverture nuageuse. D'après les calculs effectués, il apparaît en particulier que l'effet direct sur la température d'équilibre au sol d'une flotte de l'ordre de 200 avions supersoniques de type "Concorde" est insignifiant [45].

## III - ETUDES DANS LE DOMAINE DE LA CHIMIE ET DE LA GEOCHIMIE ATMOSPHERIQUES.

Les nombreux travaux développés pour mieux connaître la composition chimique de l'atmosphère s'inscrivent dans deux directions principales :

- Observations dans des situations de forte pollution anthropogénique

- Etudes en atmosphères faiblement contaminées par l'homme.

### A) Observations dans des situations de forte pollution anthropogénique

Ce type d'observations répond à des objectifs d'ordre essentiellement pratique : caractérisation des émissions polluantes, surveillance des niveaux de pollution auxquels se trouve exposée la majeure partie de la population du fait de sa concentration dans des agglomérations urbaines parfois industrialisées, aide à l'établissement de normes en vue de la réduction des nuisances atmosphériques [1, 2]. Parmi les principaux constituants pris en compte figurent des composés soufrés (SO<sub>2</sub>, particules de sulfates), des composés carbonés, des métaux lourds, les oxydes d'azote et l'ozone. Un des aspects des recherches mises en œuvre concerne les relations entre la pollution atmosphérique et ses effets sur le milieu, qu'il s'agisse d'effets sur les végétaux, sur les matériaux et surtout sur la santé humaine.
Dans le cas de la pollution soufrée, la France a contribué à une étude internationale du transport des dérivés soufrés au-dessus de l'Europe de l'Ouest lancée à l'initiative de l'OCDE [46]. L'utilisation de moyens aéroportés a notamment fourni des indications sur la distribution verticale du SO₂ et des sulfates au-dessus du Nord de la France [1]. D'autre observations ont fait apparaître qu'environ 50 % du soufre émis au niveau de l'agglomération parisienne se dépose à moins de 100 km de la zone source [47]. Une équipe française a par ailleurs participé au programme "Mesoscale Sulfur Balance Study" de l'U.S. Environmental Protection Agency. Ce programme a conduit à une modélisation de la propagation de la pollution atmosphérique du Nord Est au Centre des Etats Unis [48, 49].

Des recherches sur la formation des oxydes d'azote dans les panaches de centrales thermiques ont montré qu'à l'émission et à haute température, ces composés se trouvent essentiellement sous forme de monoxyde NO, lequel se transforme en NO₂ à mesure que s'effectue la dilution du panache [50]. Les flux du NO₂ ainsi introduit dans l'atmosphère ont pu être estimés grâce à des mesures par télédétection.

Quant à la pollution par des constituants carbonés, les observations ont notamment porté sur le monoxyde de carbone en atmosphère urbaine. Dans la région parisienne, on a constaté que sa concentration dans l'air tend à diminuer sensiblement depuis l'application d'une première réglementation européenne limitant les émissions des véhicules automobiles [2]. Des recherches utilisant la chromatographie en phase gazeuse couplée avec la spectrométrie de masse ont par ailleurs permis l'identification et l'étude des interactions de différents polluants organiques susceptibles d'être rencontrés dans les atmosphères industrielles : hydrocarbures, alcools, monochlorure de vinyle, etc... [51, 52].

D'autres mesures ont permis d'identifier par chromatographie en phase gazeuse la N-diméthylnitrosamine dans l'air de Paris et de préciser la gamme des concentrations de cette substance réputée cancérigène ainsi que les mécanismes responsables de sa formation et de sa destruction [2].

## B) Etudes en atmosphères faiblement contaminées par l'homme

Dans un but de clarification, on essaiera de situer les travaux effectués par rapport aux étapes successives du maillon atmosphérique du cycle biogéochimique des familles de constituants étudiés : injection dans l'air à partir de différentes sources (surface des océans, surface des continents), distribution verticale dans le réservoir atmosphérique, élimination sous l'effet de divers processus.

## Etudes de constituants atmosphériques au voisinage de la surface des océans

Des campagnes de navires sillonnant de vastes étendues océaniques ont permis de fournir des informations sur une multitude de composés présents dans l'atmosphère marine, dont les concentrations loin des côtes étaient encore pratiquement inconnues il y a une dizaine d'années.

En ce qui concerne les constituants métalliques de l'aérosol marin, les mesures ont d'abord porté sur ceux les plus abondants dans l'océan — Na, K, Ca, Mg — [53, 54], avant d'être étendues à une vingtaine d'autres métaux [55, 56, 57]. Des variations géographiques de leurs abondances relatives ont été mises en évidence, celles-ci s'écartant parfois beaucoup des rapports marins de référence, particulièrement dans le cas des métaux lourds. De tels écarts ont été attribués à la conjugaison de deux effets :

- influence de particules d'origine continentale entraînées au-dessus de l'océan

- éjection dans l'air de particules formées par éclatement de bulles à la surface des mers et dont les plus fines sont issues d'une microcouche superficielle enrichie en différents métaux par rapport à l'eau de mer sous-jacente.

Des expérimentations in situ ont fait apparaître une forte réduction du flux de particules
de sels produites par ce phénomène de pétillement en présence d'un film d'acide oléique ajouté à l'interface air/mer [54, 58]. Les particules de sels marins ayant des propriétés hygroscopiques, il n'est dès lors pas exclu que la pollution de l'océan par des nappes d'huile puisse avoir au moins localement une incidence sur les processus de condensation atmosphérique.

D'autres observations en mer ont apporté des données sur le chlore atmosphérique à l'état gazeux et particulaire [59]. Les plus récents résultats montrent que le HCl produit dans l'atmosphère marine est en majeure partie rapidement réabsorbé par la surface de la mer [60]. Pour la première fois, les concentrations de composés gazeux organiques de Cl, Br et I ont pu être mesurées dans l'air marin ; il s'avère qu'elles sont voisines de celles des mêmes halogènes sous forme gazeuse inorganique [60].

Le fond continu du SO₂ et des sulfates au-dessus des océans a pu être précisé, en particulier dans l'hémisphère Sud [61, 62], ainsi que le temps de séjour du SO₂ dans l'atmosphère marine, estimé à environ 12 heures [63]. Une étude de l'aérosol collecté au-dessus de l'Atlantique Tropical Nord a révélé que par rapport au nombre total de particules, le sulfate d'ammonium est le constituant le plus abondant dans la gamme de taille 0,1 - 2 µm [64]. Il s'est d'autre part confirmé que des phénomènes biologiques sont à l'origine du dégagement à la surface des mers de gaz soufrés comme le sulfure de diméthyle (DMS), qui s'oxydent en SO₂ puis en aérosol de sulfates [65]. En bordure du littoral, les champs d'algues découvertes aux heures de marée basse diurne sont aussi une source de gaz soufrés organiques du même type qui donnent naissance à des noyaux de condensation [20, 21]. A l'échelle de l'océan mondial, la production de sulfates à partir de composés soufrés gazeux d'origine marine pourrait être voisine de 10⁸ T.an⁻¹ [66], valeur du même ordre que la production mondiale de sulfates résultant des émissions de SO₂ anthropogénique.

Enfin, une étude a porté sur les hydrocarbures aliphatiques et aromatiques de l'aérosol filtré au-dessus de l'Atlantique Tropical Nord [67]. Leur origine en grande partie marine paraît très probable, compte tenu des similitudes de composition en hydrocarbures observées entre cet aérosol et la microcouche océanique superficielle.

## Etudes de constituants atmosphériques au voisinage de la surface des continents

Une équipe franco-africaine s'est intéressée à l'aérosol produit par l'érosion éolienne des sols en Afrique de l'Ouest. Elle a noté un enrichissement de certains métaux par rapport à la composition de l'horizon superficiel du sol générateur [68]. En raison de la multiplicité des sources locales et des fluctuations de leur activité, il apparaît que la composition métallique de l'aérosol présent dans ces régions varie selon les saisons et les situations météorologiques et est très influencée par les feux de brousse [69, 70]. Dans le cas du potassium, les émissions de particules par la forêt équatoriale sont à l'origine de la mise en suspension dans l'air d'importantes quantités de cet élément [71]. Des mesures en SO₂ et sulfates ont été effectuées par ailleurs en Côte d'Ivoire. Les concentrations atmosphériques en SO₂ rencontrées sont élevées et plus fortes d'au moins un ordre de grandeur que celle observée au-dessus de l'océan [72]. Elles ont été attribuées à des processus très actifs de décomposition de la matière organique de la forêt équatoriale et des zones lagunaires, dont les effets sur le bilan du soufre atmosphérique devront être pris en compte.

Une attention particulière a été portée à l'étude de la composition chimique des émissions volcaniques sur le site de l'Etna. Des mesures par spectrométrie de corrélation U.V. ont conduit à une estimation du flux de SO₂ issu de ce volcan [73]. La valeur obtenue est du même ordre que celle correspondant aux rejets atmosphériques en SO₂ de l'ensemble des centrales thermiques françaises. Un tel résultat indique que l'on a jusqu'ici largement sous-estimé les émissions volcaniques de SO₂. Des analyses d'une vingtaine de métaux dans l'aérosol prélevé dans le panache de l'Etna ont d'autre part fait apparaître de très forts enrichissements de certains d'entre eux (Cu, Zn, Sb, Pb, Cd, Hg, Se) par rapport à leur abondance moyenne dans la croûte terrestre [74]. Les flux de métaux émis par l'Etna ont pu être déduits à partir de l'estimation du débit de SO₂, connaissant les proportions SO₂/métal dans le panache. Pour
plusieurs de ces métaux (Cd, Hg, Cu, Zn), les flux trouvés sont voisins de ceux résultant des activités industrielles dans les pays méditerranéens environnants et même largement supérieurs dans le cas du sélénium.

## Distribution verticale des constituants atmosphériques

La distribution à différents niveaux de la basse troposphère de quelques constituants de la matière saline en suspension dans l'air (Na, K, Ca, Mg) a pu être étudiée à partir d'analyses de l'aérosol filtré au cours de vols d'avions, principalement au-dessus de l'océan [54, 59, 75]. L'ordre de grandeur des ressources atmosphériques de ces éléments au-dessus du Sud de la France entre le sol et 35 km d'altitude a d'autre part fait l'objet d'une première estimation [54, 58].

Quant aux composés carbonés, des mesures faites en atmosphère libre (Pic du Midi et mesures en avion dans le Sud Ouest de la France) ont conduit à des valeurs de concentrations en CO plus faibles que celles généralement admises pour la troposphère de l'hémisphère Nord [76].

D'autres observations aéroportées utilisant des méthodes optiques ont permis de determiner les quantités verticales intégrées de composés chlorés et azotés (HCl, NO, $NO_2$, $HNO_3$) au-dessus de la tropopause et d'obtenir des profils verticaux de concentration en $NO_2$ et en ozone dans la stratosphère. On se reportera pour plus de détails au dernier rapport d'activité de la section "Aéronomie" du Comité National Français de Géodésie et de Géophysique. En ce qui concerne l'ozone, une grande variabilité de sa concentration a été constatée dans la troposphère [77]. Un modèle photochimique bidimensionnel destiné à simuler la répartition et la circulation de l'ozone dans la stratosphère a par ailleurs été mis au point en collaboration avec l'Institut d'Aéronomie Spatiale de Belgique [78, 79]. On notera enfin que dans le cadre d'un réseau mondial de surveillance mésostratosphérique de l'ozone, des mesures régulières de ce constituant sont faites depuis une station de la Métérologie Nationale (Biscarosse).

## Elimination de constituants atmosphériques

La majeure partie des résultats obtenus concerne l'étude de la composition chimique de la retombée atmosphérique continentale, principalement dans le cas d'éléments métalliques.

Quelques résultats d'observations faites au Sud-Ouest de Paris indiquent que la contribution du dépôt sec à l'apport total en Na, K, Ca, et Mg est comprise entre 30 et 50 % [54]. Des mesures des mêmes éléments dans les retombées collectées en Gascogne combinées à des études pédologiques ont fait apparaître que la fertilité du sol de cette région est essentiellement due à l'apport atmosphérique et que l'aérosol provenant de l'océan en est en grande partie responsable [80]. Dans le même ordre d'idée, l'importance agronomique de l'apport atmosphérique de potassium en Afrique Occidentale a été soulignée [81]. En région équatoriale, où l'émission naturelle de composés soufrés atmosphérique est intense, on a noté que la retombée en sulfates est sensiblement égale à celle observée dans des régions polluées du continent européen [72]. Dans le cas de la retombée en métaux lourds, le dépôt en plomb sur la France correspond approximativement en double des émissions de plomb résultant de la pollution automobile et il s'avère que l'élimination par dépôt sec sur la masse foliaire des végétaux contribue à environ 40 % du dépôt total [82]. Des mesures de l'argent des précipitations provenant de nuages ensemmencés en Ag I ont d'autre part apporté des informations sur le temps de séjour de cet élément dans l'atmosphère [83].

Un important travail a été consacré à l'étude des impuretés de la neige. Il ressort d'un grand nombre de mesures effectuées en Antarctique qu'il existe une relation directe entre leurs concentrations dans les dépôts de neige et dans l'aérosol atmosphérique [84]. Le problème des origines des multiples éléments métalliques analysés a été examiné ; il a été établi que certains d'entre eux (Pb, Cd, Cu, Zn, et Ag) sont enrichis par rapport à la composition de leur source. A partir d'analyses d'échantillons prélevés à différentes profondeurs par techniques de carottage, des variations temporelles marquées du "bruit de fond" atmosphé-
rique de ces éléments ainsi que des sulfates ont été mises en évidence pour la période de 60 dernières années, sans toutefois que se manifeste une influence décisive de la pollution atmosphérique [85, 86]. Quant aux fluctuations en sulfates, il ne paraît pas exclu qu'elles soient en partie dues à des arrivées sporadiques d'une composante résultant d'évènements volcaniques majeurs, après transit stratosphérique [87]. Dans le cas de la neige déposée au Groenland et dans le Massif du Mont Blanc, une nette prédominance de l'influence de la source continentale est apparue et pour cette dernière région, on a constaté à l'issue des 25 années écoulées un doublement des teneurs en Pb, Cd et V [88] et une augmentation significative de l'acidité [89].

Des analyses systématiques de la composition chimique des précipitations recueillies en différents points du territoire français sont poursuivies, notamment dans un réseau récemment mis en place dans le cadre d'un programme de l'OMM — WMO background air pollution monitoring network (BAPMON) —. Les principaux constituants mesurés sont les cations majeurs, le chlore, les sulfates, $NO_3^-$ et $NH_4^+$.

Parmi les rares données sur la composition de la retombée océanique, on peut mentionner quelques mesures en Na, K, Ca et Mg dans la retombée collectée en un point fixe de la Méditer-ranée Occidentale ; une évaluation du flux de matière saline injectée dans l'atmosphère sous l'effet du pétillement de la surface des mers en â été déduite — $10^{11}T.an^{-1}$ — [54, 58]. D'autres mesures des mêmes éléments dans la pluie recueillie en Atlantique Equatorial ont révélé l'existence de forts enrichissements en potassium et calcium [54].

Enfin, certaines réactions conduisant à l'élimination de l'ozone atmosphérique ont fait l'objet d'études au laboratoire. Il a ainsi été possible de préciser la cinétique de réactions faisant intervenir des radicaux Cl et ClO avec des espèces hydrogénées susceptibles de piéger du chlore et des réactions de Cl et O avec des dérivés chlorofluorés du méthane (fréons) et de l'éthane [90, 91, 92, 93, 94].

## CONCLUSION

L'abondance des résultats cités dans ce rapport souligne l'essor qu'ont connu au cours des années récentes les recherches effectuées en France en matière de physico-chimie de l'atmosphère et confirme la place importante qu'occupe désormais ce secteur scientifique. Les problèmes que soulève la pollution de l'environnement atmosphérique ont été au centre de nombreux travaux dans le domaine de la métrologie des constituants de l'air et ont entraîné une multitude de mesures dans les atmosphères contaminées ainsi que des études sur les mécanismes physiques et chimiques responsables de l'évolution des polluants. Un effort a été fait en vue de la mise au point de méthodes de mesure à distance des composés à l'état gazeux et sur le plan de la détection des fines particules. Les processus de nucléation ont fait l'objet de recherches approfondies tant au laboratoire qu'in situ. Plusieurs études ont été consacrées à la caractérisation du "bruit de fond" naturel des constituants atmosphériques, référence dont on ne peut se passer pour évaluer le degré de contamination à grande échelle de l'atmosphère terrestre, suivre son évolution et prévoir les effets plus ou moins à long terme de la "pollution de fond". Il est apparu que celle-ci ne pouvait être précisée sans une bonne connaissance des différents processus associés au maillon atmosphérique du cycle des constituants considérés. La prise en compte de cette notion de cycle dans les orientations des futurs programmes de recherche atmosphérique, devrait contribuer au développement d'une fructueuse interpénétration des idées entre différentes disciplines scientifiques : physique, chimie et dynamique de l'atmosphère, climatologie, géochimie, océnographie, pédologie, agronomie, vulcanologie.
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[93] JOURDAIN J.L., POULET G., BARASSIN J., Le BRAS G. et COMBOURIEU J., (1977). — Mécanismes chimiques de la pollution atmosphérique : étude cinétique de réactions élémentaires possibles, *Poll. Atmos.*, n° 75, 256-259.

[94] JOURDAIN J.L., Le BRAS G. et COMBOURIEU J., (1978). — Etude cinétique des réactions du 1, 1, 1 trifluoro chloroéthane avec les atomes de chlore et d'oxygène, *J. Chimie Physique*, 75, n° 3, 318-323.
# X – MODIFICATION DU TEMPS

P. ADMIRAT

Laboratoire de Glaciologie du C.N.R.S.
2, rue Très Cloitres – 38031 GRENOBLE CEDEX

Dans ce domaine de la Physique de l'Atmosphère, la plupart des projets ont pris naissance par suite de leur intérêt économique et ont été soutenus par divers secteurs d'activité.

Depuis 1976, les études scientifiques relatives à la modification du temps sont concrètes et regroupées sous l'égide de la Délégation Générale à la Recherche Scientifique et Technique qui a créé un Comité "Modification du Temps". Cette organisation nouvelle est particulièrement opportune dès lors que les campagnes scientifiques nécessaires à ces recherches sont souvent considérables par leur durée, leur coût, la variété des mesures nécessaires et leur caractère international. C'est ainsi qu'en 1978 le comité mis en place par la DGRST a coordonné la participation française au programme suisso-franco-italien Grossversuch IV portant sur les orages à grêle et l'efficacité de la méthode soviétique.

