L'équipe Mécanique Environnementale : Sylvain Dupont (DR2, Animateur), Yves Brunet (DR1), Barry Gardiner (Senior Scientist), Pauline Défossez (CR1), Eric Lamaud (CR1), Jérôme Ogée (CR1), Lisa Wingate (CR1), Mark Irvine (IR2),  Jean-Marc Bonnefond (IE2), Didier Garrigou (TR), Françoise Prud'homme (sec.), Christopher Poette (thésard), David Pivato (thésard), Ming Yang (thésarde).

L'équipe ME aborde des thématiques environnementales mettant en jeu l’écoulement atmosphérique et les échanges sol-plante-atmosphère sur une large gamme d’échelles spatiales, dont celle du paysage hétérogène (de quelques mètres à plusieurs kilomètres) et temporelles. Ces thématiques rentrent dans le double contexte (i) du changement climatique et du possible accroissement des événements extrêmes (tempêtes, sécheresse), et (ii) de nouvelles pratiques agricoles et de leurs conséquences agro-environnementales. Pour mener à bien nos travaux, nous utilisons conjointement l’observation en atmosphère réelle, la simulation expérimentale en laboratoire et la modélisation numérique.

Faits marquants

• Simulation de l'interaction vent-plante à l'échelle d'un couvert végétal (2010)


• Suivi en temps réel des produits de la photosynthèse dans un écosystème forestier (2010)


• Simulation des écoulements turbulents atmosphériques à l’échelle paysagère (2008)


• Un outil de simulation tridimensionnel de l'écoulement atmosphérique a été développé à partir du modèle AQUILON (2007)


• Mesure des flux d'isotopologues du CO₂ par diode laser modulée (2007)

Figure : Dispositif de mesure de flux turbulents (quantité de mouvement, H₂O, CO₂, O₃) au-dessus d’un champ de maïs (Lamaud et al. 2009).

Modèles

Nous développons des outils permettant de calculer (i) les échanges sol-plante-atmosphère (chaleur, humidité, gaz, isotopes, etc.), (ii) l'écoulement atmosphérique et la dispersion de particules biotiques à l'intérieur et au voisinage d'un couvert végétal, et (iii) l’interaction vent-plante. Ces modèles peuvent être utilisés à l’échelle de la parcelle ou dans des conditions d'hétérogénéité quelconques (lisières, trouées, mosaïque de parcelles, etc.) ainsi qu’à l’échelle régionale. Pour cela, nous nous appuyons sur les codes suivants.

• ARPS : modèle atmosphérique développé par l'Université de Oklahoma, nous l'utilisons à l'échelle de couverts hétérogènes à partir d'une approche LES (Large-Eddy Simulation).


• MésoNH : modèle atmosphérique développé conjointement par le Laboratoire d'Aérologie (CNRS, Toulouse) et Météo-France, nous l'utilisons à l'échelel régionale pour des études sur la dispersion de grains de pollen.


• MuSICA : modèle Multicouche (multi-espèce) Simulant les Interactions entre un Couvert (végétal mixte) et l’Atmosphère, développé par l’unité. Nous l’utilisons pour simuler (i) le microclimat (rayonnement VIS/NIR/TIR, température, humidité CO₂) des différentes strates végétales et du sol, (ii) les transferts d’eau, de CO2 et de leurs isotopologues entre le sol, les différentes espèces et l’atmosphère, et (iii) la productivité et le bilan d’énergie et d’eau des écosystèmes de l’échelle de la demi-heure à l’échelle pluri-annuelle.


• ORCHIDEE, modèle biogéochimique global décrivant les bilans d’eau, d’énergie et de carbone entre une mosaïque d’écosystèmes homogènes ou de sol nu et l’atmosphère, développé par l’IPSL (Institut Pierre-Simon Laplace).


• Thétis : modèle de mécanique des fluides développé par l'Université de Bordeaux (unité Trefle), nous l'utilisons à l'échelle de couverts hétérogènes à partir d'une approche k-epsilon.


• Un modèle de dynamique de l’arbre basé sur Cast3M (CEA), développé en collaboration avec le CIRAD (T. Fourcaud) afin de simuler les oscillations d'un arbre sous sollicitations aérodynamiques turbulentes (thèse D. Sellier).

Figure : Mesure de la signature isotopique de la photosynthèse des branches et de la respiration du tronc et du sol à partir d’un spectromètre à diode laser connecté à une série de chambres automatisées de branche, du tronc et du sol (Wingate et al. 2010a).

