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Page de résumé pour ULgetd-12062012-112922

Auteur : Laffineur, Quentin
E-mail de l'auteur : Q.Laffineur@doct.ulg.ac.be
URN : ULgetd-12062012-112922
Langue : Anglais/English
Titre : Long-term study of biogenic volatile organic compound exchanges in a forest ecosystem
Intitulé du diplôme : Doctorat en sciences
Département : FS - Département des sciences et gestion de l'environnement
Jury :
Nom : Titre :
Amelynck, Crist Membre du jury/Committee Member
Heinesch, Bernard Membre du jury/Committee Member
Muller, Jean-François Membre du jury/Committee Member
Rinne, Janne Membre du jury/Committee Member
Francois, Louis Président du jury/Committee Chair
Aubinet, Marc Promoteur/Director
Mots-clés :
  • BVOC/COVB
  • isoprene/isoprène
  • monoterpenes/monoterpènes
  • methanol/méthanol
  • eddy-covariance/covariance de turbulences
  • forest ecosystem/écosystème forestier
Date de soutenance : 2012-11-29
Type d'accès : Restreint/Intranet
Résumé :

La biosphère terrestre et plus particulièrement les écosystèmes forestiers émettent de grande quantité de composés organiques volatiles (COV) qui ont un impact significatif sur les caractéristiques chimiques et physiques de l’atmosphère. Les COVs sont notamment des précurseurs dans la formation de l’ozone et des aérosols organiques secondaires. L’isoprène et les monoterpènes dominent largement les émissions totales de COVs et le méthanol est un des COVs les plus abondants dans l’atmosphère en raison de son temps de demi-vie plus élevé

par rapport aux deux premiers.

L’objectif principal de cette thèse a été d’étudier (au moyen de la technique de la covariance de turbulence et d’un spectromètre de masse par réaction de transfert de proton) les mécanismes d’émissions et/ou de dépositions de COVs (isoprène, monoterpènes et méthanol) à l’échelle d’un écosystème forestier en climat tempéré (Vielsalm, Belgique), constitué de plusieurs espèces (Fagus sylvatica, Abies alba, Picea Abies, Pseudotsuga menziessi).

La technique de la covariance de turbulence est particulièrement adaptée pour l’étude des mécanismes d’émissions/dépositions de COVs à l’échelle d’un écosystème puisqu’elle ne perturbe pas le fonctionnement de l’écosystème et qu’elle a une très bonne résolution temporelle (1/2h). Elle a été utilisée sur le site de Vielsalm pendant une période de plusieurs mois sans interruption majeure dans les mesures.

Une première campagne de mesure a été réalisée entre le début juillet 2009 et la fin novembre 2009 et une seconde a été réalisée entre la fin mars 2010 et la fin novembre 2010. Simultanément aux mesures par covariance de turbulence des échanges de VOC, les paramètres climatiques contrôlant les mécanismes d’échange ont été également mesurés. Durant ces deux campagnes, les flux de méthanol, d’acétaldéhyde, d’acétone, d’isoprène, de méthyle vinyle cétone/méthacroléine, de monoterpènes, d’acide acétique (2010) et d’acide formique (2010) ont été mesurés. Les émissions observées les plus importantes ont été celles de l’isoprène et des monoterpènes ainsi que de méthanol qui contrairement au deux premiers présentait aussi des

dépositions. Notre thèse s’est donc naturellement focalisée sur l’étude de ces trois flux, vu le rôle important que présentent ces trois composés dans la chimie atmosphérique et donc l’intérêt de la communauté scientifique à affiner les paramétrisations des modèles d’échanges écosystème/atmosphère de ces composés. L’étude des flux d’isoprène, de monoterpènes et de méthanol ont permis de rédiger trois articles originaux constituant le corps principal de cette

thèse.

En raison de l’hétérogénéité de l’écosystème étudié, la première étude indispensable a été d’identifier quelles étaient les espèces émettrices de COVs. Pour cela, un modèle d’empreinte de flux a été utilisé en combinaison avec une carte des espèces présentes sur le site. Cette analyse a mis en évidence que le principal émetteur de monoterpènes était le Fagus sylvatica et que dans une moindre importance, l’Abies alba, le Picea Abies et le Pseudotsuga menziessi

étaient également des émetteurs. Contrairement à la littérature, l’analyse a montré que l’Abies

alba était probablement un émetteur d’isoprène mais la présence de Picea Abies connu comme étant un émetteur d’isoprène n’a pas permis d’être catégorique à ce sujet.