Les cinq thèmes suivants regroupent l'ensemble de l'activité :

## NUAGES – DISSIPATION ET PRECIPITATIONS PROVOQUEES

Des essais de dissipation de brouillards non surfondus ont été poursuivis sur l'aéroport de Brest-Guipavas jusqu'en 1976 (SERPOLAY, ANDRO). Les résultats portant sur l'efficacité de divers agents introduits dans les brouillards ou dans des couches d'air humide ont été présentés à l'occasion de la conférence AGARD de Bruxelles en 1976 [1, 2]. Actuellement l'intérêt se porte sur des essais en grande chambre à brouillard.

Le déclenchement des précipitations a donné lieu à une série d'expériences d'ensemblement par des particules hygroscopiques injectées dans les parties chaudes des nuages à partir du sommet du Puy-de-Dôme (1465 m) durant l'été 1977 (J. DESSENS, S. GODARD et R. SERPOLAY). Le contrôle des modifications apportées à l'intérieur des nuages a été effectué essentiellement avec un radar de 8 mm de longueur d'onde. L'analyse des données est actuellement en cours.

Un autre axe de recherche de l'I.O.P.G. (J. DESSENS) a été orienté vers l'étude de diverses techniques de contrôle des expériences de modification du régime des précipitations liquides ou solides. Une méthode originale statistique utilisant le cumul des résidus des séries climatologiques chronologiques et spatiales a été développée et testée sur une expérience française de pluie provoquée [3].

## FOUDRE

Un groupe de recherche mixte CEA/EDF/CNET s'est constitué pour étudier la foudre et ses répercussions au niveau des Télécommunications dans la zone expérimentale de Saint-Privat d'Allier (Centre de la France) (A. EYBERT-BERARD, R. FIEUX, C. GARY, J. HAMELIN, P. HUBERT, B. HUTZLER, A. MEESTERS, P. PERROUD, J.-M. PERSON, J.-F. KARC-
ZEWSKY, F. X. SENE). Des coups de foudre sont déclenchés artificiellement à l'aide d'une technique fusée-fil [4, 5].

La mesure du champ électromagnétique rayonné par l'éclair [6, 7] à l'aide d'un capteur large bande passante et pour des distances du point d'impact variant de 100 m à 50 km ainsi que les mesures du courant foudre et de la vitesse ascensionnelle de l'éclair pour un éclair déclenché, ont permis de bâtir un modèle mathématique de ce rayonnement.

De juin à septembre 1978 ont été effectuées des mesures comparatives. Les connaissances acquises pour les éclairs déclanchés permettront d'en déduire les courants de foudre des éclairs naturels et de calculer les surtensions induites dans les artères des Télécommunications [8, 9].

## ORAGES – MODELISATION

Des modèles mono et bidimensionnels ont été élaborés par le groupe de l'Université de Toulouse (PICCA, Languin, Saporte, S. CHAUZY, A. ELEFTERION, P. SARTHOU, R. RASOAMANANA).

Dans le modèle monodimensionnel on représente les phénomènes liés à la microphysique. Le rôle de la phase glace dans les précipitations a été précisé. On détermine ainsi les vitesses verticales et la teneur en eau liquide ou en glace en fonction du temps et de l'altitude. Le cas d'un ensemement en noyaux glacogènes artificiels a été étudié. On montre qu'un ensement-cement provoque une diminution de la grêle et une augmentation de la quantité de pluie. L'influence du moment de l'intervention a été envisagée. On a testé également le rôle du régime de congélation sur l'intensité des précipitations et mis en évidence l'influence du mode de découpage en classes du spectre dimensionnel des gouttes [10].

Dans le modèle bidimensionnel à symétrie cylindrique on tient compte des échanges entre le nuage et le milieu environnant. On a étudié en particulier l'influence du coefficient d'échange turbulent sur la vie du nuage et on a comparé l'évolution d'un nuage entretenu par une alimentation continue à sa base avec celle d'un nuage non entretenu. Le modèle permet de connaître à chaque instant et en tout point du nuage le spectre granulométrique des gouttes (l'existence de la phase glace n'a pas été envisagée pour limiter le temps de calcul). On détermine ainsi avec une bonne définition spatiale (mailles de 100 x 200 m) et temporelle ($\Delta t$ = 1 mn) l'évolution de la microstructure du nuage [11, 12, 13, 14].

Actuellement ce laboratoire participe sur le plan de la simulation numérique au programme COCAGNE (Conséquence de la Convection Artificielle, Génération de Nuages et autres Effets) qui se développe sur le site expérimental du C.R.A. de Lannemezan.

Une utilisation opérationnelle d'un modèle à une dimension qui tient compte de l'entraînement de l'air, a été tenté par J. F. MEZEIX pour la prévision de la grêle au niveau de la région française du Languedoc [15, 16, 17]. Les meilleurs résultats sont obtenus lorsque la situation météorologique permet des développements orageux d'évolution diurne, sans changement de masse d'air.

## ORAGE – PREVENTION DE LA GRELE : OPERATION GROSSVERSUCH IV

Le projet "Grossversuch IV" a pour objectif le test scientifique de l'efficacité de la métode soviétique de prévention de la grêle. Ce programme international (Suisse, Italie, France) se déroule en Suisse dans la région du Napf. Après deux ans de préparation (1975-1976), il est entré dans une phase opérationnelle prévue sur 5 ans jusqu'en 1981. Tous les orages qui passent sur la zone de 2000 km² sont étudiés de la même manière à l'aide de radars de 3 et 10 cm de longueur d'onde et leurs précipitations recueillies sur un réseau de 400 grèlismètres et pluviomètres quadrillant le terrain suivant une maille de 2 km.
Ces orages sont ensemencés ou non ensemencés (fusées Oblako) en fonction du résultat d'un tirage au sort. L'effet de l'ensemencement est mesuré, non pas avec les données des assurances grêle qui continuent d'être exploitées par ailleurs [18], mais par comparaison des paramètres physiques des précipitations (surface grêlée, nombre et dimension des grêlons, masse et énergie cinétique de la grêle, spectre dimensionnel, ...) mesurés dans les deux séries d'orages qui comprendront près de 100 cas à la fin de la période [19].

Un groupe du Laboratoire de Glaciologie de Grenoble (P. ADMIRAT, J.-C. GRENIER et S. ZAIR) associé au CNEFA (J.-F. MEZEIX, N. DORAS, J.-P. ROUET) collabore à ce projet pour la France. Ce groupe s'est spécialisé dans la mesure des précipitations au sol [20, 21] et supporte toute l'infrastructure de collecte et de dépouillement des données. L'étude des résultats a conduit jusqu'à présent à confirmer la structure en "cœur de grêle" des précipitations, véritables zones d'accumulation de la grêle au sol, et à démontrer que l'interprétation de cette structure au moyen d'une dynamique pulsatoire des cellules orageuses recevait une assez bonne confirmation expérimentale grâce aux mesures radar [22, 23]. Les travaux statistiques portant sur les paramètres locaux ou globaux des précipitations "traitées" et "non traitées" sont poursuivis régulièrement par trois équipes suisses, italiennes et françaises, mais les résultats concernant l'efficacité de la méthode de prévention ne sont pas attendus avant la fin de la période opérationnelle.

Une technique de contrôle physique au niveau de l'insémination par la détermination dans l'air [24] et dans les précipitations [25] du contenu en particules d'iodure d'argent a été développée par J.-P. LACaux et J. DESSENS et appliquée d'abord dans le programme LAN-GUEDOC [26] et actuellement dans GROSSVERSUCH IV. La partie technologique de cette étude a permis la construction d'un collecteur automatique qui échantillonne dans le temps la précipitation [27, 28]. Une version améliorée et simplifiée de cet appareil a été utilisée en 1977 pour mesurer le niveau naturel de la concentration d'argent dans les précipitations sur le site de GROSSVERSUCH IV, en Suisse. En 1978, cet effort a culminé dans une participation importante au programme GROSSVERSUCH IV, mettant en jeu pendant six semaines un réseau de 15 collecteurs de précipitation, un système de deux radars météorologiques à effet Doppler, et une station de radiosondages. Cette campagne était organisée sous l'égide de la DGRST.

## MODIFICATION INVOLONTAIRE DU TEMPS

L'étude des influences de l'activité humaine sur le temps est aussi au centre de l'intérêt d'un groupe de l'I.O.P.G. de Clermont-Ferrand.

En collaboration avec EDF et l'Université de Toulouse, ce groupe étudie le comportement d'un jet chaud dans sa partie en air clair et dans sa partie nuageuse. Le but de cette étude est d'établir un modèle réaliste des effets d'un rejet de chaleur localisé et important dans l'atmosphère. A cette fin, une série d'expériences est conduite à Lannemezan avec un Météotron d'une puissance de 1000 MW. Une étude quantitative du jet convectif au-dessus d'un Météotron de puissance moindre a déjà été réalisée par B. BENECH qui a également envisagé une pénétration du panache dans des couches stables en altitude [29, 30].

Une étude a été entreprise en vue de mettre en évidence, par photographies prises de satellites, le phénomène de formation et de diffusion des nappes de brouillard en rapport avec la présence d'effluents d'origine industrielle [31].

Enfin la mesure des noyaux de condensation nuageuse et des noyaux géants est également au programme de l'activité du groupe. L'influence du rejet dans l'atmosphère de substances tensio-actives sur les processus de condensation et d'évaporation fait actuellement l'objet d'un travail de recherche tendant à apporter des précisions sur ce problème [32].
CONCLUSION

Au cours de cette période, la modification du temps est entrée dans une phase plus scientifique. L'opération "Grossversuch IV" sur la prévention de grêle sera suivie attenti-vement jusqu'en 1981.

Le Comité "Modification du Temps" de la DGRST coordonnera, dans les années à venir, les actions des laboratoires français au regard du programme d'Augmentation des Pré-cipitations lancé par l'O.M.M.

LISTE DES ABREVIATIONS UTILISEES

<table><tr><td>C.E.A.</td><td>Commissariat à l'Energie Atomique</td></tr><tr><td>E.D.F.</td><td>Electricité de France</td></tr><tr><td>C.N.E.T.</td><td>Centre National d'Etude des Télécommunications</td></tr><tr><td>I.O.P.G.</td><td>Institut et Observatoire de Physique du Globe du Puy-de-Dôme</td></tr><tr><td>G.N.E.F.A.</td><td>Groupement National d'Etude des Fléaux Atmosphériques</td></tr><tr><td>D.G.R.S.T.</td><td>Délégation Générale à la Recherche Scientifique et Technique</td></tr></table>

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[2] SERPOLAY R. (1978) — La dissipation des brouillards au moyen des agents servant à modifier les nuages. *La Météoro-logie*, n° 12, p. 41-52.

[3] BOIS P., DESSENS J. et LACaux J.P. (mars 1978) — Détection d'anomalies accidentelles ou recherchées dans les séries chronologiques utilisées en modification du temps. Présenté à la XVIe Assemblée Générale de Grenoble, septembre 1976 et publication du JAM.

[4] EYBERT-BERARD A., FIEUX R., GARY C., HAMELIN J., HUBERT P., HUTZLER B., MEESTERS A., PER-ROUD P. (juin 1976) — Eclairs déclenchés à la station de Saint-Privat d'Allier - 13e Conférence Internationale pour la protection contre la foudre - Venise.

[5] EYBERT-BERARD A., FIEUX R., GARY C., HAMELIN J., HUBERT P., MEESTERS A., PERROUD P., PER-SON J.M. (may-june 1978) — Research on artificially trisgered lightning in France - I.E.E.E. - *Trans. Power apparatus and systems*. Vol. PAS 97 n° 3.

[6] HAMELIN J., MEESTERS A. (mai 1977) — Champ électromagnétique lié aux décharges de foudre. Protection des infrastructures de Télécommunications S.E.E. Perros-Guirrec.

[7] HAMELIN J., MEESTERS A. (octobre 1977) — Mesures des champs électromagnétiques créés par les décharges orageuses - La mesure dans les Télécommunications URSI Tricastel.

[8] HAMELIN J., KARCZEWSKY J.F., SENE F.X. (mai-juin 1978) — Sonde de mesures du champ magnétique du à une décharge orageuse. *Annales des Télécommunications*, t. 33, n° 65.

[9] GROUPE DE RECHERCHE DE SAINT-PRIVAT D'ALLIER (mai 1978) — Développement des recherches sur la foudre en France - 14e Conférence internationale pour la protection contre la foudre - Gdansk.

[10] LANGUIN C. (octobre 1973) — Simulation numérique de la dynamique et de la microphysique d'un nuage convectif - Rôle de la phase glace dans les précipitations - Thèse de 3e cycle.

[11] CHAUZY S., ELEFTERION A. et SARTHOU P. (1975) — Une méthode d'étude expérimentale in situ de la zone d'échange entre les nuages convectifs et leur environnement. *Atmosphère*, Vol. 13, n° 2.

[12] RASOAMANANA R. (1976) — Un modèle bidimensionnel de nuage convectif — Thèse de 3e cycle.

[13] SARTHOU P. (juin 1977) — Contribution à l'étude des modèles mono et bidimensionnels de nuages convectifs - Thèse d'Etat.

[14] RASOAMANANA R. et SARTHOU P. (1977) — Un procédé de simulation numérique des cumulus à faible développement. *J. Rech. Atm. 11*, n° 4, p. 255-267.

[15] MEZEIX J.F. (1975) — Modèle mathématique d'un orage avec entraînement de l'air. *Rapport Technique n° 21 du GNEFA*.

[16] MEZEIX J.F. et CHASSANY J. (1976) — Aspects thermodynamiques et synoptiques dans la formation de la grêle pour la région Languedoc. *Rapport Technique n° 23 du GNEFA*.
[17] MEZEIX J.F., ADMIRAT P. and CHASSANY J. (1977) – Stratification des conditions thermodynamiques de l'atmosphère pour la détermination d'un prédicteur de grêle dans la région du Languedoc. *Rapport Technique n° 26 du GNEFA*.

[18] DESSENS J. (1978) – Mesures de la grêle à l'aide de données physiologiques. *Atmosphère-Océan* **16**, p. 107-113.

[19] FEDERER B., WALDVOGEL A., SCHMID W., HAMPEL F., ROSINI E., VENTO D., ADMIRAT P., ROUET J.P. (1977) – Grossversuch IV design of a randomized hail suppression experiment using the soviet method - E.T.H. n° 81.

[20] GNEFA (1977) – Mesure des précipitations de grêle au sol - *Rapports techniques n° 29 - 30 - 31*.

[21] MEZEIX J.F. and ADMIRAT P. – The measurement of hail at ground level. *Journal Ocean Atmosphère, 16*, 1.

[22] ADMIRAT P., GOYER G. et BLIN P. (1977) – Un mouvement pulsatoire des cellules orageuses à l'origine des cœurs de grêle observés au sol - Journées "Convections" de Clermont-Ferrand.

[23] DESROZIERS G. et RENOUF M. (1978) – Etude de quelques cas d'orages à grêle dans la région du Napf - *Publication n° 218 du Laboratoire de Glaciologie*.

[24] LACAUX J.P., PHAM VAN DINH et BEGUIN J. (1974) – Determination of silver iodide in air by flameless atomic absorption spectrophotometry. *Atomic Absorption Newsletter*, 13, n° 3, p. 49-52.

[25] LACAUX J.P. (1974) – Contenu en argent des précipitations orageuses dans la région du Languedoc. *C.R. Acad. Sci.*, Série B, 7, 278, p. 143-145.

[26] LACAUX J.P. et RIBET S. (février 1977) – Rapport technique "LANGUEDOC 1976". *Note IOPG, n° 34*.

[27] DESSENS J., LACAUX J.P. (1975) – Temps de séjour et contrôle des effets de l'Agl dans l'Atmosphère - Rapport de synthèse. DRME 74018, 28 p plus annexes.

[28] LACAUX J.P. et DESSENS J. (1976) – An automatic sequential rainfall sampler for analysis of contaminants at about 10⁻⁶ ppm level - Proceedings on Int. Conf. on Cloud Physics, Boulder, p. 587-590.

[29] DESSENS J. (janvier 1977) – Effets produits par une aire de surchauffe - Journées d'études sur la convection développée, Clermont-Ferrand.

[30] BENECH B. (1977) – Etude dynamique d'un type de convection artificielle dans l'atmosphère - Thèse d'Etat, Université de Toulouse n° 740.

[31] SERPOLAY R. (1977) – Contrôle par satellite d'un panache de pollution ayant entraîné la formation de brouillard. *J. Rech. Atmos.*, **11**, n° 3, p. 197-201.

[32] SERPOLAY R. (1976) – Les agents physico-chimiques utilisés dans le domaine de la modification du temps : état actuel de nos connaissances et prospective de recherches. *Journal de Recherches Atmosphériques*, 10, n° 4, p. 233-242.
# SECTION VI

## SCIENCES HYDROLOGIQUES
TABLE DES MATIERES

<table><thead><tr><th></th><th>Pages</th></tr></thead><tbody><tr><td>I – Eaux de surface<br>M. ROCHE</td><td>281</td></tr><tr><td>II – Climatologie<br>Ch. P. PEGUY</td><td>285</td></tr><tr><td>III – Aménagements des Eaux<br>M. CARLIER</td><td>286</td></tr><tr><td>IV – Qualité des Eaux superficielles<br>G. LEYNAUD</td><td>289</td></tr><tr><td>V – Eaux souterraines<br>G. CASTANY</td><td>291</td></tr><tr><td>VI – Télédétection et eaux souterraines<br>Y. VUILLAUME</td><td>299</td></tr><tr><td>VII – Neiges et glaces<br>L. LLIBOUTRY</td><td>301</td></tr></tbody></table>
# I – EAUX DE SURFACE

Marcel ROCHE
O.R.S.T.O.M.

## 1 – ACQUISITION DES DONNEES

### 1.1 – Effort méthodologique

La quadriennat 1975-1978 a été marqué par un effort de réflexion sur le but de l'acquisition des données et les relations entre les possibilités de cette acquisition et les besoins suscités par l'aménagement des eaux.

Cette tournure d'esprit rejoint les préoccupations d'un grand nombre d'hydrologues du monde et spécialement de ceux dont la vocation est de participer aux opérations de développement. En France, de telles démarches ont lieu surtout dans quelques agences de bassins, dans les services de l'Agriculture compétents en matière d'eau et dans différentes sociétés dont le BRGM et l'ORSTOM.

