Contrôles physiques, chimiques et biologiques des flux de gaz à l'interface sol-atmosphère

Physical, chemical and biological controls of gas fluxes at the soil-atmosphere interface

• Auteur / Autrice : Clément Alibert
• Direction : Eric Pili
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 09/10/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École normale supérieure (Paris ; 1985-....). Laboratoire de géologie
• Partenaire(s) de recherche : Établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Florence Habets
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Pili, Florence Habets, Laurent Charlet, Corinne Loisy, Marina Gillon, Pierre Barré
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Charlet, Corinne Loisy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sciences de l'environnement

Sciences de la Terre

Mots clés libres

Flux de gaz

Interface sol-atmosphère

Expérience en colonne

Modélisation du transport des gaz

Gas fluxes

Soil-Atmosphre interface

Column experiment

Gas transport modeling

Résumé

La maitrise des flux de gaz du sol vers l’atmosphère est d’importance pour plusieurs questions sociétales à forts enjeux. La mesure et l’extrapolation de ces flux est un exercice complexe du fait de leur variabilité spatiale et temporelle. Cette variabilité est liée aux nombreux processus, souvent intriqués, qui contrôlent le transport des gaz dans les sols et à l’interface sol-atmosphère. Un dispositif novateur a été développé au sein d’une plateforme expérimentale pour permettre l’étude des flux de gaz en surface d’une colonne de sol placée en conditions contrôlées, avec un suivi à long terme et à haute résolution de nombreux paramètres. Les mécanismes physiques, chimiques et biologiques responsables des variations des flux de gaz à l’interface sol-atmosphère peuvent ainsi être appréhendés séparément. Cette étude s’est particulièrement attachée aux effets du métabolisme des plantes (évapotranspiration, respiration et photosynthèse) ainsi qu’à la teneur en eau et à la pression barométrique. Ces mécanismes jouent sur le gradient de pression qui contrôle le transport advectif des gaz. Un flux de gaz constant à la base d’un sol peut ainsi montrer des variations transitoires significatives sur des échelles de temps allant de plusieurs heures à plusieurs jours. Un travail de modélisation numérique a été initié bien qu’aucun code ne soit actuellement en mesure de rendre compte du transport diphasique en présence de fronts air/eau avec évaporation. Les nombreux résultats expérimentaux obtenus permettront de valider les développements nécessaires.

Mastering gas fluxes from the soil to the atmosphere is important for several high-stakes societal issues. Measuring and extrapolating these fluxes is a complex exercise due to their spatial and temporal variability. This variability is related to the many, often intertwined, processes that control the transport of gases in soils and at the soil-atmosphere interface. An innovative device has been developed within an experimental platform to study gas fluxes at the surface of a soil column placed under controlled conditions, with long-term, high-resolution monitoring of many parameters. The physical, chemical and biological mechanisms responsible for the variations of gas flux at the soil-atmosphere interface can thus be studied separately. This study focused in particular on the effects of plant metabolism (evapotranspiration, respiration and photosynthesis) as well as water content and barometric pressure. These mechanisms affect the pressure gradient that controls advective gas transport. A constant gas flow at the base of a soil can thus show significant transient variations on time scales ranging from several hours to several days. Numerical modelling has been initiated although no code is currently able to account for two-phase transport in the presence of sharp air/water fronts and evaporation. The numerous experimental results will be used to validate the necessary developments.