Physique de surface et de l'interface sol-atmosphère

JP Frangi, D. Richard, X. Chavanne, G. de Rosny

Nous nous intéressons aux processus physiques à l'interface sol-atmosphère tout en étant à l'écoute de la demande de la société. Notre thématique de recherche est l'étude des Processus physiques dans l'environnement à l'interface sol-atmosphère. Cette thématique est abordée par une approche fondamentale des processus physiques à l'interface selon les aspects Dynamique, Thermodynamique et Rayonnement à l’interface (micrométéorologie, bilan d'énergie de surface, profils des observables�...). Les interfaces continentales sont des espaces tampons entre le sol et l'atmosphère, et constituent des zones clés qui se prêtent assez bien à l'observation spatiale et d'importance en particulier pour la météorologie, l'agronomie et l'environnement. Cette première approche est complétée par le développement de nouveaux instruments (voir : développement instrumental)

Les mesures in situ à partir de stations micrométéorologiques équipées pour la mesure couplée des paramètres dynamique-thermodynamique-rayonnement permettent d'accéder aux échanges d'énergie et de matière à l'interface sol-atmosphère et aux propriétés physiques de la couche limite de surface atmosphérique. L'établissement du bilan d'énergie de surface consiste à déterminer la partition de l'énergie radiative disponible (flux net) en flux de chaleur sensible et latente dans l'air et en flux de chaleur dans le sol. Les termes du bilan d'énergie à la surface de la Terre sont susceptibles de présenter une considérable amplitude de variation avec :

• la latitude, l'environnement géographique, la topographie
• les régimes climatiques, le cycle diurne, l'ensoleillement et le trouble atmosphérique
• l'état structural et hydrique de la surface et les propriétés thermo-hydrodynamiques du sol
• les paramètres thermodynamiques de la couche de surface et de la couche limite atmosphérique.

Ce bilan peut être considéré comme un des paramètres du climat local. Sa connaissance peut conduire non seulement à une meilleure compréhension du microclimat, mais aussi à une gestion appropriée des ressources énergétiques et donc avoir un impact économique et humain important (érosion, gestion de l'eau, pollution...).

Cette connaissance fondamentale de l'interface sol-atmosphère et de la structure de la turbulence sert de support à des applications dans le domaine de l'environnement. Pour permettre le contrôle des conditions aux limites de l'écoulement atmosphérique, on s'intéresse au développement de méthodes simples et solides (aérodynamique, bulk, Bowen, eddy corrélation...). Deux stations micrométéorologiques, basées sur la méthode aérodynamique et celle du rapport de Bowen, ont été réalisées dans le cadre du programme européen WELSONS (DG XII de la Commission Européenne) pour étudier l'érosion éolienne en Aragon (Espagne) et le bilan d'énergie grâce à un système d'acquisition haute vitesse de données dynamiques (profils de vent à cinq hauteurs et toutes les secondes) donnant accès à la vitesse de friction et à la longueur de rugosité.

Associé au bilan d'énergie, le bilan hydrique permet d'appréhender le cycle de l'eau au niveau de la surface avec des applications dans le domaine de la gestion de l'eau. En effet, l'évolution récente des contraintes économiques et écologiques implique un suivi plus détaillé des besoins en eau des cultures et une gestion plus fine de l'irrigation à l'échelle de la parcelle.

A cette échelle, l'objectif de cette recherche appliquée est de fournir une information précise et datée sur l'apparition d'un début de stress hydrique des plantes. Cette information est obtenue par l'analyse du continuum sol-plante-atmosphère à partir de données de stations microclimatologiques (calcul de l'évapotranspiration réelle par la méthode du rapport de Bowen), de réseaux de tensiomètres et de pluviomètres fonctionnant dans des conditions réelles d'exploitation agricole (réseau de la Chambre d'Agriculture des Pyrénées Atlantiques). La diffusion de ces conseils d'irrigation permet une prise de décision rationnelle en fonction des contraintes agronomiques, matérielle, hydrauliques et économiques dans le but d'optimiser les rendements avec une ressource en eau limitée.