Sur le plan international, une des manifestations les plus caractéristiques de ce besoin d'éclaircissement a abouti, sous l'égide de l'OMM, à préconiser la mise en œuvre d'un système hydrologique opérationnel à fins multiples (SHOFM), caractérisé par une approche systématique du problème de l'acquisition des données et de leur mise à disposition. Les principales administrations compétentes, ainsi que le BRGM et l'ORSTOM, participent sur le plan national à l'élaboration du SHOFM. Les réflexions propres de deux derniers organismes ont abouti à une position commune qui s'est exprimée lors du séminaire du CEFIGRE (Centre de formation international pour la gestion des ressources en eau) sur les données hydrologiques, qui s'est déroulé en mai 1978. Les nombreuses interrelations qui existent entre les éléments du système données et les éléments du système besoins (pour les aménagements) condamnent toute analyse purement cartésienne et obligent pratiquement à une approche systématique dans laquelle du reste les interfaces jouent un rôle important.

### 1.2 – Méthodes et appareillages

En matière de capteurs (détection directe du phénomène physique : limnigraphes, pluviomètres, etc.), il n'y a pas grande nouveauté. Les limnigraphes pneumatiques produits en France essentiellement par NEYRPIC ont été améliorés substantiellement durant ces quatre années. Certains organismes, dont l'ORSTOM qui l'a fait à l'échelle mondiale, ont participé à l'opération d'intercomparaison des pluviomètres à l'initiative de l'OMM. Un des résultats les plus clairs a été de mettre en évidence l'effet du vent sur le captage de la pluie suivant la hauteur du pluviomètre au-dessus du sol ; ces résultats devraient conduire normalement à l'adoption du standard international (pluviomètre enterré dont la collerette est entourée d'une grille d'environ 1 m² pour lequel le dispositif à turbulence fine crée des perturbations beaucoup moins importantes que tout autre type d'appareil.

Dans l'appareillage de mesure relatif aux eaux de surface, on enregistre quelques nouveautés. Si le matériel de jaugeage classique reste à peu près le même, les jaugeages isoto-
piques sont devenus opérationnels et la mise en œuvre des "vaches", pour la production instantanée de radio-isotopes à courte durée de vie, offre un certain avenir à ces méthodes.

Pour l'étude de ruissellement, quelques organismes ont mis au point et rendu opérationnels des simulateurs de pluie. Pour son compte, l'ORSTOM, en Afrique Noire, utilise maintenant couramment un grand simulateur capable d'arroser une surface de plus de 100 m² et a mis au point un mini-simulateur dont la construction économique permet de le reproduire en de nombreux exemplaires et qui permet d'étudier les phénomènes d'infiltration sur des surfaces de 1 m² : c'est l'instrument idéal pour travailler en forêt. Pour le contrôle de l'infiltration de l'eau dans le sol, l'ORSTOM a mis au point des sondes à chocs thermiques d'une utilisation beaucoup plus pratique et beaucoup moins onéreuse que la classique sonde à neutrons : cet appareil sera fabriqué en petite série dans le courant de l'année 1979.

Dans les transmissions des données par radio au niveau du sol, les progrès sont continus mais il n'y a pas de grande innovation. Par contre, on commence à disposer d'un matériel de transmission par satellite qui doit permettre dans un délai relativement court (deux ou trois ans) d'améliorer considérablement les systèmes de télétransmission. Une opération en vraie grandeur a démarré au Sénégal en juin 1978 (ORSTOM) : il s'agit de transmettre les données d'un pluviograpie et celles d'un limnigraphe par l'intermédiaire d'une part d'un géostationnaire (METEOSAT), d'autre part d'un orbital (système ARGOS), en n'utilisant que du matériel européen. Les matériels de transmission et les interfaces sont fournis par l'Agence spatiale européenne, la société AERAZUR, Electronique M. Dassault, pour la partie transmission, les sociétés NEYRTEC et OTT pour les codeurs.

Signalons enfin le lancement durant ces quatre ans de l'acquisition des données par télédétection en France. Un certain nombre de laboratoires de traitement des images se sont montés dans des unités purement hydrologiques, notamment au BRGM et à l'ORSTOM.

## 1.3 – Réseaux

En France, l'Agriculture a, semble-t-il, définitivement assis son réseau de mesures hydro-métriques. La Division technique générale, pour sa part, maintient sensiblement le statu quo étant arrivée déjà depuis quelque temps à un optimum.

Des réflexions sur ce qu'on appelait la rationalisation des réseaux rejoignent de très près l'analyse systémale des relations entre la production des données et la demande des aménageurs et exploitants. A ce sujet, il convient de faire la différence entre la rationalisation qui se réfère aux facteurs purement physiques (mesures à prendre pour déterminer telle variable concernant un phénomène à un endroit donné avec une position et une confiance statistiques données), et l'optimisation qui consiste soit à maximiser la quantité d'information, pour un budget pré-déterminé, soit à faire une sorte d'analyse coût-bénéfice basée sur la comparaison entre le coût marginal d'une augmentation d'information et le bénéfice marginal qu'on en tire pour la réalisation ou l'exploitation des aménagements. Il convient d'ajouter que de telles analyses ne sont presque jamais menées à bien et que le bon sens et l'expérience en matière de réseaux sont encore les outils les plus efficaces.

## 1.4 – Saisie des données

La période 1975-1978 a vu se généraliser la saisie semi-automatique des données ; la plu-part des administrations, organismes et bureaux d'études français dépouillent actuellement les diagrammes (limnigrammes et pluviogrammes) au moyen de tables de lecture couplées à des perforatrices de cartes ou de rubans. La saisie à la main se fait toujours sur cartes per-forées mais on emploie également couramment des disquettes. La saisie entièrement auto-matique à partir de capteurs avec ou sans télétransmission constitue encore une exception, sauf dans les services dont le rôle essentiel consiste à gérer des systèmes d'aménagement (notamment EDF). Il semble que l'on ait eu certains déboires avec les enregistrements sur mini-cassettes.
## 1.5 – Fichiers et banques de données

On a essayé d'actualiser un peu la terminologie concernant le stockage des données en réservant le nom de banque aux systèmes qui comportent un dispositif d'interrogation directe ou un service de mise à disposition immédiate. Le simple stockage conserve le nom de fichier.

Les "fichiers-cartes" sont peu à peu abandonnés pour les "fichiers-bandes". Lorsqu'il s'agit de conserver indéfiniment des données, cela ne va pas sans quelques inconvénients, le fichier-bande étant, malgré toutes les précautions qu'on peut prendre, plus fragile qu'un fichier-cartes stocké dans de bonnes conditions mécaniques et climatiques. L'idéal est évidemment d'avoir les deux : le fichier-bande est alors le seul opérationnel (c'est lui qui sera éventuellement utilisé par la banque), le fichier-cartes ne jouant plus qu'un rôle d'archives avec un système de classement plus économique.

Pour la France, le fichier central est organisé par le Service des problèmes de l'eau. Le BRGM a son propre fichier, ainsi que l'ORSTOM qui sert de conseiller en la matière pour de nombreux pays étrangers ou organismes internationaux ou inter-gouvernementaux.

## 1.6 – Traitement primaire des données

La période a été marquée par une prise de conscience généralisée de l'hétérogénéité des séries, en particulier en matière de pluviométrie où il s'agit le plus souvent d'erreurs statistiques provenant de modification ou d'inadéquation de l'appareillage. La méthode classique des doubles cumuls a été sensiblement améliorée par la recherche de vecteurs régionaux qui permettent à la fois une analyse plus sûre et un coût nettement plus faible.

La plupart des services et organismes ont maintenant des programmathèques pour toutes les opérations de traitement primaire des données et constitution des fichiers.

## 2 – MONOGRAPHIES

Pour la France, la plus grande étude régionale dont l'achèvement est prévu en 1978 concerne "Les bassins de la Seine et les cours d'eau de Normandie". Elle est publiée par l'Agence Seine-Normandie avec le concours de M. Tixeront.

L'ORSTOM a commencé la publication systématique de ses grandes monographies ou études régionales. Les cinq volumes actuellement sortis concernent le Sénégal, le Chari, la Sanaga, les ressources en eau de surface de la Martinique, le bassin du fleuve Volta. En préparation (publication prévue en 1979 ou 1980) : le bassin du Niger, les fleuves du Gabon, la Medjerdah (Tunisie), les régimes hydrologiques de Madagascar, les fleuves côtiers du Cameroun.

## 3 – MODELES MATHEMATIQUES

Parmi les modèles à caractère déterministe, on peut compter les modèles dits "de bassin versant" ou "modèle de production" qui sont en fait des opérateurs permettant de passer des précipitations aux débits. Ils ont continué à être développés en France, notamment par SOGREAH, le BRGM et l'ORSTOM.

On sait que l'ORSTOM, en collaboration avec INRS/Eau du Québec, avait mis au point un modèle dit "à discrétisation spatiale". En 1977, il a été décidé de créer une association entre le laboratoire des Mines de Fontainebleau, INRS/Eau et l'ORSTOM en vue de produire un modèle mixte basé également sur le principe de la discrétisation spatiale pour les eaux de surface et les eaux souterraines. La fin des travaux est prévue pour 1978.
Toujours dans les modèles déterministes, quelques nouveaux développements ont eu lieu pour l'utilisation des modèles de simulation des systèmes d'eau.

Les modèles stochastiques ont surtout été utilisés pour la simulation ou la prévision des basses eaux et des étiages.

On peut rattacher à l'utilisation des modèles déterministes ou stochastiques la synthèse sur les crues des petits bassins versants entreprise au niveau national par le CTGREF où l'ORSTOM a un rôle de conseiller.

PARIS, le 16 août 1978

M. ROCHE
## II — CLIMATOLOGIE

Ch. P. PEGUY

Directeur de Recherche
CNRS

En climatologie, la recherche universitaire continue de poursuivre une lente production de grosses thèses d'Etat de géographie, maintenant diffusées par les soins de la librairie H. Champion. Les cadres en sont le plus souvent des groupements de régions (les "Midis français" avec A. DAUPHINE, l'"Arc Alpin" avec Huguette VIVIAN, l'Espagne et le Nord Portugal Atlantique avec J. MOUNIER), ou plus traditionnellement une "région" — la Normandie — avec Gisèle ESCOURROU. Les techniques d'analyse, variées selon les auteurs et les objectifs poursuivis, font toujours une place à la climatologie synoptique, complétée aujourd'hui par l'imagerie satellitaire.

Des travaux d'ampleur moindre que les thèses permettent une mise en œuvre plus souple de techniques récentes, comme aussi de mieux suivre les suggestions de l'actualité. Les orientations de recherches se diversifient dès lors. L'existence de longues séries d'observations invite à l'emploi de moyens statistiques, parmi lesquels on citera l'analyse des "séquences" de jours consécutifs de jours avec/sans précipitation (S. MARTIN). Elle a permis la mise au point de graphismes originaux exprimant la variabilité interannuelle d'une variable climatique en un point : les "calendriers de probabilités" de Ch. P. PEGUY. L'analyse factorielle en composantes principales permet de combiner à l'étude de cette variabilité interannuelle celle de la variabilité régionale. Il s'est avéré que les "fluctuations spatio-temporelles" des précipitations s'organisaient de façon non-aléatoire (S. MARTIN, Huguette VIVIAN). A l'inverse de ces techniques très sophistiquées, exigeant de longues séries, l'existence en certains pays en voie de développement de séries courtes et très hétérogènes peut conduire à préférer à des "moyennes" boiteuses des "années caractéristiques" concentrant un maximum d'information. En fait, la climatologie tropicale est en France pleine de promesses, l'Amérique andine, et surtout l'Asie du Sud-Est étant l'objet de travaux en cours, la plupart sous la direction de P. PAGNEY (Dijon). Un Colloque de Climatologie tropicale se réunira à Paris en novembre 1978.

La sécheresse de 1976, qui devait sensibiliser l'opinion française aux choses du climat, orientait de nombreux Chercheurs vers l'agrométéorologie. La plupart des revues françaises de géographie y consacraient des articles, certaines (Revue de Géographie de Lyon 1977/2) un numéro spécial. La notion de "jours disponibles" et l'étude de leur variabilité interannuelle, se révèle fructueuses. D'autres Chercheurs (J.P. BESANCENOT, J. MOUNIER) repensent la géographie des loisirs en mettant à profit les enseignements de la biométéorologie. L'étude des conditions de mise en œuvre de l'énergie solaire constitue enfin un dernier exemple de cette "climatologie appliquée" qui vise à rendre compte, aujourd'hui, de certains aspects de la mise en valeur de la planète, comme la climatologie des années 50 cherchait à en expliquer les paysages végétaux naturels.

Ch. P. PEGUY
### III – AMENAGEMENTS DES EAUX

M. CARLIER

Agence financière du Bassin Seine-Normandie

Au cours de la période triennale 1975-1978, de nombreux travaux et études hydrologiques ont contribué à l'amélioration et au développement des techniques d'aménagement des eaux superfirielles et souterraines.

Indépendamment de l'apport de l'hydrologie scientifique dans les domaines des eaux de surface et souterraines, de la climatologie et de la qualité des eaux qui sont traités par ailleurs, il convient de souligner les études et recherches hydrologiques poursuivies dans les domaines suivants qui concernent plus directement l'aménagement des eaux.

#### 1 – SECHERESSES ET ETIAGES

- Distribution de fréquences adaptées aux étiages et aux débits faibles et pouvant être nuls [1] (a).

- Interpolation et extrapolation dans l'espace des résultats d'étiages connus aux stations hydrométriques [2].

- Application des prévisions d'étiage à la gestion des volumes réservés à l'agriculture dans les barrages (SERRE-PONCON sur la Durance, canal de la NESTE, barrage de MONTBRON, etc).

- La sècheresse de l'année 1976 a fourni l'occasion d'études spécifiques portant sur le contrôle, la critique et la correction des méthodes d'estimation de l'évapotranspiration réelle [11] et des bilans hydrologiques ; à partir des observations effectuées au cours de l'étiage exceptionnel 1976, des synthèses régionales ont été publiées.

#### 2 – CRUES

- Nouvelles méthodes rationnelles adaptées à l'estimation des crues en zones urbaines [3].

- Modèles d'hydrologie urbaine (ruissellement) [4].

- Etude générale de synthèse sur les crues des petits bassins versants ; cette étude est basée sur les observations effectuées sur environ 200 stations de jaugeage intéressant des bassins versants de surface inférieure à 100 km² ; elle comporte une analyse des hydrogrammes de crues et des caractéristiques climatiques et géomorphologiques des bassins versants ; l'étude se poursuit actuellement et doit s'achever prochainement.

- Etude particulière de l'assainissement de zones urbaines et rurales dont l'hydrogramme résultant du ruissellement sur les surfaces urbanisées se superpose à un écoulement plus lent originaire des zones rurales [5].

<footnote>(a) Les chiffres entre parenthèses renvoient à la bibliographie citée en fin du rapport</footnote>
— Recherches sur les compositions des lois statistiques avec application à la prédétermination des crues ; ces recherches ont porté sur les lois des débits journaliers et des rapports du débit instantané de pointe au débit moyen journalier [6], sur les lois des pluies et des coefficients d'écoulement, sur les lois des évènements supérieurs à un seuil et des nombres de réalisation annuelle de ces évènements [7].

### 3 – BARRAGES

— Mise au point des méthodes de calculs des ondes de submersion résultant des ruptures de barrages ; établissement d'abaques permettant une estimation rapide et approximative des temps d'arrivée de l'onde et des surfaces inondées.

— Approche directe de la distribution de fréquence d'un débit de crue laminé par un barrage [8].

— Signalons spécialement le chapitre consacré à l'hydrologie dans l'ouvrage "Technique des barrages en aménagement rural" édité en 1977 [9] par le Ministère de l'Agriculture et qui présente une synthèse des études poursuivies depuis plusieurs années dans le domaine de l'hydrologie appliquée à la conception et au calcul des ouvrages d'évacuation des barrages.

### 4 – HYDRAULIQUE AGRICOLE

— Influence du drainage sur l'hydrologie des bassins versants, tant sur le plan quantitatif (crues) que qualitatif (teneurs des eaux en nitrates, phosphates, etc..) [10].

### 5 – AMENAGEMENTS DE COURS D'EAU

— Edition d'abaques pour le calcul des lignes d'eau en régime permanent [12].

— Etude de la propagation des crues et des étiages dans les lits des cours d'eau ; calcul des lignes d'eau en régime transitoire.

— Elaboration de nouvelles règles et méthodes de calcul et conception d'aménagement des cours d'eau à lit mobile. Sauvegarde de l'environnement et des intérêts piscicoles mis en jeu par ces aménagements

## BIBLIOGRAPHIE

[1] Distribution de fréquences adaptées aux étiages (Note technique, CTGREF 1978).

[2] Assessment of low water characteristics on unobserved basins of the eastern region of Paris with use of representative basin data (Casebook on application of results of research in representative and experimental bassins ; UNESCO, Paris 1978).

[3] Instruction technique relative aux réseaux d'assainissement des agglomérations (circulaire interministérielle n° 77.284/INT. en date du 22 juin 1977 ; édition Imprimerie Nationale).

[4] Une étude générale de l'assainissement pluvial urbain (La Houille blanche, n°1, 1975).

[5] Etude de l'assainissement pluvial des terres basses d'ARLES (Informations techniques du CTGREF, cahier n° 19, 1975 et n° 22, 1976).

[6] Application du calcul de la distribution d'une fonction de deux variables à l'estimation des crues (Bulletin technique du Génie rural, n° 120, CTGREF, 1977).

[7] Etude statistique d'évènements hydrologiques observés sur un nombre réduit d'années (Etude n° 22, CTGREF, 1978).

[8] Approche directe de la distribution de fréquence d'un débit laminé par un barrage (11ème conférence européenne de la CIID, Rome 1977).
[9] Technique des barrages en aménagement rural (Ministère de l'Agriculture, 1977).

[10] Appréciation de la qualité des eaux d'un petit bassin rural drainé et cultivé (Congrès international de limnologie, Copenhague, 1977).

[11] L'évapotranspiration réelle en hydrologie (15e Journées de l'Hydraulique de la SHF, Toulouse, 1978).