Thésards

• Christopher Poette 2012-2015 : La fragmentation du paysage : impact sur l’écoulement atmosphérique et la stabilité au vent des peuplements forestiers.


• David Pivato (2008-2012) : Modélisation de l’interaction vent-peuplement forestier à l’échelle de paysages hétérogènes (bourse MESR).


• Ming Yang (2012-2015) : Modélisation de l'ancrage racinaire du pin maritime et analyse numérique de l'effet de la teneur en eau des sols sur la résistance au chablis en potzol landais (bourse INRA).

Thématiques abordées

• Ecoulement turbulent et interaction vent-plante : on s’intéresse ici à la compréhension de la dynamique de l’écoulement et des structures turbulentes à l’échelle de couverts hétérogènes (atmosphère neutre), à la vulnérabilité des arbres au vent, et à l’impact du mitage de la forêt sur la stabilité des peuplements.


• Dispersion atmosphérique de particules : on s’intéresse ici à l’impact des pratiques agricoles sur l’environnement (pesticides), l’érosion éolienne des sols (limiter la désertification) et l’impact de la dispersion aérienne des microbes en agriculture et environnement.


• Transferts verticaux et structure du couvert : on cherche ici à caractériser les mécanismes d’échanges sol-plante-atmosphère, en lien avec la micrométéorologie, et à décomposer les flux de masse et d’énergie entre leurs différentes composantes (puits ou source) au sein des écosystèmes.


• Interactions écosystème terrestre et environnement physique: on s’intéresse ici à l’impact des changements environnementaux et de l’hétérogénéité du paysage (lisères, profondeur du sol, présence/absence de sous-bois,...) sur le fonctionnement des plantes et leur vulnérabilité au cours de leur cycle de vie.

Mots clés

Ancrage racinaire ; Dispersion particules biotiques ; Echanges sol-plante-atmosphère ; Interaction vent-plante ; Isotopes ; LES ; Mécanique des fluides ; Ozone ; Paysage ; REA

Méthodes expérimentales

• Mesures de flux turbulents (vent, chaleur, humidité, CO₂, O₃, etc.) à l’intérieur et au-dessus de couverts végétaux, afin de mieux comprendre la micrométéorologie et les échanges turbulents entre les couverts et l’atmosphère. Ces mesures sont faites en collaboration avec l’équipe EFET.


• Mesures à haute fréquence de la composition isotopique des flux de CO₂ du sol, des troncs et des branches et des réservoirs d’eau et de carbone afin de contraindre les bilans d’eau et de carbone et le fonctionnement des écosystèmes terrestres. Ces mesures sont faites en collaboration avec l’équipe EFET.


• Mesures en soufflerie afin de mieux comprendre la dynamique du vent au niveau de couverts hétérogènes dans des conditions thermiques neutres. Elles sont faites en collaboration avec des équipes extérieures (Ecole Centrale de Nantes en France, CSIRO en Australie et l’Université d’Oxford au Royaume Uni).


• Mesures aéroportées afin de déterminer la concentration de l’air en grains de pollen (maïs et colza) et leur viabilité dans la couche limite atmosphérique, pour des questions liées à la dissémination de transgènes dans l'environnement.


• Mesures en chambre climatisée afin de déterminer la sensibilité de la viabilité de grains de pollen à différentes conditions thermo-hydriques.


• REA (Relaxed Eddy Accumulation) afin de mesurer dans un premier temps les flux aériens de microbes provenant de la végétation.


• Mesures de la résistance mécanique des sols par des essais mécaniques de laboratoire (compression, cisaillement) afin d'évaluer les effets du sol sur l'ancrage des arbres.

Figure : Vue tridimensionnelle du mouvement d’un couvert de luzerne simulé par un modèle couplant dynamique du vent et dynamique des plantes (h est la hauteur moyenne du couvert). Pour une meilleure visualisation, le déplacement angulaire des plantes a été multiplié par un facteur de 5. (Dupont et al. 2010).

Post-doctorants/Visiteurs

• Julien Jouanguy (2008-2012) : Modélisation des échanges de masse et d’énergie entre le sol, le couvert végétal et l’atmosphère. Application à la modélisation des signaux isotopiques et des dépôts d’ozone dans les couverts végétaux.

Figure : Expérimentation sur la dispersion de pesticides sur une vigne artificielle (site du Cemagref de Montpellier, thèse de Ali Chahine.