Les flux d’isoprène ont été observés uniquement pendant le jour contrairement aux flux de monoterpènes qui ont été observés le jour et la nuit. L’analyse des flux diurnes a montré clairement que la température et la lumière sont les deux principales variables contrôlant les émissions. La combinaison de cette analyse avec l’étude de la relation étroite existante entre les émissions d’isoprène/monoterpènes et la photosynthèse ont permis de mettre en évidence les mécanismes de production biosynthétique de novo des plantes, aspect original à l’échelle d’un écosystème. La présence d’émissions nocturnes de monoterpènes a permis de déterminer que la production de novo de monoterpènes directement émise dans l’atmosphère (comme pour l’isoprène) n’était pas la seule source contribuant aux émissions observées. Le déstockage de réservoirs de monoterpènes localisés au niveau des organes des plantes ou du sol peuvent être également des sources de monoterpènes. L’étude de la relation entre les flux d’isoprène/monoterpènes et la lumière en séparant les conditions nuageuses et ensoleillées a

montré que pour une même intensité de lumière, les émissions étaient plus importantes en conditions nuageuses qu’en conditions ensoleillées. De la même manière, l’étude de la relation entre les flux d’isoprène et la photosynthèse en conditions nuageuses/ensoleillées a permis de supposer que la production de novo d’isoprène est plus importante dans les feuilles situées au-dessus du couvert végétal que les feuilles situées à l’intérieur du couvert. La mesure à long-terme des émissions d’isoprène et de monoterpènes a permis d’étudier l’évolution saisonnière de ces mécanismes observés et d’encore mieux les comprendre. En plus de la

compréhension des mécanismes, cette étude a également permis de quantifier l’évolution saisonnière des paramètres essentiels à la modélisation des émissions d’isoprène/monoterpènes.

Les échanges de méthanol ont été généralement positifs (émissions) pendant le jour et négatifs (dépostions) pendant la nuit. De manière globale, les dépositions de méthanol ont été prédominantes en été et en automne mais ont été minoritaires au printemps. En moyenne, le site

de Vielsalm s’est comporté comme un puits de méthanol ce qui va à l’encontre de toutes les autres études existantes jusqu’à présent. Un modèle original a été développé afin d’identifier les mécanismes responsables des émissions/dépostions de méthanol à court-terme et à long-

terme. La cohérence entre les mesures et les simulations du modèle a suggéré que les principaux processus contrôlant les échanges de méthanol en été pouvaient être dus, à court-terme,

à l’adsorption/désorption de méthanol (soluble dans l’eau) au niveau des films d’eau présents à la surface des feuilles et/ou présents à la surface du sol et à long-terme, dus à la destruction du méthanol par un processus de dégradation biologique et/ou chimique présent également à

la surface des feuilles et/ou du sol. L’étude de la différence entre les mesures et le modèle, au printemps, a permis de mettre en évidence la présence d’une éventuelle production biosynthétique de méthanol par les plantes. Cette production semblait être contrôlée principalement par la température mais elle n’a pas pu être mise en évidence durant l’été en raison de la dominance des processus d’adsorption/désorption de méthanol.

La littérature sur les échanges écosystèmes-atmosphère d’isoprène, de monoterpènes et, dans une moindre mesure, de méthanol est abondante. Néanmoins, l’originalité de notre étude tient à l’échelle spatio-temporelle utilisée. En effet, nous travaillons à l’échelle de l’écosystème et non de la feuille ou de la branche comme dans la plupart des études. De plus, nos mesures

couvrent une échelle temporelle allant de la demi-heure à la saison complète de végétation, ce qui reste encore très rare dans la littérature. Ceci nous à permis d’améliorer la compréhension

des mécanismes de production et d’échanges de ces composés. Plus spécifiquement, l’étude des flux de méthanol est unique à l’heure actuelle dans sa description et sa compréhension des mécanismes de dépositions.

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