[12] Abaques pour le calcul des lignes d'eau en régime permanent /Note technique n° 4, CTGREF, 1976).
# IV — QUALITE DES EAUX SUPERFICIELLES

G. LEYNAUD
C.T.G.R.E.F.

## 1 — EVOLUTION GENERALE

L'évolution générale de la situation intéressant les études et recherches en matière d'hydrologie peut être caractérisée par les traits suivants :

- Une évolution importante de la législation et la réglementation concourant à la protection de l'environnement : loi sur la protection de la nature imposant notamment les études d'impact, loi sur les installations classées modernisant les anciens textes sur les établissements classés, loi sur le contrôle des produits chimiques instituant une procédure de déclaration avec constitution d'un dossier d'évaluation des risques écologiques, mise en place des objectifs de qualité.

Des discussions ont eu lieu et se poursuivent à Bruxelles pour l'harmonisation des législations sur l'eau des pays de la C.E.E. (directives : eau potable, baignade, vie piscicole, vie aquatique, conchyliculture).

- L'augmentation générale des prélèvements pour les divers usages et notamment l'irrigation conduisant à la recherche du développement et de la régularisation de la ressource en eau, notamment par la construction de barrages et la réalimentation artificielle des nappes.

- Le développement de la production d'énergie thermique (surtout nucléaire) et hydroélectrique (problèmes liés au réchauffement des eaux et aux modifications du débit).

- La concrétisation de l'action des Agences Financières de Bassin et de l'Administration dans la lutte contre la pollution aboutissant à la construction de nombreuses installations d'épuration des eaux et à une réduction globale sensible des rejets de matières oxydables. Les effets de cette amélioration sont cependant amoindris par l'extension d'autres formes de pollution (toxiques, composés de l'azote et du phosphore, altération du lit des cours d'eau et des bassins versants...) qui prennent dès lors un relief particulier et nécessitent la mise en œuvre de nouvelles techniques de prévention et d'épuration.

- La sécheresse exceptionnelle qui a atteint la majeure partie de la France en 1976 a accentué l'acuité des problèmes liés à la qualité des eaux et a montré l'importance des relations existant entre des débits et la qualité des eaux superficielles.

- Une deuxième campagne a été réalisée en 1976 au titre de l'Inventaire National du degré de pollution des eaux superficielles ; elle a porté, comme la première réalisée en 1971, sur quelque 1 200 points et selon des méthodes unifiées. Par rapport à la première campagne, la gamme des analyses a été étendue notamment en ce qui concerne les substances toxiques.

## 2 — ETUDES ET RECHERCHES

La réalisation des premières études d'impact a entraîné un développement des études de terrain et des inventaires hydrobiologiques.
La législation sur les produits chimiques a nécessité une intensification des travaux portant sur l'évaluation de la dégradabilité et de la toxicité des substances chimiques à l'égard de diverses espèces ou de chaînes alimentaires simplifiées.

Les travaux sur les matières en suspension, les sédiments et le comportement de certains micropolluants (métaux lourds notamment) ont été poursuivis et amplifiés.

L'étude des effets de certains types particuliers d'altération de la qualité des eaux a été poursuivie et développée, notamment :

- réchauffement des eaux,

- extractions de matériaux dans les lits mineurs des cours d'eau,

- modifications du lit des cours d'eau et des bassins versants (canalisation, imperméabilisation).

L'étude des pollutions d'origine agricole et plus généralement des pollutions diffuses a motivé un développement des recherches portant sur le transfert et l'évolution des fertilisants, des pesticides et d'autres micropolluants des sols vers les eaux souterraines et superficielles.

Les aspects sanitaires (contamination bactérienne et virale des eaux douces ou marines) ont revêtu une importance spéciale et inspiré des travaux sérieux portant sur la survie et la dispersion des germes, les effets directs ou indirects (consommation de produits de la pêche) sur la santé humaine.

Les travaux concernant la protection des lacs ont été poursuivis ; une méthodologie applicable à l'inventaire de leur degré de pollution est en cours de mise au point et sera vraisemblablement appliquée dans les prochaines années.

Le problème complexe des liaisons débit-qualité des eaux a été abordé à propos des études portant sur la fixation des débits réservés ou des débits de référence utilisés pour le choix des objectifs de qualité.

La mise en évidence des effets de certaines pollutions (fertilisants, micropolluants, germes pathogènes), les difficultés de fonctionnement ou le caractère incomplet des procédés classiques d'épuration ont entraîné un redéploiement des efforts de recherche sur les procédés de traitement : recherche de procédés plus performants, plus rustiques ou mieux adaptés à des variations importantes de la charge.

- développement de l'assainissement de type individuel et de l'épandage souterrain.

- développement des procédés extensifs : lagunage simple, aspersion.

- développement des procédés physico-chimiques.

En outre, l'élimination des boues de stations d'épuration et notamment leur valorisation a fait l'objet de nombreuses recherches.

## BIBLIOGRAPHIE

Il est difficile d'effectuer une sélection parmi les nombreuses références de publications traitant de la qualité des eaux superficielles.

Il est toutefois possible d'obtenir une vue d'ensemble du travail effectué en France dans ce domaine au cours des dernières années en consultant les rapports des Journées de Montpellier "L'Eau, la Recherche, l'Environnement" (Montpellier 12-13-14 octobre 1977) - Collection Recherche - Environnement n° 8 - Ministère de l'Environnement et du Cadre de Vie, Service des Affaires Scientifiques.

Le même Ministère publiera prochainement les résultats complets de la campagne 1976 de l'Inventaire National du degré de pollution des eaux superficielles.
# V – EAUX SOUTERRAINES

G. GASTANY

SERVICE GEOLOGIQUE NATIONAL

## INTRODUCTION

Les recherches et travaux, effectués sur les eaux souterraines au cours des quatre dernières années, se sont orientés vers l'hydrogéologie quantitative, base de la gestion de l'eau, cette dernière ayant été abordée pour quelques grands systèmes aquifères.

L'acquisition des données de base, tout en poursuivant les évaluations régionales de ressources en eau, a, par une technologie avancée, évolué vers des mesures plus précises, rapides, peu onéreuses et automatiques. Des synthèses régionales et des cartes thématiques ont été réalisées selon des conceptions plus élaborées.

Les efforts principaux des recherches se sont orientés vers les expérimentations in situ, effectuées par des équipes pluridisciplinaires. Elles ont abordé les problèmes d'hétérogénéité et des transferts d'échelle, de la case lysimètrique à celle du bassin hydrologique. Elles peuvent être groupées en quatre thèmes :

- alimentation naturelle et artificielle des eaux souterraines et problèmes posés par l'irrigation ;

- identification, structure et fonctionnement des systèmes aquifères ;

- thermodynamique des eaux souterraines et hydrogéothermie ;

- qualité et pollution des eaux souterraines.

Les expérimentations in situ et les interprétations ont été possibles par le développement simultané d'une technologie et de moyens concernant en particulier la géochimie isotopique et l'informatique hydrologique. La télédétection en hydrologie a été développée par l'emploi de divers capteurs mis en œuvre par les vecteurs appropriés (avion, satellites).

## 1 – ACQUISITION DES DONNEES DE BASE ET SYNTHESES – CARTES

### a – Evaluation des ressources en eau

L'évaluation des ressources en eau s'est poursuivie par deux types de prospection :

- inventaire systématique des points d'eau et captages, par carte topographique à 1/50 000. Il a été élargie aux prélèvements. La couverture actuelle atteint 15 % du territoire ;

- inventaire sélectif par départements ou par régions hydrogéologiques intéressant 25 % de la France.

Un inventaire, avec constitution d'un fichier des eaux minérales est en cours.

### b – Création, optimisation et fonctionnement des réseaux d'observation. Publications d'annuaires

Le réseau piézométrique, encore localisé et sous la responsabilité de divers organismes (Agriculture, Equipement, Service géologique national, Agences financières de bassin), a été
coordonné, développé et optimisé. Il comprend 1500 piézomètres sélectionnés groupés dans diverses régions : bassin de Paris, Artois-Piccardie, Rhin-Meuse, plaine d'Alsace, Nord-Pas-de-Calais, Champagne-Ardennes. Des annuaires sont publiés par traitement automatique des données au service géologique national.

Le réseau de surveillance de la qualité des eaux souterraines, réparti en réseau de contrôle de la pollution et en réseau de surveillance (de détection), a fait l'objet d'études méthodologiques avec tests sur plusieurs secteurs, dont le bassin de Paris (Agence de bassin Seine-Normandie).

### c - Bassins représentatifs, périmètres d'expérimentation et stations d'essais

L'orientation vers les expérimentations *in situ* a conduit à équiper, ou créer, des dispositifs d'études et d'essais. La règle est de concentrer les efforts sur l'équipement de quelques unités, terrain d'application d'équipes pluridisciplinaires. Les installations, situées dans différentes zones hydrogéologiques, couvrent les grands types de régime des eaux souterraines et de roches réservoirs, en particulier les calcaires fissurés karstiques.

### d - Méthodologie d'acquisition de données sur les paramètres des bassins hydrologiques et des systèmes aquifères

- *acquisition de données sur les paramètres hydrologiques.* Etude critique des formules d'hydrométéorologie et d'hydrologie permettant une meilleure évaluation des éléments du bilan. Recherches sur l'analyse de l'hydrogramme d'écoulement pour une estimation plus précise de l'écoulement souterrain. Développement du traitement automatique.

- *acquisition de données sur les paramètres hydrodynamiques, hydrocinématiques et hydrogéochimiques des systèmes aquifères.* L'automatisation de l'acquisition des données a progressé, grâce à une technologie de chaînes de mesures, fiables et économiques, *in situ* avec effort particulier en zone non saturée et à la réalisation de capteurs spécifiques. Des essais sur les mesures de résistivités du sol, considérées comme un index de la teneur en eau sont encourageants. Des méthodes rapides, peu onéreuses, de détermination ont été mises au point : pompages d'essai de courte durée, interprétation d'essais sur puits incomplets, techniques de traçage. La diographie dans les forages a été développée : résistivités, températures, radioactivité, micromoulinet, télévision. L'exécution et l'interprétation des essais dans les aquifères calcaires fissurés ont fait l'objet de recherches ayant abouti à une méthodologie opérationnelle.

### e - Synthèses, monographies régionales et cartes des eaux souterraines

Des synthèses ont été élaborées, à partir des données recueillies, présentées souvent sous forme d'atlas hydrogéologiques départementaux ou régionaux. Pour les premiers à citer, le Calvados, la Seine maritime, l'Aisne, la Gironde, les Pyrénées orientales, l'Aude. Les régions couvertes sont le bassin de la Seine et des cours d'eau normands, le Nord de la France, le socle du massif armoricain, la plaine d'Alsace et la zone lyonnaise.

Des recherches sur le perfectionnement des méthodes d'expressions cartographiques ont aboutit à l'établissement et à la publication de cartes hydrogéologiques à différentes échelles :

- cartes hydrogéologiques à grande échelle (1/50 000, 1/100 000 et 1/200 000) couvrant les trois cinquièmes de la France (dont 75 coupures à 1/50 000);

- *Atlas des eaux souterraines de la France à 1/1 000 000* comprenant actuellement : débit moyen des nappes d'eau souterraine, principaux systèmes aquifères, qualité chi-mique, eaux minérales et thermominérales, coût de production, vulnérabilité des nap-pes à la pollution.
## 2 - RECHERCHE SCIENTIFIQUE ET TECHNIQU.

Des travaux et des recherches ont été poursuivis, souvent innovés, par les grands établissements de recherches publics ou parapublics : centre national de la recherche scientifique (CNRS), laboratoires d'hydrogéologie et de mécanique des fluides des Universités, centres de recherches des grandes écoles (école des mines de Paris), institut national agro-nomique, service géologique national (BRGM), office de la recherche scientifique et technique Outre-mer (ORSTOM), GERSAR. Ils ont été incités et soutenus par des financements de la Délégation générale à la recherche scientifique et technique, du CNRS, du service des problèmes de l'eau et des agences financières de bassin.

Les deux faits marquants sont, d'une part l'exécution d'études pluridisciplinaires portant conjointement sur l'hydrodynamique, l'hydrocinématique, la thermodynamique, l'hydrogéochimie et la géobiologie et, d'autre part, les applications sur des dispositifs expérimentaux à toutes échelles d'espace. Elles ont dégagé les problèmes de l'hétérogénéité des réservoirs et des transpositions d'échelle. Ceux-ci feront l'objet d'études ultérieures. Il est bien évident que les aspects quantitatifs et qualitatifs ont été abordés simultanément car ils sont indissociables pour la gestion de l'eau.

### a - Alimentation naturelle et artificielle des eaux souterraines. Echanges de flux à la limite atmosphère-sol

Ces recherches ont porté principalement sur la distribution spatiale et temporelle des précipitations efficaces (ou de l'écoulement total) et leur répartition à la surface du sol en écoulement de surface et en écoulement souterrain. Une évaluation plus précise du flux de l'évapotranspiration réelle à la surface du sol, par perfectionnement des méthodes climatiques (TURC) et des bilans énergétiques, a été recherchée. Une méthodologie basée sur les fréquences mensuelles, voire journalières et la distribution spatiale par mailles, permet une évaluation plus précise par une confrontation avec les facteurs conditionnels de l'écoulement dans le bassin hydrologique (géomorphologie, végétation, sol, etc.). Un intérêt particulier a été porté sur la variabilité spatiale et temporelle de l'alimentation naturelle des napes. L'évaluation de la quantité d'eau réelle, consommée par les cultures et pénétrant en zone non saturée, aboutit à l'établissement du bilan des sols cultivés avec, ou sans, irrigation.

La constitution d'un fichier de 80 bassins de dimensions moyennes, avec une vingtaine de variables caractéristiques de l'écoulement, permettra par application de techniques d'analyse statistique multidimensionnelles de mieux caractériser l'évaluation de l'écoulement total, surtout en absence de jaugeages. Le calcul des ressources en eau totales renouvelables potentielles gagne ainsi en précision.

### b - Identification, structure et fonctionnement hydrodynamique des systèmes aquifères

Afin de mieux cerner, représenter et schématiser toutes les caractéristiques et le fonctionnement des systèmes aquifères, en vue de leur modélisation, les recherches ont porté sur trois thèmes.

#### Mécanismes des transferts de flux en zone non saturée en milieu poreux. Processus d'infiltration

Un net progrès a été obtenu par perfectionnement des dispositifs de laboratoire et, surtout, par expérimentations sur des stations opérationnelles. Ces études intéressent l'identification des paramètres (perméabilité, succion, vitesse de déplacement) et la mise au point de techniques permettant l'évaluation et le contrôle quasi-continu du flux réel à travers la zone non saturée. L'apport des techniques isotopiques a été d'un grand secours.

#### Mécanismes des transferts en zone saturée en milieu poreux. Structure et fonctionnement hydrodynamique des systèmes aquifères

L'identification et la détermination des paramètres hydrodynamiques (transmissivité,
diffusivité et emmagasinément) ont été traités. Mais l'intérêt a été axé sur la dispersion (para-
mètres hydrocinématiques) avec de nombreux travaux aboutissant à des publications. L'at-
tention a été attirée sur l'hétérogénéité des réservoirs aquifères et les effets d'échelles. Une
méthodologie de la détection des hétérogénéités par mesure des vitesses d'écoulement et
par des techniques de prospection géophysique sur stations d'essais, a été mise au point.
Les résultats obtenus ont permis une plus grande précision dans l'établissement des modèles
hydrodynamiques, physiques et mathématiques.

Hydrogéologie des roches fissurées carbonatées. Hydrogéologie karstique

Les études sur l'hydrogéologie karstique sont caractérisées par leur orientation vers
le quantitatif et leur caractère multidisciplinaire. En particulier les recherches quantitatives
et qualitatives sur les bassins expérimentaux (Baget en Ariège, région montpéléiraine, mas-
sifs du Jura, fontaine de Vaucluse). Les travaux sur la craie du bassin de Paris ont été présen-
tés dans un colloque national. Le fait marquant est l'analyse structurale du réservoir calcaire
fissuré, par des techniques en surface et dans les forages, confrontée avec les caractéristiques
hydrauliques. Elles ont abordé la schématisation de la structure et du fonctionnement des
systèmes aquifères fissurés. Une opération importante est en cours dans le sud de la France.
Un barrage souterrain à Port-Miou (Provence), obstruant partiellement un conduit karstique
souterrain, situé au-dessous du niveau de la mer, en vue du captage d'une importante résur-
gence d'eau douce a été réalisé. Toutes les recherches marquent un progrès vers la modéli-
sation des systèmes aquifères en milieu fissuré. Dans cette voie à signaler les travaux entre-
pris sur les roches cristallines fissurées (Bretagne en particulier).

c – Thermodynamique des eaux souterraines et hydrogéothermie

Les recherches dans ce domaine s'appliquent à deux échelles spatiales : le système aqui-
fère et le bassin hydrogéologique.

En ce qui concerne le système aquifère elles complètent son fonctionnement. En parti-
culier sur la thermomigration sous l'influence des gradients thermiques dans les transferts
d'humidité et sur l'étude du flux de chaleur, in situ, ainsi que les échanges de chaleur entre
l'eau en circulation et la roche réservoir (relations entre les données de température et le mode
de circulation des eaux souterraines dans les aquifères de la Gironde, caractéristiques des
champs thermiques sur le site de la source du Lez dans la région de Montpellier). Les mesures
en surface et à faible profondeur ont permis d'étalonner les prospections de thermométrie
aéroportées. Des recherches sur les possibilités de stockage de thermies dans le sous-sol, sur
modèles et in situ, ont donné des résultats satisfaisants.

L'étude hydrogéothermique des bassins d'Aquitaine et de Paris a abouti à deux mono-
graphies détaillées, éditées par le Service géologique national.

d – Qualité et pollution des eaux souterraines

Les recherches sur la qualité des eaux souterraines ont marqué une priorité à la géochi-
mie des isotopes du milieu et à l'étude des mécanismes des transferts de substances dans le
circuit atmosphère-sol-sous-sol-nappe. Elles ont été conduites de pair avec celles sur la pol-
lution de l'espace souterrain.

Hydrogéochimie isotopique. Fonctionnement hydrogéochimique des systèmes aquifères

L'hydrogéochimie est considérée comme le complément indispensable de l'hydrody-
namique pour l'étude du fonctionnement des systèmes aquifères et des mécanismes d'acqui-
sition de la qualité chimique des eaux souterraines sous l'influence des facteurs naturels ou
de l'introduction de polluants issus de l'activité humaine. La priorité a été donnée à la géo-
chimie isotopique afin de progresser dans la méthodologie des traçages naturels et artificiels.
Le CNRS a équipé une structure analytique, dite "Laboratoire sans mur" chargée de la coor-
dination de l'emploi des traceurs isotopiques et de l'interprétation des données ainsi que de l'exécution des analyses. Des efforts identiques ont été réalisés par le Service géologique national et le Commissariat à l'énergie atomique. A signaler l'utilisation des isotopes du milieu dans le contexte hydrogéochimique et biologique des aquifères calcaires fissurés hétérogènes avec expérimentation sur bassins et stations expérimentaux ; l'utilisation des variations naturelles des rapports azote 15/azote 14 (marquage des nitrates) et soufre 34/soufre 32, pour la détection de l'origine de la pollution (atmosphère, fertilisants). Une méthodologie d'emploi simultané de l'oxygène 18, du deuterium et du tritium a été élaborée pour l'étude analytique fine du cycle de l'eau dans les bassins hydrologiques et les dispositifs d'essais, basée sur le traçage naturel de l'eau des précipitations et les réponses à la sortie de l'aquifère (drainage de parcelles, exutoire de l'écoulement souterrain). Les corrélations obtenues par les différentes techniques, hydrodynamiques, géochimiques, isotopiques, confirment les hypothèses sur les processus d'infiltration et de transferts des flux dans les milieux poreux et fissurés.

Les applications sur le terrain de la géochimie isotopique du carbone 14/carbone 13 pour l'analyse du fonctionnement des grands aquifères, karstiques ou poreux, ont donné lieu à des monographies détaillées (aquifère karstique du Calcaire carbonifère du Nord, aquifère sableux de l'Albien du bassin de Paris et des Sables landéniens des Flandres, bassin du Roussillon).

Le système aquifère multicouche des sables albiens du bassin de Paris a permis une synthèse hydrogéochimique des éléments majeurs, traces et isotopes naturels. Elle a abouti à des guides de prospection des eaux souterraines applicables aux aquifères profonds.

## Pollution des eaux souterraines. Prévention, détection ou contrôle ou parade

La pollution des eaux souterraines est, pour l'avenir, le principal facteur limitant des ressources en eau souterraine. C'est pourquoi elle a attiré de nombreuses recherches dont les résultats ont été présentés dans des réunions scientifiques, citées en bibliographie. Cinq grands thèmes ont été traités.

### Introduction des polluants. Impacts, enfouissement et création de foyers de pollution.

*Catalogue des principaux polluants.* L'étude des polluants chimiques (fertilisants, métaux lourds) et organiques (pesticides, herbicides) a dégagé l'importance des pollutions d'origine agricole par les nitrates, dues principalement au développement des pratiques culturales modernes. L'analyse des transferts de flux dans le système global nappe/rivière a eu des répercussions importantes sur l'exploitation rationnelle des aquifères alluviaux.

### Transfert, migration et évolution des polluants en zone non saturée.

Le pouvoir d'autoépuration chimique et bactériologique de la zone non saturée a été précisé par des recherches sur les échanges d'ions et les phénomènes d'adsorption prédominant sur la désorption. Le rôle des argiles, des constituants organiques du sol (complexe organo-humique) et du régime hydrologique a été mis en évidence. En définitive le sol naturel constitue un filtre efficace pour les pesticides, les herbicides et les microorganismes (bactéries pathogènes). La pollution est inquiétante pour les nitrates et les sulfates et préoccupante pour les métaux lourds.

### Propagation et évolution des polluants dans l'aquifère.

La barrière protectrice de la zone non saturée franchie, les caractéristiques physico-chimiques de l'eau souterraine sont acquises et aucun obstacle sérieux ne s'oppose à la propagation de la pollution dans l'espace souterrain. Le principal rôle de l'aquifère joue avec la dilution. Il est donc fonction du renouvellement des eaux souterraines, lequel est un facteur principal. C'est ici que la dispersion dynamique intervient. Ses paramètres sont déterminés par des opérations de traçages isotopiques dont la méthodologie d'emploi et d'interprétation a été développée. Un effort particulier a été porté sur la délimitation des périmètres de protection des eaux captées pour l'alimentation en eau potable et l'édiction de leurs servitudes. Des instructions pratiques ont été élaborées et diffusées.
*Persistance de la pollution. Techniques de dépollution.* Les phénomènes de persistance de la pollution, après disparition des foyers de pollution (rémanence), ont été abordés. Ils se rattachent à la désorption. Des essais de dépollution ont été testés sur des stations pour les hydrocarbures. Ils seront développés au cours des années à venir.

*Vulnérabilité des nappes à la pollution et protection des eaux captées pour l'alimentation humaine.* La méthodologie de la vulnérabilité des nappes à la pollution a été améliorée avec établissement de nombreuses cartes à différentes échelles (1/1 000 000, 1!250 000). Ces études, jointes à celles sur les substances polluantes et leur migration ont permis d'envisager une conception réaliste, dynamique et évolutive de la délimitation des périmètres de protection et de la prescription de leurs servitudes.

## 3 – INFORMATIQUE HYDROLOGIQUE : PROGRAMMES DE CALCUL AUTOMATIQUE ET MODELES

Les recherches et leus applications ont été accompagnées, en étroite liaison, par le développement de l'informatique hydrologique, laquelle a connu un grand essor. Une programmathèque française s'est constituée avec des échanges entre centres. Elle porte sur les calculs automatiques et les modèles. Seuls les travaux originaux sont cités.

### a) Programmes de calcul automatique

- Mise en mémoire et traitement des données hydrométriques, piézométriques et hydrogéochimiques ; optimisation des réseaux d'observation ; rationalisation des données, variables régionalisées, krigeage, convolution, déconvolution.

- Résolution numérique des formules hydroclimatiques (TURC, THORNTHWAITE), établissement des bilans par bassin et par maille, aux fréquences décadaires, mensuelles et annuelles avec essais au pas journalier. Distribution spatiale du module d'écoulement total et d'écoulement souterrain dans un bassin.

### b) modèles mathématiques

- Modèles globaux hydroclimatiques du bilan d'un bassin hydrologique (modèle couplé)

- Simulation hydrodynamique des transferts d'eau en milieu non saturé avec prise en compte de la succion et des phénomènes d'hysterésis. Amélioration du calcul des flux horizontaux et verticaux. Application à l'étude des transferts d'eau en zone irriguée et détermination de la dose et du processus d'irrigation optimaux. Modèle couplé zone non saturée/zone saturée.

- Simulation hydrodynamique des écoulements bidimensionnels monophasiques en milieu poreux et régimes permanent ou transitoire ; transferts et échanges thermiques ; draïnance des aquifères multicouches ; milieu fissuré karstique.

- simulation cinématique et modèles diphasiques de propagation de la pollution ; transports de masse et de soluté dans un écoulement bidimensionnel ou radial ;

- simulation d'acquisition de la composition chimique des eaux souterraines, basée sur la thermodynamique des équilibres thermiques.

## 4 – PREVISIONS ET GESTION

### a) Prévisions des basses eaux

Les recherches sur la prévision des niveaux piézométriques minimums et des débits
d'étiage des cours d'eau, basées sur les modèles existant n'utilisant que les données classiques météorologiques et hydrométriques, ont abouti à la publication périodique d'un bulletin in-terministériel sur la "situation hydrologique et prévisions des basses eaux".

b) Gestion des grands aquifères

Une méthodologie de la gestion des grands aquifères a été établie avec mise au point de modèles prenant en compte les contraintes physiques et socio-économques. Elle a été testée et appliquée en différentes régions : Nord de la France, Beauce, Crau, Gironde, Est lyonnais. Elle a été obtenue par des travaux sur le calcul du coût des diverses opérations de captages, de distribution et de traitement de l'eau souterraine.

5 — SELECTION BIBLIOGRAPHIQUE

Etant donné l'abondance des publications, parues au cours de la période 1975-78, seuls les travaux importants sont cités. Nombre d'entre eux comportent une bibliographie.

a) Colloques nationaux

1975 – L'eau, la recherche, l'environnement. Thème 1 : les aspects quantitatifs des ressources en eau. La recherche scientifique et technique sur l'environnement, Rennes, mai.

1976 – La mécanique des fluides et l'environnement. XIVᵉ jour. hydrau., Soc. hydrotechn. France, Paris, 7-9 sept.

1977 – Deuxième colloque d'hydrologie en pays calcaire. Ann. scien, Univ. Besançon, 3ᵉ série, fasc. 25, 434, p.

1977 – Protection des eaux souterraines captées pour l'alimentation humaine. Orléans, 1-2 mars. Serv. géol. nat., B.R.G.M., Orléans, 4 vol.

1977 – Les eaux souterraines et l'approvisionnement en eau de la France. Nice, 27-28 oct. Serv. géol. nat., B.R.G.M., Orléans, 2 vol.

1978 – Interactions entre l'eau souterraine et son milieu. Dynamique des écoulements, phé-nomènes de transfert, mécanismes d'échanges échelles de temps et d'espace. Mont-pellier, 13-15 mars. Centre nat. rech. sci. et Univ. sci. et techn. Languedoc, Montpellier.

1978 – Hydrogéologie de la craie du bassin de Paris. Rouen, 13-15 mars. Serv. géol. nat., B.R.G.M., Orléans, 625 p.

1978 – L'hydrotechnique au service d'une politique de l'eau. XVᵉ jour. hydrau., Toulouse, 5-9 sept. Soc. hydrotechn. France. 1978 – Symposium i

1978 – Symposium international sur les implications de l'hydrogéologie dans les autres sciences de la Terre. Montpellier, 11-16 sept. 1978, centre études et recher. geol. et hydrogéol.

b) bibliographies, dictionnaires

1977 – Bibliographie hydrogéologique de la France (1968-1977). Mém. B.R.G.M., Orléans, n° 93, 97 p.

1977 – DION J. et MARGAT J. – L'eau souterraine dans la politique de l'eau, l'aménage-ment, l'utilisation et la gestion des ressources en eau, en France. Essai de bibliogra-phie. B.R.G.M., Orléans, 8 p.

1977 – CASTANY G. et MARGAT J. – Dictionnaire d'hydrogéologie. B.R.G.M. Orléans, 249 p., 561 concepts. p.

1978 – Vocabulaire de l'hydrologie et de la météorologie. Conseil intern. de la langue fran-çaise. La maison du dictionnaire, Paris, 237 p.
1978 – ALBINET M. – Catalogue des modèles de simulation hydrodynamique d'aquifères réalisés en France à la date du 31-12-1977. B.R.G.M., Orléans, rap. int.

1975 – Les bassins de la Seine et des cours d'eau normands. Tome 1 : ressources en eau et données hydrologiques ; fasc. 4 : eaux souterraines. Agence financière de bassin Seine-Normandie, Paris, 157 p., fig. et atlas.

1975 – MANGIN A – Contribution à l'étude hydrodynamique des aquifères karstiques. Thèse doct. és-sci., Univ. Dijon, Ann. spéléo, 1974, t. 29, n° 3 et 4, 1975, t. 30, n° 1.

1975 – FOURNEAUX J.C. – Etude des échanges nappe-rivière. La nappe de la plaine de l'Isère dans l'ombilic de Grenoble. Thèse, doct. és-sci., Univ. sci. médi., Grenoble, 327 p.

1976 – DELHOMME J.P. – Applications de la théorie des variables régionalisées dans les sciences de l'eau. Thèse doct. ing., Univ. Pierre et Marie Curie, Paris, 160 p.

1976 – LOUIS Cl. – Introduction à l'hydraulique des roches. Thèse doct. és-Sci., Université Pierre et Marie Curie, Paris.

1976 – MEGNIEN Cl. – Hydrogéologie du centre du bassin de Paris : contribution à l'étude de quelques aquifères principaux. Thèse doct. és-sci., Université Pierre et Marie, Curie, Paris.

1977 – L'eau en hydrogéologie. Notes d'hydrogéologie. Union Franç. géol., Géologues, Paris, n° 41 et 42.

1977 – COMBES M. – Ressources en eau du Maroc. Thèse doct. és-sci., Univ. sci. et techn. Languedoc, Montpellier.

1977 – SAUTY J.P. – Contribution à l'identification des paramètres de dispersion dans les aquifères par interprétation des expériences de traçage. Thèse doct. ing., Univ. Sci. et med., Grenoble.

1978 – BLAVOUX B – Etude du cycle de l'eau au moyen de l'oxygène 18 et du tritium. Possibilités et limites de la méthode des isotopes du milieu en hydrologie de la zone humide. Thèse doct. és-sci., Univ. Pierre et Marie Curie, Paris.

1978 – BONNET M. – Méthodologie d'emploi des modèles mathématiques d'écoulement en hydrogéologie. Thèse doct. és-sci., Univ. de Nancy.

1978 – MANIA J. – Contribution à l'étude des systèmes aquifères. leurs influences sur la gestion des ressources en eau dans le nord de la France. Thèse doct. és-sci., Univ. sci. et techn., Lille.

1978 – Situation hydrologique et prévisions de basses eaux. B.R.G.M., Orléans, bull. n° 5.
# VI – TELEDETECTION APPLIQUEE A L'ETUDE DES RESSOURCES EN EAU SOUTERRAINE

Compte rendu des activités nationales par

Y. VUILLAUME

BUREAU DE RECHERCHES GEOLOGIQUES ET MINIERES (B.R.G.M.)

1 – Sur le plan général depuis le précédent rapport à l'UGGI les progrès suivants ont été enregistrés :

– Dans le domaine de l'observation multispectrale du sol, les données acquises par avion et le satellite Landsat ont été multipliées (équivalent à 3 couvertures annuelles de la France en moyenne). Les méthodes d'analyse de donnée ont été dominées et une 2ᵉ génération de système de traitement de données mise en place. Il a donc été possible de réaliser des études orientées vers les domaines d'application. Simultanément, la méthodologie d'emploi de l'infra-rouge thermique a sensiblement progressé. Les résultats obtenus pour l'étude du bilan radiatif et de l'inertie thermique du sol ont permis de passages au stade pilote. Des projets débutent dans ce sens ; ils concernent les régions semi-arides dont les grandes dimensions permettent l'emploi de données de satellites à faible résolution spatiale (Météosat, NOAA et ultérieurement TIROS N, HCMM).

Enfin, l'évaluation du radar a été entreprise en se fondant sur le double intérêt de ce détecteur : l'observation tous temps et dans les grandes longueurs d'onde, la pénétration dans le milieu et l'accès à l'humidité du sol. Les travaux se situent actuellement au niveau d'observations systématiques sur site visant à corrél器 ces mesures électromagnétiques nouvelles avec celles de géophysique électrique et d'humidité du sol mesurée avec la sonde à neutron. Les premiers essais de radar aéroporté ont eu lieu, en préparation des vols radar de la navette spatiale de la NASA.

2 – De façon plus détaillée, les principaux résultats obtenues sont les suivants :

– La recherche de failles par analyse structurale de photographies aériennes a progressé avec l'emploi de l'imagerie de satellite : ceci est surtout valable pour l'implantation d'ouvrages de captages en zone de socle et en région karstique (travaux en France et à l'étranger du BRGM, du LRMR en Grèce et en Crête). Dans certains cas, on procède à l'extension d'un réseau d'anomalies repérées ponctuellement au sol par géophysique, à l'aide d'images Landsat (C.G.G. au Yemen).

– la typologie des éléments de surface du sol est rendue possible par l'analyse multispectrale de la lumière solaire qu'il réfléchit. Cette méthode a été employée pour identifier les parcelles irriguées dans de grands ensembles hydroagricoles du bassin parisien. L'eau d'irrigation provient de la nappe sous-jacente dont les écoulements naturels sont sensiblement modifiés. On observe dans ce cas l'emploi conjugué de données acquises par avion et satellite pour des surfaces de plusieurs départements français (Agence financière de bassin Loire - Bretagne et Seine Normandie). Des travaux préliminaires avaient eu lieu en 1974-75 sur la nappe de Crau. (BRGM - CRPE).

La détection de réseaux de drainage, (à – 1 m de profondeur) qui modifient l'alimentation de la nappe sous-jacente, a été réalisée par observation d'avion équipé en IRC et infra-rouge thermique (C.T. GREF/GDTA bassin hydrologique d'investigation : Orgeval et C.G.G. - Belgique).
L'infra-rouge thermique est employé pour l'analyse du régime hydrologique des karsts. Des études sont en cours sur des bassins représentatifs pour corréler les écoulements observés ponctuellement (débit, température) avec les variations spatiales de l'émission thermique de la surface du karst (BRGM et CRGH, GDTA).

La détection d'anomalies thermiques correspondant à des résurgences d'eau souterraine en rivière a fait l'objet de travaux en région karstique (laboratoire d'hydrogéologie - Besançon) ou en région côtière (BRGM, IGN, LRMR).

Des travaux de détection par infra-rouge thermique ont également été réalisés pour repérer les fuites de barrages (LRMR en France et Suisse).

Ce dernier laboratoire poursuit par cette même méthode l'étude hydrodynamique de l'estuaire de la Gironde selon les épisodes de marée et recherche en particulier la distribution des écoulements souterrains.

Des recherches sur l'humidité des sols ont conduit à l'analyse de leur inertie thermique. Des expériences intensives ont été menées avec les moyens aéroportés et satellitaires sur le site de Montagne Noire (GDTA).

Parallèlement, l'étude du bilan radiatif d'un sol et de ses relations avec l'évapotranspi-
ration a fait l'objet de travaux sur site hydrologique de l'Orgeval (GDTA associé au CTGREF).
Les résultats obtenus conduisent à une spatialisation par télédétection du rayonnement net
mesuré ponctuellement au sol et permettent de passer au niveau pilote à l'étude du bilan des
nappes de région semi-aride africaine avec des données de satellite Météosat notamment
(GDTA).

Des travaux de ce type sont entrepris en 1978 pour accéder au bilan hydrique de la nappe de Crau avec les données du satellite HCMM (Ecole des Mines et INRA).

La détection par radar de l'humidité des sols en relation avec l'alimentation des nappes libres fait l'objet de travaux sur sites. Les longueurs d'onde de travail sont 3 cm, 3 dm, 3 m et les "profondeurs de pénétration" en sol sec sont de dimension comparable. (GDTA - CRG - INRA). Les méthodes d'exploitation des données de radar (aéroporté Vigie et de la Navette Spatiale) sont en cours de développement (GDTA).

En conclusion, des progrès significatifs ont été enregistrés pendant la durée de 4 ans
sur les méthodes, les moyens et les détecteurs. Mais on observe aussi une tendance à mieux
utiliser la télédétection en hydrogéologie expérimentale et appliquée.
# VII - NEIGES ET GLACES

L. LLIBOUTRY

LABORATOIRE DE GLACIOLOGIE DE GRENOBLE

## 1 - NEIGE

Les études concernant la neige en France sont animées et coordonées par une association, reconnue en 1976 d'utilité publique, l'Association Nationale pour l'Etude de la Neige et des Avalanches (ANENA), subventionnée principalement par la Protection Civile. Depuis 1972, elle publie une revue avec 3 numéros par an. On y trouve en particulier les comptes-rendus des colloques suivants qu'a organisés l'ANENA :

25-26 Avril 1972, à Courchevel : Protection contre les avalanches

4-6 Juillet 1973, à Barèges : Génie paravalanche

19 Avril 1974, à Grenoble : Localisation du risque d'avalanche et aménagement de la montagne

24-25 Avril 1975, à Briançon :

a) Météorologie en montagne

b) Ski de randonnée et sécurité

23 Avril 1976, à Grenoble : Avalanches, responsabilités et assurances

12-14 Avril 1978, à Grenoble : 2ᵉ rencontre internationale sur la neige et les avalanches.

### Stabilité du manteau neigeux

Le Centre d'Etude de la Neige de l'Etablissement d'Etudes et Recherches Météorologiques a étudié dans ses laboratoires du Col de Porte et de Chamrousse la métamorphose constructive de la neige.

Bois et Obled, de l'Institut de Mécanique de Grenoble, ont étudié la longue série d'observations d'avalanches faites à Davos et les relevés météorologiques pour déterminer les variables principales, puis faire une analyse discriminante qui permette de classer à priori, au vu des bulletins météorologiques, la journée à venir comme comportant ou non un risque d'avalanche.

### Dynamique des avalanches

Le Centre d'Etude de la Neige du CERAFER (Centre d'Etudes et Recherches pour l'Agriculture, les Forêts et l'Equipement Rural du Ministère de l'Agriculture), dirigé par L. de Crécy et le Laboratoire d'applications spéciales de la physique du CENG (Centre d'Etudes Nucléaires de Grenoble), dirigé par P. Perroud, font de très intéressantes mesures sur l'avalanche en mouvement. L'avalanche est déclenchée par explosif, chaque fois que la situation est avalancheuse, dans un couloir aménagé au-dessus du Col du Lautaret. Pour la première fois les vitesses (avec des moulinets hydrauliques) et les pressions d'arrêt sur des disques sont enregistrés en continu, à différents niveaux, au sein de l'avalanche en mouvement.

Les avalanches de poudreuse sont simulées en canal noyé à l'Institut de Mécanique de Grenoble, par l'équipe de E.J. Hopfinger.
## Etudes appliquées et développement

Citons le déclenchement par explosifs, et une adaptation du canon à air comprimé avalauncher, le génie paravalanche, la détection de victime par ondes électromagnétiques (sans répondeurs, ou avec répondeurs passifs), etc...

## Références

* LIVA V., non publié (1976) — Emissivité et transmission de la neige en ondes centimétriques, application à la détection radiométrique des victimes d'avalanche. Thèse de Docteur-Ingénieur, Inst. Polytech. de Grenoble.

* HOPFINGER E.J. and TOCHON-DANGUY J.C. (1977) — A model study of powder-snow avalanches. *J. of Glaciology*, vol. 19, n° 81, p. 343-356.

* FOHN P., GOOD W., BOIS P. and OBLED C. (1977) — Evaluation and comparison of statistical and conventional methods of forecasting avalanche hazard. *J. of Glaciology*, vol. 19, n° 81, p. 375-387.

La plupart des autres recherches françaises concernant la Commission Neige et Glaces se font au *Laboratoire de Glaciologie* du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), situé comme les établissements précédents à Grenoble. Ce laboratoire, dont le volume a presque doublé au cours des dernières années, comprend environ 65 personnes, dont une vingtaine de chercheurs permanents et autant d'étudiants chercheurs. Il est divisé en 3 groupe de 2 équipes chacune :

- groupe "glace et glaciers" (responsable : L. Lliboutry, directeur du laboratoire);

- groupe "géochimie" (responsable : C. Lorius);

- groupe "atmosphère" : équipe "transferts air-sol" (responsable : A. Poggi) et équipe "précipitations orageuses" (responsable : P. Admirat).

## 2 - PROPRIETES PHYSIQUES ET MECANIQUES DE LA GLACE

### Conduction thermique de la glace aux très basses températures

J. Klinger a montré que la conductibilité thermique aux très basses températures (entre 0,6°K et 2°K) est une méthode de choix pour déceler les diverses imperfections du réseau cristallin. Ces expériences ont été faites avec l'aide du Service des Très Basses Températures du CENG. Cette technique a permis de fixer le meilleur procédé pour obtenir des monocristaux de glace de très grande qualité.

### Pics d'absorption d'énergie lors de vibrations mécaniques

L'absorption d'énergie mécanique par des monocristaux ou poly-cristaux, aux fréquences ultrasoniques ou infrasoniques est étudiée au laboratoire de Physique des matériaux de l'Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, par l'équipe de J.-F. Gobin et J. Perez. Les polycristaux montrent un pic supplémentaire dû à l'absorption aux joints de grain.

### Mouvement des dislocations lors du fluage

Cette même équipe, par diffraction de rayons X observée avec une caméra de Lang, a pu mesurer le nombre de dislocations actives et leur vitesse lors de la déformation plastique de la glace. Cela a permis à J. Pérez d'élaborer une théorie originale du fluage, où le noyau vitreux des dislocations joue un grand rôle. Elle a l'avantage sur les théories en cours d'être enfin basée sur une observation directe des processus élémentaires, dont elle rend compte quantitativement.

### Loi de comportement mécanique des glaces polycristallines

P. Duval a étudié à fond cette loi de comportement complexe, y distinguant :
- un fluage transitoire réversible peu sensible à la température, logarithmique quelques heures, puis s'arrêtant. La déformation totale est proportionnelle à la contrainte. Phénoménologiquement, il s'agit d'une élasticité retardée, type corps de Maxwell, avec un pseudo-module d'Young 10 fois plus faible que le module d'élasticité instantané. P. Duval l'explique par un réajustement réversible des rideaux de dislocations (sous-joints de grains) ;

- le fluage transitoire d'Andrade, en t¹/³, très sensible à la température, ne s'observant qu'à la charge, et proportionnel au cube de la contrainte ;

- un fluage permanent tertiaire, avec recristallisation simultanée, dont la vitesse oscille par suite de phases successives d'écrouissage et recristallisation. Sa vitesse moyenne suit la loi de Glen avec un exposant n = 3.

P. Duval a montré que la texture avec les axes optiques groupés en 4 maximums qu'on trouve dans les glaciers s'établit lorsque la déformation n'est pas un cisaillement simple, et qu'elle est très stable. Il a découvert l'augmentation de la vitesse de fluage de la glace au point de fusion (pour des contraintes données) en fonction de la teneur en inclusions d'eau.

## Simulation en laboratoire du glissement d'un glacier sur une bosse

Les conditions régnant à la base d'un glacier sont produites au Laboratoire de Glaciologie dans deux grosses machines, sorte de viscosimètres de Couette géants, baptisées Pénélope et Télémaque. R. Brepson a publié les premiers résultats obtenus avec Pénélope. La glace bulleuse mise dans la machine a une forte élasticité retardée du type corps de Voigt, ce qui crée un frottement même lorsque pression "du glacier" et pression d'eau "sous-glaciaire" s'équilibrent. Les bulles d'air s'éliminent progressivement dans les cavités, créant la couche basale de glace bleue (considérée à tort dans les glaciers comme de la glace de regel).

## Ecoulement d'un corps de Glen autour d'une bosse

L. Lliboutry et C. Ritz ont fait un calcul approché de l'écoulement d'un corps visqueux non linéaire suivant la loi de Glen autour d'une sphère parfaitement lisse. Ecoulement et contraintes diffèrent beaucoup du cas du corps visqueux Newtonien.

* BREPSON R., sous presse - Simulating glacier sliding over a bump with Penelope. *J. of Glaciology*.

* DUVAL P. (1976) - Lois du fluage transitoire ou permanent de la glace polycrystalline pour divers états de contrainte. *Annales de Géophysique*, vol. 32, n° 4, p. 335-350.

* DUVAL P. (1977) - The role of the water content in the creep rate of polycrystalline ice. *Isotopes and impurities in snow and ice*. (Actes du Colloque de Grenoble août/sept. 1975) IAHS Publ. n° 118, p. 29-33.

* DUVAL P. sous presse - Creep and fabrics of temperate polycrystalline ice under shear and compression. *J. of Glaciology*.

* KLINGER J. (1975) - Low-temperature heat conduction in pure, monocrystalline ice. *J. of Glaciology*, vol. 14, n° 72, p. 517-528.

* LLIBOUTRY L. et RITZ C. (1978) - Ecoulement d'un fluide visqueux non linéaire (corps de Glen) autour d'une sphère parfaitement lisse. *Annales de Géophysique*, vol. 34, n° 2, p. 133-146.

* MAI C., PEREZ J., RIVIERE R., TATIBOUET J. et VASSOILLE R. (1977) - Dislocations et propriétés physico-mécaniques de la glace Ih. *Annales de Physique*, 15ᵉ Série, vol. 2, p. 91-118.

* PEREZ J., TATIBOUET J., VASSOILLE R. et GOBIN P.F. (1975) - Comportement dynamique des dislocations dans la glace. *Philosophical Mag.*, vol. 5, p. 985-999.

* PETIT J.R. et DUVAL P. (1976) - La thermoluminescence de la glace. Les effets de la déformation plastique. *Solid State communications*, vol. 19, p. 475-477.

* TATIBOUET J., VASSOILLE R. and PEREZ J. (1975) - Ultrasonic properties of plastically deformed ice. *J. of Glaciology*, vol. 15, n° 73, p. 161-169.
## 3 – GLACIERS

Pendant les 4 années écoulées le Laboratoire de Glaciologie n'a effectué du travail de terrain (programmes antarctiques mis à part) que sur les glaciers d'Argentière, de la Mer de Glace et des Bossons (Massif du Mont-Blanc) et de Saint-Sorlin (Grandes Rousses). Il fallait d'abord analyser les données recueillies et publier tous les résultats obtenus. C'est chose faite pour les campagnes dans la Cordillera Blanca du Pérou (1967-70), la Vallée Blanche supérieure (1970-71), le glacier Ampère à Kerguelen (1970-74) et les glaciers de Bellecôte en Vanoise (1973). Des résultats définitifs relatifs à la Mer de Glace et au Glacier de Saint-Sorlin (où le laboratoire travaille depuis 1961 et 1957 respectivement) commencent à sortir.

Plusieurs de ces publications sont sorties à l'occasion d'un colloque sur la dynamique des glaciers tempérés (8-9 septembre 1977, Munich) organisé par L. Lliboutry dans le cadre de la Société Européenne de Géophysique, et patronné par l'AISH.

### Etudes des glaciers et catastrophes glaciaires de la Cordillera Blanca du Pérou

L. Lliboutry a publié un travail considérable effectué avec la Société Coyne et Bellier et l'équipe du glaciologue péruvien B. Morales pour étudier des lacs pro-glaciaires dangereux. Peu après la fin de ce travail, la catastrophe de Yungay fut l'occasion d'une nouvelle mission, de l'UNESCO cette fois. On trouve dans les articles publiés les premières données sur le climat et les bilans glaciaires dans la Cordillère Blanche, l'historique de toutes les catastrophes dont cette Cordillère a été le siège, avec leurs causes et les moyens de les prévenir, une étude des systèmes morainiques imbriqués (avec forages et exploration géophysique à l'appui), etc...

### Etudes de bilans glaciaires

Une étude du glacier Ampère, principal émissaire de la calotte Cook à Kerguelen par M. Vallon, donne les seuls résultats glaciologiques obtenus aux moyennes latitudes de l'hémisphère sud pendant la Décennie Hydrologique Internationale. Alors que dans l'hémisphère nord le recul des glaciers était à peu près stoppé, il a continué à être considérable au Glacier Ampère.

Les bilans de masse annuels ont été déterminés sur la zone d'ablation du glacier de Saint-Sorlin (Massif des Grandes Rousses) depuis 20 ans. Une étude de L. Lliboutry et M. Echevin semblerait montrer que le modèle statistique linéaire de L. Lliboutry peut être étendu en zone d'accumulation. Pour connaître les fluctuations du bilan total, sur tout le glacier, il suffirait alors de très bien le mesurer, avec de nombreuses balises, en une zone limitée facile d'accès.

### Bilans d'énergie à la surface des glaciers

Le programme de la Décennies Hydrologique Internationale prévoyait des mesures du bilan énergétique à la surface de certains glaciers témoins, pendant la période d'ablation. Cela a été fait sur le glacier de Saint-Sorlin par S. Martin et sur le glacier Ampère, à 2 niveaux, par A. Poggi. Signalons à ce propos l'ouvrage de ce dernier sur les transferts turbulents d'énergie air-sol, paru chez Masson.

### Mesures d'épaisseur de glaciers

Les mesures d'épaisseur sont nécessaires pour avoir les débits solides, permettant de savoir si le glacier est en équilibre dans ses différentes sections, et en vue d'études de dynamique glaciaire. Les techniques pour mesurer l'épaisseur de glaciers alpins sont bien au point : sondeuse électrique de 18 mm de diamètre ou sondeuse à eau chaude sans tube pour le retour (F. Gillet) ; prospection sismique, réflexion et gravimétrie (M. Vallon).
La carte détaillée du bedrock sous le glacier de Saint-Sorlin est terminée. Ce bedrock comporte trois cuvettes de surcreusement alignées et une vallée en Z que ne laissait pas soupçonner la surface régulière du glacier. Les résultats obtenus aux glaciers de Bellecôte (Vanoise) et Ampère (Kerguelen) ont été publiés. Une prospection sismique a été faite au glacier d'Argentière.

## Reconstitution de bilans passés et ondes de crue

S. Martin a amélioré sa corrélation bilan de masse-variables météorologiques en retenant comme variables significatives les précipitations de septembre à mai confondues, la précipitation de juin et la température maximale journalière moyenne pour juillet et août. En prenant les variables météorologiques relevées à Lyon-Bron, 77 % de la variance des bilans de masse glaciaires dans les Grandes Rousses est expliqué.

Il peut alors reconstituer les bilans glaciaires depuis l'an 1882. On a d'autre part des altitudes moyennes de profils transversaux sur la Mer de Glace (depuis 1891, avec une lacune 1900-1911), les glaciers des Bossons et d'Argentière (depuis 1904). Les corrélations entre le niveau du profil l'année t et le bilan glaciaire l'année t-p sont maximales pour certaines valeurs de p. Chacune correspond à une onde de crue formée en un lieu différent en amont. Ces lieux sont des zones où le glacier est mince, rapide, offrant une grande surface à l'accumulation ou l'ablation.

Cette étude donne la clef pour dépouiller toutes les données recueillies par le Centre mondial sur les variations des glaciers.

Toutes les données sur les variations de niveau de la Mer de Glace ont été rassemblées, contrôlées et coordonnées par L. Reynaud, un travail d'historien et de bénédiction.

## Vitesses de glissement et loi de frottement

Des mesures très précises de L. Reynaud ont confirmé l'importance en montagne des courbures des rayons lumineux en projection horizontale, et montré que le mouvement saccadé qu'on croyait exister à la Mer de Glace n'était qu'une apparence due à ce phénomène.

L. Lliboutry a repris la théorie du frottement du glacier sur son lit. Après avoir relevé de nombreuses erreurs dans tout ce qui a été publié depuis 20 ans sur le sujet, il a mieux examiné les processus hydrologiques et de regel sous le glacier. Les phases de régime auto-nome n'affectent guère le frottement, et seul le régime interconnecté est à considérer. Il a établi la loi de frottement (sans ou avec cavitation sous-glaciaire) pour les modèles de bed-rock suivants :

1) Lit plan parsemé au hasard d'obstacles hémisphériques de toutes tailles. A frottement constant (c'est à peu près le cas lors des fluctuations saisonnières) et pour un glacier suffisamment lent et épais, la vitesse augmente progressivement jusqu'à un facteur 4 entre le moment où il n'y a pas de pression d'eau sous-glaciaire et le moment où celle-ci atteint la pression de glace.

2) Ondulations de longueur comparable. Le coefficient de frottement dépend alors de la vitesse et de la fonction d'éclairement (shadowing function) du lit rocheux. Lorsque l'amplitude des oscillations suit une loi de distribution gaussienne, ce coefficient reste à peu près constant aux grandes vitesses (alors qu'il s'annulait pour un bedrock à profil sinusoïdal).

En liaison avec cette théorie, des profils longitudinales de lits rocheux récemment éva-cués par les glaces ont été relevés par J.-P. Benoist. Pour la première fois, des densités spec-trales de puissance (dans l'intervalle centimètre-mètre) et des fonctions d'éclairement en sont données.

## Transformations de la glace de glacier

M. Vallon a publié les résultats obtenus par J.-R. Petit et B. Fabre en 1970 et 1971, lorsque la Vallée Blanche supérieure (zone d'accumulation de la Mer de Glace) avait été carot-
tée jusqu'au lit rocheux, sur 180 m d'épaisseur. Le névé se transforme rapidement en glace imperméable vers 30 m de profondeur en été, lorsqu'il est saturé d'eau de fonte.

La température en profondeur a été mesurée sur les pentes du Mont-Blanc, et les différents processus thermodynamiques en jeu dans les glaciers tempérés exposés par L. Lliboutry.

M. Brochu (Centre d'Etudes Arctiques, Paris) a étudié les trous à cryoconite d'un glacier de l'Arctique.

## REFERENCES

BENOIST J.P., sous-presse – Spectral power density and shadowing function of a glacial microrelief at the decimetric scale.

BROCHU M. (1975) – Les trous à cryoconite du Glacier Gilman (nord de l'île d'Ellesmere). *Polarforschung*, vol. 45, n° 1, p. 32-44.

GILLET F. (1975) – Instruments and methods. Steam, hot water and electrical thermal drills for temperate glaciers. *J. of Glaciology*, 14, n° 70, p. 171-79.

Laboratoire de Glaciologie du CNRS (L. Lliboutry, rédacteur), (1976) – Les Glaciers de Bellecôte. *Travaux scientifiques du Parc National de la Vanoise*, 7, p. 9-24.

LLIBOUTRY L. (1975) – La catastrophe de Yungay (Pérou). *Symposium Neiges et Glaces (Actes du Colloque de Moscou, août 1971)*. Publ. de l'AIHS n° 104, p. 353-363.

LLIBOUTRY L. (1975) – Loi de glissement d'un glacier sans cavitation. *Ann. de Géophysique*, 2, p. 207-226.

LLIBOUTRY L. (1976) – Physical processes in temperate glaciers. *J. of Glaciology*, 16, n°74, p. 151-158.

LLIBOUTRY L. (1978) – Glissement d'un glacier sur un plan parsemé d'obstacles hémisphériques. *Ann. de Géophysique*, vol. 34, n° 2, p. 147-162.

LLIBOUTRY L. sous presse – Local friction laws for glaciers : a critical review and new openings. *J. of Glaciology*.

LLIBOUTRY L., BRIAT M., CRESEVEUR M. et POURCHET M. (1976) – 15 m deep temperatures in the glaciers of Mont-Blanc (French Alps). *J. of Glaciology*, 16, n° 74, p. 197-203.

LLIBOUTRY L. et ECHEVIN M. (1974) – Mesure des bilans annuels en zone d'accumulation. *Z für Gletscherkunde und Glazialgeologie*, 10, p. 71-88.

LLIBOUTRY L., MORALES ARNAO B., PAUTRE A. et SCHNEIDER B. (1977) – Glaciological problems set by the control of dangerous lakes in Cordillera Blanca, Peru. I – Historical failures of morainic dams, their causes and prevention. II – Movement of a covered glacier embedded within a rock glacier. III – Study of moraines and mass balances at Safuna. *J. of Glaciology*, 18, n° 79, p. 239-290.

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VALLON M. (1977) – Topographie sous-glaciaire du Glacier Ampère (Iles Kerguelen), T.A.A.F.). *Zeitschrift für Gletscherkunde und Glazialgeologie*, 13, p. 37-55.

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VALLON M., PETIT J.R. et FABRE B. (1976) – Study of an ice core to the bedrock in the accumulation zone of an alpine glacier. *J. of Glaciology*, 17, n° 75, p. 13-28.

## OUVRAGES DIDACTIQUES

LLIBOUTRY L. (1977/78) – Articles : Ablation, Andes, Bilan glaciaire, Catastrophes glaciaires, Chevrons, Crevasses, Glaciers, Glaciologie, Glissement des glaciers, Hydrologie nivale et glaciaire, Moulins, Névé, Pénitents, Rimaye, Trous à cryoconite, Vers de glacier. *Grande Encyclopédie de la Montagne* (Editions Atlas).

POGGI A. (1977) – *Introduction à la micrométéorologie, transferts d'énergie atmosphère-sol* (Masson et Cie), 148 p.
# GEOCHIMIE

## Objectif des études

Les couches de neige déposées successivement sur les calottes polaires renferment un certain nombre de témoins, le plus souvent à caractère global, de l'évolution de l'atmosphère terrestre. Leur analyse a pour objet (Lorius et Delmas) :

a) de décrire les variations du climat (précipitations, températures) et d'en étudier la variabilité ; on s'intéresse à la période récente (variations inter-annuelles sur le dernier siècle), aux principaux évènements de l'holocène (10 000 ans) et au maximum de froid de la dernière glaciation (18 000 ans).

b) de déterminer l'origine (continents, océans, poussière cosmique, activité humaine) des éléments traces ; on recherche les causes des variations observées (échanges atmosphériques, pollution, activité volcanique ou cosmique...) et les corrélations éventuelles avec le climat, l'activité solaire...

c) d'obtenir un certain nombre de paramètres (accumulation, températures, profils de la surface et du socle rocheux, vitesses) qui permettront de modéliser la calotte glaciaire et d'évaluer son état de stabilité.

Bien que l'on s'intéresse principalement à l'Antarctique, un certain nombre de travaux sont aussi réalisés dans les Alpes.

## Relations extérieures

Les recherches dans l'Antarctique n'ont été possibles que grâce à un important financement des Terres Australes et Antarctiques Françaises (TAAF), à l'aide logistique des Expéditions Polaires Françaises et au support aérien de la National Science Foundation (USA). Elles font partie d'un programme international (non intégré) de Glaciologie Antarctique (PIGA), soutenu aussi par l'INAG et auquel participent des équipes d'Australie (Melbourne), Grande Bretagne (Cambridge), URSS (Moscou et Leningrad), USA (Columbus, Madison, etc...). Une coopération avec l'Institut Antarctique Argentin a débuté.

Sur le plan national, une RCP "Calottes glaciaires, étude du climat et des échanges de matière", dont le responsable est C. LORIUS, lie le Laboratoire de Glaciologie au Centre des Faibles Radioactivités (CNRS-CEA) de Gif-sur-Yvette et aux Centres d'Etudes Nucléaires de Saclay (Département de Recherches et Analyses) et de Grenoble (Service de Chimie Analytique). Les travaux dans les Alpes ont bénéficié d'une convention du Ministère de l'Environnement.

## Campagnes

Elles ont principalement comporté deux missions au Pôle Sud et en un site vierge (Dôme C = 74° 40' S, 124°E, altitude 3 200 m) des régions centrales de l'Antarctique. Des travaux complémentaires ont été réalisés entre ce site et la côte. Au Dôme C on a notamment réalisé (campagne 1977-78) avec un carottier thermique (Gillet et al.) un carottage de 905 m de profondeur représentant les couches de neige accumulées au cours des 30 000 dernières années.

## Etude des variations du climat

Il a été possible d'établir (Lorius et Merlivat) une relation empirique entre la teneur isotopique moyenne des précipitations et la température moyenne du site où elles se déposent. Cette relation peut servir de base pour l'étude des variations passées du climat. Les premiers résultats obtenus au Dôme C et ceux publiés par des équipes étrangères indiquent une évolution parallèle des grands traits des variations climatiques dans les régions de haute latitude. Depuis 10 000 ans les conditions ont été sensiblement les mêmes que celles que nous
connaissons actuellement ; la transition à partir du climat beaucoup plus froid qui existait
auparavant (au-delà de 15 000 ans) s'est effectuée en quelques millénaires (Lorius et Duplessy).
Un progrès important vers l'interprétation en terme de température des variations isotopiques
(δ) observées a été réalisé grâce à une méthode originale (Raynaud, Raynaud et al.). Il a en
effet montré que le volume de gaz V piégé dans la glace dépend de la température et prin-
cipalement de l'altitude à laquelle la glace s'est formée. En traitant simultanément les don-
nées de V et δ (qui dépend des mêmes paramètres), il devient possible de différencier les
variations isotopiques liées au seul climat de celles liées par exemple aux variations d'épais-
seur des calottes.

On s'efforce de caractériser non seulement les variations spatio-temporelles des tempé-
ratures, mais aussi celles des précipitations (Merlivat et al.) (Lambert et al.). Ces deux don-
nées manquent en effet pour l'hémisphère Sud ; elles serviront à tester les modèles atmosphé-
riques en cours d'élaboration pour l'étude de l'évolution des climats.

Impuretés contenues dans la glace : contribution liée aux phénomènes naturels et à l'activité humaine

L'éloignement des continents et des foyers importants de l'activité industrielle font
de l'Antarctique un très bon site pour détecter les modifications du niveau de base (ou bruit
de fond) atmosphérique. Le problème est difficile car il s'agit de déterminer si la contribution
humaine aux impuretés atmosphériques est significative à l'échelle globale.

Le traitement statistique des résultats d'analyse permet de montrer que la neige contient principalement des éléments provenant des roches et sols des continents (Si, Al, Fe) et des océans (Na, Mg, S sous forme de SO4). Même si les teneurs sont très faibles (au Pôle Sud par exemple 10 g de Na et 1 g de Al pour 1 000 tonnes de neige), il se dépose chaque année sur l'Antarctique des quantités considérables de matière (environ 500 000 tonnes) dont beaucoup a une origine très lointaine. La contribution marine est prépondérante (Boutron et Lorius) : la poussière cosmique n'en représente qu'une très faible part que l'on arrive néanmoins à caractériser.

Et puis l'on trouve aussi, à des teneurs plus faibles, certains éléments considérés comme
polluants (au Pôle Sud 0,02 g de Pb pour 1 000 tonnes de neige mais aussi 50 g de sulfates)
et dont la présence ne peut s'expliquer simplement par une origine continentale ou océanique.
Cela est vrai pour Pb, Cu, Zn, Ag (Boutron et al.). On a aussi observé pour ces métaux lourds
une faible augmentation au cours des 25 dernières années : les couches de neige déposées
en 1975 au Pôle Sud en contiennent 2 à 5 fois plus que celles déposées vers 1950. Il sem-
blerait ainsi que cette évolution traduise une modification globale de l'atmosphère comme
le suggère la comparaison avec les études réalisées sur la neige du Groenland.

Il est tentant d'attribuer cette augmentation à l'activité industrielle croissante, d'autant
plus qu'on a retrouvé trace en Antarctique de composés dont la seule origine est la pollution
(DDT, fréons). Mais l'interprétation est en fait complexe comme en témoignent deux types
d'arguments. D'une part les volcans émettent des quantités importantes de métaux lourds,
d'autre part il existe encore trop de métaux lourds dans la neige déposée à une époque où
l'activité industrielle est faible ou nulle. Des causes naturelles pourraient donc être respon-
sables pour une bonne part des excédents trouvés dans les neiges antarctiques. On pense
en particulier à l'activité volcanique.

Les poussières émises dans la haute atmosphère pourraient avoir atteint l'Antarctique
et ceci apparaît clairement pour SO4 qui constitue (sous forme de SO2) un composé impor-
tant des émissions volcaniques : au Pôle Sud le pic observé en 1965 correspond à l'arrivée
des aérosols émis lors de l'éruption du Mont Agung en novembre 1963. Pour SO4 les teneurs
observées en 1950 sont peu différentes de celles observées dans la neige récente ; l'éven-
tuelle contribution humaine est masquée par l'importance de la source volcanique (Delmas
et Boutron).
Par contre les couches de neige déposées en Antarctique témoignent nettement de la contamination globale de l'atmosphère par les produits radioactifs. L'activité de la neige mesurée actuellement montre que les couches déposées depuis 1955 ont une radioactivé β très supérieure au niveau naturel (Merlivat et al., Lambert et al.).

LORIUS C. et DELMAS R. (1975) — Géochimie des calottes polaires : aspects atmosphériques et climatiques. *Congrès de la Société Française de Physique, Dijon, 30 juin-4 juillet 1975. Colloque C8 : Physico-chimie de la basse atmosphère. Journal de Physique, 36*, Supplément au n° 12, p. C8-37.

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<figure><img src="image_27.png" /></figure>
# SECTION VII

## SCIENCES PHYSIQUES DE L'OCÉAN
TABLE DES MATIERES

I - Mouvements et caractères des masses d'eau. Circulation générale et échelle intermédiaire
M. LACOMBE.................................................................................. 313

II - Transferts et transformations d'énergie au voisinage de l'interface air-mer
M. COANTIC .................................................................................... 322

III - La houle
A. CAVANIE .................................................................................... 327

IV - Ondes internes et marées
M. CREPON .................................................................................... 329

V - Etudes théoriques sur la dynamique des mers
B. SAINT-GUILY ............................................................................ 332

VI - Optique marine et télédétection
A. MOREL et J. LENOBLE ................................................................. 334

VII - Océanographie côtière et environnement
R. BONNEFILLE ............................................................................ 340

VIII - Géologie et géophysique des marges continentales et des fonds océaniques
G. GRAU ............................................................................................ 343

IX - Les récifs coralliens
A. GUILCHER .................................................................................. 352

X - Océanographie chimique
P. COURTOT .................................................................................. 355

XI - La géochimie des océans
R. CHESSELET et Cl. LALOU................................................................ 359
# I - MOUVEMENTS ET CARACTERES DES MASSES D'EAU.
CIRCULATION GENERALE ET ECHELLE INTERMEDIAIRE

Henri LACOMBE (*)

Laboratoire d'Océanographie Physique
Muséum National d'Histoire Naturelle, 75005 PARIS

En ce domaine les études faites en France ont été très variées, comme le montre la diversité des rubriques évoquées ci-dessous.

## 1 - ETUDES DE CLIMATOLOGIE MARINE MOYENNE ET SAISONNIERE

L'exploitation de données historiques concernant les caractères marins superficiels ou les caractères météorologiques a conduit à des études dans de vastes zones océaniques du large, notamment dans le NW Atlantique [9], la Mer d'Arabie [8, 10, 11]. Dans le Pacifique intertropical [4, 5, 6], les résultats de mesures et prélèvements systématiques sur les navires de certaines lignes de navigation, organisées par une équipe de l'ORSTOM en liaison avec des équipes américaines, confirment l'existence d'interactions océan-atmosphère à l'échelle du Pacifique entier.

Dans l'Atlantique tropical Est, en plus d'études descriptives [49, 50], HISARD et MERLE [28], également de l'ORSTOM, ont émis l'hypothèse de l'existence régulière d'un phénomène analogue à l'"El Niño" du Pacifique ; cette régularité s'expliquerait par l'étroitesse relative de l'Atlantique, qui peut ainsi répondre plus rapidement que le Pacifique au déplacement saisonnier des alizés.

Dans l'ensemble [12], ces études climatologiques de grande échelle mettent, notamment, en évidence que, dans les aires étudiées, grâce à l'existence de séries chronologiques, il y a, au moins dans l'hémisphère Nord et près de l'équateur, une évolution parallèle de la température superficielle depuis le début du siècle : augmentation d'environ 1° entre 1920 et 1965 ; depuis, il y aurait tendance à diminution.

Deux publications [65 et 33] présentent deux aspects très différents d'utilisation éventuelle de l'énergie thermique des mers.

Des études sur des aires plus proches des côtes et plus limitées ont, par ailleurs, mis en évidence d'intéressants phénomènes :

Dans le Golfe de Gascogne, l'évaluation par les équipes brestoises de l'Université et du COB des contenus thermiques de la couche superficielle, en 1973 et 1974 [14, 15], ont montré que le Golfe accumule moins de chaleur que certaines aires situées plus à l'Ouest (45°N-10°W), bien que les températures de surface y soient plus élevées.

En Mer Celtique, l'ensemble des données historiques disponibles traitées à Brest (Université et CNEXO-COB) rendent compte, non seulement des variations saisonnières de la structure hydrologique et de leur répartition synoptique dans un secteur restreint, mais aussi de variations cycliques sur des périodes de plusieurs mois à plusieurs années [58, 59]. En outre,

<footnote>(*) Avec l'aide de J. LE FLOCH', F. MADELAIN et J. MERLE.</footnote>
le front thermique superficiel existant, en période chaude, à l'Ouest d'Ouessant [57] a été étudié à plusieurs reprises, en liaison avec l'équipe de radiométrie du Laboratoire de Météorologie Dynamique de Paris [3].

J. LE FLOCH' [43] a rassemblé un certain nombre de faits concernant cette aire : front thermique, nappe froide au contact du fond sur le plateau continental atlantique breton, présence du front halin dû à la Loire.

En ce qui concerne le front thermique, un modèle simple en a été proposé [17].

## 2 – ETUDES GENERALES D'OCEANOGRAPHIE PHYSIQUE ET DYNAMIQUE

Le cours de P. TCHERNIA [62, 63] sur l'océanographie régionale sera sous peu publié, en français par l'Ecole Nationale Supérieure des Techniques Avancées et en traduction anglaise (Pergamon Press).

Dans la même rubrique, on peut citer l'article "courants marins" [37] publié dans l'En-cyclopédie du Bureau des Longitudes 1977, le texte d'une série d'exposés dans le cadre du Cours d'automne à l'ICTP de Trieste – Physique de l'atmosphère et des océans – [35] et divers autres articles, dont [36].

## 3 – ETUDES DE DYNAMIQUE ET DE VARIABILITE MARINES

Ces études ont porté sur des régions et des phénomènes très divers et leur présentation sera, par commodité, faite selon les aires géographiques étudiées.

### Proche Atlantique et Manche

En Manche, dans le cadre de l'opération Jonsdap, la publication [42] présente d'intéressantes informations sur l'effet du fond sur un courant de marée.

Si l'étude [44] expose divers problèmes relatifs à l'extension de l'eau méditerranéenne dans l'Atlantique proche, une mention particulière doit être faite des travaux du groupe de MADELAIN [2, 46, 47] sur une structure tourbillonnaire de courant qu'il a étudiée au large de la Bretagne au cours des années 1976 et 1977 au moyen de bouées dérivantes. Ces bouées, dont certaines portaites des capteurs thermiques, étaient localisées par le satellite américain Nimbus F environ 5 fois par jour avec une précision estimée à ± 1,5 mille. Les bouées portaitent des "drogues" de 100 m.

La zone d'étude avait été choisie, au vu de campagnes précédentes, pour la faiblesse des courants moyens et des gradients horizontaux de température ou de salinité de façon à limiter au maximum sur les séries temporelles de température les fluctuations dues à la variabilité spatiale. Cette expérience a duré 21 mois, au cours desquels 20 lâchers de bouées furent effectués sur le méridien 11°W par 46°N, 46°45'N et 47°30'N. Les résultats les plus significatifs qui peuvent être déduits de cette expérience sont les suivants :

- de façon presque systématique, toutes les bouées qui furent larguées ont été piégées dans des cellules de circulation cyclonique ou anticyclonique [46] :

- de février à octobre 1976, les trajectoires observées furent anticycloniques ; les bouées dérivaient à des vitesses moyennes journalières de 12 cm/sec effectuant une révolution en 20 à 30 jours ; les vitesses maximales journalières observées atteignent 35 cm/sec, alors que la circulation moyenne en dehors du tourbillon n'est que de quelques centimètres par seconde. Un exemple des trajectoires anticycloniques obtenues jusqu'au 1er octobre 1976 est reporté sur la figure n° 1, leur diamètre est de 100 à 150 km,
à partir du mois d'octobre, toutes les trajectoires obtenues furent cycloniques, d'un diamètre plus faible de l'ordre de 50 à 80 km, parcourues à des vitesses de 10 à 12 cm/sec en 15 jours environ;

- les trajectoires obtenues au cours de la 3ème expérience (fig. 1) indiquent qu'il y a augmentation de la vitesse des bouées lorsqu'elles se rapprochent du centre du tourbillon;

<figure><img src="image_28.png" /></figure>

● centre de tourbillon anticyclonique

○ centre de tourbillon cyclonique

☆ points de lancement des bouées ID 0165 et 1653 de la figure 1.

<caption>Fig. 2 – Positions du centre des tourbillons décrits par des bouées dérivantes 1976-1977.</caption>

- des mesures directes de courant [47] montrent que ces tourbillons sont sensibles jusqu'à 600 mètres de profondeur et très probablement au-delà (1700 m et plus);

- à 300 mètres de profondeur, l'écart de température entre le centre et l'extérieur du tourbillon atteint 1°C alors qu'il n'est que de 0,5°C en surface [2];

- une carte montrant l'emplacement du centre des différents tourbillons observés (cycloniques d'une part, anticycloniques d'autre part — fig. 2) suggère qu'il s'agit peut-être d'une paire de tourbillons inverses dérivant très lentement vers le Nord-Ouest. Selon leur point de lâcher, les bouées étaient captées, en début d'expérience, dans le système anticyclonique et, ensuite, dans le système cyclonique.

Au cours de l'année 1979, après une campagne de prospection qui sera menée à l'aide de bouées dérivantes, une étude intensive d'un système tourbillonnaire mettant en œuvre deux bateaux pendant chacun deux mois aura lieu en septembre-octobre;

- dans le Golfe de Gascogne lui-même, l'analyse (LIE, 45), des variations journalières du niveau marin dans des ports ainsi que des éléments météorologiques ont permis l'étude d'ondes de plateau continental engendrées par la composante de vent parallèle à la côte.

## Méditerranée

L'un des problèmes les plus intensément étudiées a été celui de la formation des eaux profondes à la lumière de l'étude des résultats de plusieurs campagnes, dont [48]. Sur ce sujet GASCARD [18 à 23] a publié toute une série d'articles, dont sa thèse [20] qui met en évidence l'action de l'instabilité barocline et la genèse de tourbillons alternés de 10 km
de diamètre environ au cours d'une phase d'homogénéisation des couches marines superficielles sur 600-1000 m d'épaisseur dans l'aire de formation d'eau profonde de la Méditerranée NW. Mais, en fait, il est certain que l'homogénéisation constatée [34] sur toute l'épaisseur fluide (2000 m) est due à une succession de phases diverses au cours desquelles les mécanismes mis en jeu sont certainement très différents et, notamment, à des instabilités diverses [20] qui impriment aux eaux des mouvements verticaux d'ordres de grandeur et de durée très différents (1 mm/sec à 10 cm/sec). Dans certains d'entre eux, le vent joue très probablement un grand rôle.

<figure><img src="image_29.png" /></figure>

D'autre part, il apparaît, à la lumière de résultats, non encore publiés, d'observations faites conjointement en 1976 et 1978 à bord du navire canadien HUDSON, en Mer du Labrador, par le groupe du "Bedford Institute" et l'équipe de GASCARD mettant en œuvre les techniques utilisées en Méditerranée, qu'il existe de grandes similitudes entre les mécanismes étudiés en Méditerranée et ceux de mers sub-polaires. La "similitude" du modèle réduit méditerranéen apparaît donc comme excellente. Des observations récentes ont mis en évidence
des structures à petite échelle (14 km selon GORDON) en Mer de Weddell, qui rappellent aussi celles de la Méditerranée NW.

En outre, une remarquable similitude a été mise en évidence par GASCARD [20] entre le front polaire atmosphérique boréal et les dépressions qui en sillonnent le bord, d'une part, et, d'autre part, les tourbillons ceinturant la "tache dense" d'eau méditerranéenne dans l'aire de formation d'eau profonde en Méditerranée du Nord-Ouest. Le "rapport de similitude" est d'environ 100, pour le rapport du diamètre du front polaire à celui de la tache dense. et pour le rapport de la dimension d'une dépression météorologique (1000 km) et du tourbillon méditerranéen trouvé (10 km). Le rapport est proche de celui des rayons internes de déformation dans l'un et l'autre milieu.

Dans la même ligne d'études de circulation à échelle moyenne, on doit citer le tourbillon mis en évidence [54] en Mer d'Alboran par une bouée dérivante de la Météorologie Nationale, ainsi que l'effort fait par ce Service pour étudier les mouvement fluides dans diverses régions (Courant des Canaries, en plus de la Méditerranée).

Si une étude générale [32] rappelle quelques progrès récents accomplis dans la connaissance de la Méditerranée, l'exploitation [16] de campagnes de 1965 à 1968, effectuées dans la région des détroits de Sicile et de Sardaigne, a permis de déterminer non seulement les échanges entre Méditerranée orientale, Mer Tyrrhénienne et bassin algéro-provençal mais aussi la façon dont la nappe d'eau intermédiaire se dédouble dans le Canal de Sardaigne et de proposer une explication du phénomène. La structure des courants au large du Golfe du Lion [13], dans le canal Provence-Corse [38, 39] et enfin le régime du Golfe du Lion et des upwellings au voisinage de la côte [25, 51, 52] ont été étudiés. En particulier, les études de la dynamique marine d'été dans le Golfe du Lion, abordées, d'une part par de longues séries de mesures sur bouées, d'autre part par l'examen des thermographies de la surface marine dépouillées par le groupe MONGET, ont montré (C. MILLOT) que l'upwelling se développe vers le large par vents de terre (Mistral et Tramontane) à partir de "points-sources" situés sur certains segments rectilignes de la côte, puis s'étend ensuite vers le large. La présence, au niveau de la thermocline, d'oscillations d'inertie accompagnées de mouvements en opposition de phase de part et d'autre a été reconnue, même très près de terre ; enfin, des "celles" de circulation semblent se développer en liaison avec les aires-sources de l'upwelling.

— Dans l'Océan Indien, SOARES [60] exploitant les données collectées au cours de l'Expédition Internationale dans cet océan et concernant le Canal de Mozambique a précisé de nombreux points de l'hydrologie et de la dynamique de cette région.

Au Sud, quelques informations ont été collectées sur la région de la Convergence antarctique [29].

— Dans l'Antarctique, le suivi par P. TCHERNIA [61] d'icebergs porteurs de balises interrogées par satellite a décelé certains traits remarquables concernant, d'une part la variabilité de la circulation antarctique, d'autre part le raccordement de la dérive périantarctique vers l'Ouest et de la dérive opposée, plus septentrionale, des vents d'Ouest.

## Région équatoriale de l'Atlantique Est

Un important effort d'étude des caractères marins à grande échelle a été assuré par les chercheurs de l'ORSTOM en liaison avec l'équipe de l'Université de Bretagne occidentale (J. LE FLOCH') et d'équipes américaines : elles portent sur la région équatoriale de l'Océan Atlantique oriental. Les principaux résultats acquis depuis 1975 portent, d'une part sur la description de l'état moyen des systèmes de circulation équatoriaux et, d'autre part, sur leur variabilité à diverses échelles temporelles, ondes de basse fréquence, notamment.
## Circulation moyenne

En plus de l'étude théorique de BROSSIER [1] et de l'étude générale [41], ce sont les résultats de mesures nombreuses et l'action conjointe de plusieurs équipes qui ont fait progresser nos connaissances sur la circulation moyenne dans cette aire, particulièrement intéressante.

L'état moyen de la circulation océanique intertropicale est dominé par les effets d'une tension presque zonale du vent (vers l'Ouest) et du piégeage de différentes catégories de mouvements océaniques par l'Equateur. HISARD et al. [26] montrent que la zone frontale du Cap Lopez, existant pendant l'été boréal, est due à la venue en surface d'eaux du "Sous-courant équatorial" (Equatorial under-current), qui apporte des eaux relativement froides et salées au contact des eaux équatoriales chaudes et peu salées.

Les mêmes auteurs [27] mettent en évidence deux sous-courants profonds de part et d'autre de l'équateur (vers 5°) et leurs caractères hydrologiques. Le sous-courant Nord est relié au contre-courant équatorial Nord ; celui du Sud est plus fugitif [40]. Certains mouvements méridiens [66] expliquent la présence d'eaux marquées par l'eau centrale Sud-Atlan-tique jusque vers 19°N et au centre du dôme de Guinée (10°N).

## Variabilité

A la suite de l'opération GATE [7] ont été étudiés les méandres du Sous-courant équa-torial ; en outre, ont été examinées [31] l'évolution, au cours de GATE, des gradients zonaux de pression atmosphérique à l'équateur, en phase avec la tension du vent.

Les upwellings côtiers de l'Atlantique équatorial oriental ont été rattachés [53], non pas à l'action locale du vent, mais à une action lointaine des alizés soufflant beaucoup plus à l'Ouest et dont la brusque intensification, en été, susciterait une onde de Kelvin piégée à l'équateur. L'upwelling côtier du Golfe de Guinée [28, 49] peut s'expliquer par la disparition de la mince couche d'eau relativement chaude et peu salée qui recouvre les eaux sous-jacentes plus froides pendant la longue saison chaude. Le phénomène a été comparé à un "El Niño" permanent. Les études [55] et [56], par analyse spectrale des observations de niveau et de températures de surface en divers ports du Golfe de Guinée, suggèrent l'existence d'une onde stationnaire (de période 40-50 jours) et d'une onde progressive d'une période de 14,7 jours piégée par la côte et résultant d'une interaction non-linéaire entre $M_2$ et $S_2$. En outre, dans la même ligne, [64] fait une revue des phénomènes de basse fréquence affectant l'atmosphère et la surface marine et trouve des pics significatifs sur toute une série de périodes, de 3 jours à 12 mois. Des ondes de Rossby très particulières ont été mises en évidence dans le secteur [67].

4. Quelques études comportant des éléments de caractère technique touchant divers appareils, leurs conditions d'emploi et la valeur des résultats qu'ils fournissent, apportent d'utiles informations [22, 24, 30, 42, 54].

## BIBLIOGRAPHIE (à l'exclusion des rapports internes)

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[10] FIEUX M., STOMMEL H. (1976) — Historical sea surface temperatures in the Arabian Sea. *Ann. Inst. Océanogr.* Paris, t. 52, fasc. 1, 5-15, 9 fig.

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[12] FIEUX M. (1978) — Relation entre température de surface océanique et évolution climatique globale. *Océanis*, vol. IV, fasc. 2, (sous presse).

[13] FIEUX M., GARZOLI S., GONELLA J. (1978) — Contribution à la connaissance de la structure spatiale des courants superficiels au large du Golfe du Lion. *Soumis à J. de la Rech. Océanogr.*

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[22] GASCARD J.C. — Technique de mesure de la composante verticale des mouvements marins. Id. Ibid., 183-188, 6 fig.

[23] GASCARD J.C. (1978) — Deep water formation in the North-western Mediterranean Sea. *Baroclinic instability and ocean eddies. Oceanol. Acta*, I, 3, 315-330, 17 fig.

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[27] HISARD P., CITEAU J. et MORLIERE A. (1976) — Le système des contre-courants équatoriaux subsuperficiels ; permanence et extension de la branche sud dans l'Océan Atlantique. *Cah. ORSTOM, sér. Océanogr.*, XIV, 3, 209-220.

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[29] JACQUES G., GAMBERONI L. (1978) — Au-delà des frontières : la campagne ANTIPROD I. *Courrier du CNRS*, 30-35, 28 av. 4 fig.

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## II – “TRANSFERTS ET TRANSFORMATIONS D’ENERGIE AU VOISINAGE DE L’INTERFACE AIR-MER”

Michel COANTIC

Institut de Mécanique Statistique de la Turbulence, 13000 MARSEILLE

Les travaux effectués en France dans ce domaine de 1975 à 1978 ont principalement concerné : les apports et retraits de chaleur par le rayonnement, les échanges turbulents de chaleur et de masse, et les échanges d'énergie mécanique au voisinage de l'interface air-mer. Ils ont associé des équipes relevant du C.N.R.S., de l'Université, du Muséum National d'Histoire Naturelle, du C.N.E.X.O., de l'E.E.R.M. et du C.E.A., et bénéficié du support de ces divers organismes.

### I – APPORTS ET RETRAITS DE CHALEUR PAR LE RAYONNEMENT

Le rôle de la source d'énergie constituée par le rayonnement solaire, et du puits d'énergie associé aux rayonnements infrarouge, dans le bilan thermique des masses d'eau a été considéré à plusieurs échelles : l'échelle du bassin méditerranéen, par le L.O.P. de l'Université de Paris VI [5, 6, 7, 32] ; celle associée à la variabilité spatio-temporelle de la couche mélangée superficielle, par le L.O.P. de l'Université de Bretagne Occidentale [25] ; enfin celle d'un lac profond, par le L.A.M.P. de l'Université de Clermont II [1, 2, 9]. Ces travaux visent à la prévision et la paramétrisation des bilans globaux et des structures locales.

Le problème des interactions entre les échanges radiatifs et les transferts de chaleur turbulents et moléculaires a été étudié, sur le plan théorique, par l'I.M.S.T. [12, 13, 16], et sur le plan expérimental, par le L.O.A. de l'Université de Lille, qui a déterminé les caractéristiques du film superficiel froid en fonction du flux total de chaleur et de la vitesse du vent [21]. Enfin, une expérience “d'étang solaire” a été menée à bien par une équipe du C.N.E.X.O. [24].

### II – ECHANGES TURBULENTS DE CHALEUR ET DE MASSE

#### II.1 – Mécanismes de l'évaporation

Il a fait l'objet de diverses études à l'I.M.S.T. L'influence de la stratification en densité sur les taux d'évaporation a été mise en évidence [41, 48] dans la grande soufflerie de simulation des interactions océans-atmosphère [17, 18, 20]. Une méthode originale “isotopique” de détermination des rôles respectifs de la turbulence et de la diffusion moléculaire dans l'évaporation a été mise au point en coopération avec le D.R.A. du C.E.A. [27], puis appliquée à l'étude de l'influence des vagues [26], abordée également par d'autres méthodes.

#### II.2 – Transferts turbulents de chaleur

Le rôle joué par la turbulence dans les échanges de chaleur, latente aussi bien que sensible, entre l'océan et l'atmosphère a été examiné à l'I.M.S.T. de divers points de vue : théorie
et modélisation [12, 13, 16] ; exploration des caractéristiques de la couche limite thermique et hygrométrique en état de stratification neutre, stable et instable [33, 41, 48] ; enfin, étude expérimentale de la microstructure thermique des couches limites atmosphériques naturelle et simulée [28, 29, 30] où une anisotropie locale du champ thermique a été mise en évidence.

Par ailleurs, les transferts de chaleur entre un plan d'eau et l'atmosphère ont été étudiés expérimentalement au L.A.M.P., par des méthodes directe (mesures de fluctuations) et indirecte (bilan thermique), en vue de la détermination du bilan global [1, 2, 9].

## II.3 — Mécanismes des transferts chimiques à travers l'interface air-mer

Leur étude, théorique et expérimentale en laboratoire, a été entreprise en 1977 à l'I.M.S.T., en coopération avec diverses équipes extérieures. Des chercheurs du D.R.A. du C.E.A., et de l'University of East Anglia, ont effectué des expériences sur les transferts de type "gazeux", gouvernés par la structure du film hydrodynamique superficiel. Pour les transferts de type "particulaire" utilisant comme véhicule les embruns marins, les premières études ont concerné la physique et la métrologie des mécanismes diphasiques à l'interface air-eau (écume, bulles et gouttelettes), en s'appuyant sur une étude antérieure de la structure du ressaut hydraulique [38, 40, 42, 43].

# III — ECHANGES D'ENERGIE MECANIQUE

## III.1 — Structure moyenne et turbulente des basses couches de l'atmosphère marine

Le problème a été abordé de divers points de vue. Une étude dans la soufflerie de l'I.M.S.T. a mis en évidence certaines caractéristiques universelles de la microstructure, que l'on a pu comparer à des données acquises par l'U.C.S.D. [28, 29, 30]. Des mesures effectuées à partir de la bouée-laboratoire du C.N.E.X.O., BORHA II, dans le cadre de l'A.T.P. "Océanographie Physique", par les chercheurs du L.O.P.-M.N.H.N., ont permis la détermination du taux de frottement par les méthodes "du profil" et "inertio-dissipative" et ont conduit à introduire une hypothèse nouvelle pour la relation espace-temps applicable aux petites structures de la turbulence atmosphérique près de la surface marine [23, 44, 45, 46, 47]. De nouvelles méthodes d'analyse spectrale ont été mises en œuvre [22, 39]. Par ailleurs, le L.A.M.P. a étudié la relation entre le coefficient de frottement et le facteur de rafale au-dessus d'un plan d'eau [10] et, à une plus grande échelle, a effectué trois campagnes de mesures par avions instrumentés (Ile d'Yeu 75 et 76, et Thermocline 77), pour étudier la structure de la couche limite planétaire maritime (voir aussi le rapport de la Section de Météorologie et Physique de l'Atmosphère).

## III.2 — Mécanismes de la génération des vagues par le vent

Ils ont été explorés par l'I.M.S.T., en soufflerie d'une part (en coopération avec le Departement of Meteorology du M.I.T.), et en mer d'autre part (en coopération avec le L.O.P.-M.N.H.N.). Les résultats les plus importants concernent la structure statistique des vagues de vent, dont on a montré qu'elles possèdent une relation de dispersion les assimilant à des groupes d'ondes de Stokes [31, 34, 35, 36]. On a également étudié le couplage entre les écoulements d'eau et d'air, dont le caractère non-linéaire a été mis en évidence [3, 4, 8, 15, 19, 37], et la génération des premières ondes de capillarité-gravité [11, 37].

De son côté, le Centre de Météorologie Maritime de l'E.E.R.M. a poursuivi des travaux sur une méthode numérique lagrangienne applicable aux écoulements plans et irrotationnels avec surface libre [50].
### III.3 – Echanges turbulents dans la couche mélangée océanique

Durant l'opération déjà citée au § III.1., les chercheurs du L.O.P.-M.N.H.N. et de l'I.M.S.T. ont pu observer, à partir de BORHA II, les détails des mécanismes turbulents d'ap-profondissement et d'entraînement de la couche mélangée océanique sous l'effet d'un coup de vent brutal [23, 45, 46]. Ces mécanismes font par ailleurs l'objet de travaux théoriques pour la modélisation des processus de transfert turbulent [49], et pour leur exploration à distance par voie acoustique [14].

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