Description du sujet de thèse

L’azote réactif (Nr) sous forme d’engrais joue un rôle essentiel sur la productivité des écosystèmes cultivés. Cet apport d’azote engendre l’accumulation d’azote sous de multiples formes de composés réactifs et l’augmentation des flux d’azote associés aux nombreuses réactions dans lesquelles ces composés sont impliqués. C’est ce qu’a défini Galloway et al. (Galloway et al., 2003) sous le terme de cascade de l’azote. Ainsi, les composés azotés (NH3, NOx, N2O), principalement émis par le secteur agricole, sont également des composants importants pour la chimie atmosphérique et, directement ou indirectement, pour le climat. L’ammoniac (NH3) peut réagir avec l’acide sulfurique ou l’acide nitrique pour former de fines particules (PM2.5) qui ont des conséquences sur le climat (par leurs effets radiatifs) et sur la santé. Le N2O, en tant que gaz à effet de serre, a un impact sur le bilan radiatif, et les NOx, précurseurs de l'ozone troposphérique, contribuent à détériorer la qualité de l’air. En retour, les dépôts atmosphériques d’azote sous forme réduite (NHx) et oxydée (NOx) favorisent la productivité des écosystèmes terrestres et océaniques, en agissant comme des fertilisants.
De nombreux travaux ont récemment mis en évidence la perturbation majeure du cycle de l’azote par les activités humaines au sein des différents réservoirs du système Terre (Erisman et al., 2013; Tian et al., 2020). Les études s’appuyant sur des approches de modélisation sont pour l’essentiel menées à l’échelle d’un seul réservoir (atmosphère, surfaces continentales, ou océans) avec des données d’inventaires ou issues d’autres modélisations comme contraintes aux limites du système étudié. Ces travaux provenant d’un assemblage d’études « mono-composante » peuvent être sources d’incohérence et ne permettent pas d’étudier de façon interactive les rétroactions entre grands réservoirs dans un environnement perturbé, avec le changement climatique et l’utilisation accrue d’engrais azotés. Dans le cadre de la thèse proposée, nous souhaitons donc remédier à cette limitation en développant une modélisation interactive du cycle de l’azote à l’échelle globale dans un modèle de système Terre et ainsi ouvrir de nouveaux champs d’applications.
L’objectif de cette thèse sera de quantifier les échanges d’azote entre l’atmosphère, la biosphère continentale et les océans au travers d’une modélisation intégrée. Ce travail se fera pour la période historique ainsi que pour différents scénarios futurs d’évolution socio-économique, en particulier du secteur agricole. Pour ce faire on s’appuiera sur la modélisation numérique développée à l’IPSL (Boucher et al., 2020) et en particulier sur les récents développements ayant abouti à une modélisation interactive des émissions d’ammoniac entre les composantes « surfaces continentales » (modèle ORCHIDEE) et « chimie atmosphérique » (modèle INCA) du modèle de système Terre de l’IPSL (Beaudor, 2023; Beaudor et al., 2023). Il s’agira d’étendre cette modélisation interactive aux émissions de NOx et aux dépôts atmosphériques d’azote sur les surfaces continentales et océaniques (modèle PISCES pour l’océan). Les flux d’azote simulés par cette modélisation interactive pour les différents grands réservoirs seront comparés aux estimations les plus récentes pour les dernières décennies (2000-2020). A l’aide de simulations factorielles pour lesquelles les interactions entre réservoirs seront activées/désactivées, l’ampleur des rétroactions entre atmosphère, surfaces continentales et océaniques, concernant le cycle de l’azote, sur la période historique et pour le futur proche jusqu’à l’horizon 2100 sera quantifiée. Au travers le développement de ces outils de modélisation et des simulations associées, le travail de thèse permettra de progresser dans notre connaissance de l'importance de la perturbation du cycle de l’azote et des interactions entre réservoirs. Ce travail s’inscrit dans la dynamique internationale de développement et de recherche sur ces thématiques et constitue un travail extrêmement novateur et porteur, avec une prise en compte dynamique des interactions autour du cycle de l’azote rarement intégrée à ce jour dans les modèles existants.

Contexte de travail

Tout au long de sa thèse, l’étudiant·e sélectionné·e sera accompagné·e dans son travail scientifique par l’équipe d’encadrement, et se verra également attribué·e un parrain ou une marraine, contact privilégié pour des discussions plus informelles (déroulement général de la thèse, projet professionnel, aide en cas de situation difficile, etc). De nombreux évènements sont régulièrement organisés au LSCE (séminaires hebdomadaires, animations mensuelles des thèmes du laboratoire, sessions des présentations des doctorant·es, etc) dans lesquels l’étudiant·e aura la possibilité de s’impliquer.
Ce travail sera mené au Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement (LSCE), une unité mixte de recherche CEA-CNRS-UVSQ dédiée à la mesure et à la modélisation des changements climatiques et des cycles biogéochimiques. Le LSCE fait également partie de l’Institut Pierre-Simon Laplace regroupant plusieurs laboratoires d’Ile de France autour des sciences de l’environnement, qui co-construisent en particulier le modèle de système Terre de l’IPSL. Le LSCE est situé à Saclay, à 30 km au sud de Paris, relié à Paris par le RER B et par navettes inter-entreprise. Le télétravail est envisageable en accord avec les encadrants, avec un maximum de 2 jours par semaine. Ce travail de thèse s’insère également dans le projet européen « Earth system models for the future » (ESM2025, https://www.esm2025.eu/) dont l’un des objectifs est de développer des modélisations interactives du cycle de l’azote entre les réservoirs du système Terre.

Les activités menées viseront à comprendre les interactions au sein du système Terre, en termes de flux d'azote et à évaluer l'impact de la perturbation contemporaine du cycle de l'azote. L'outil principalement utilisé durant la thèse sera le modèle de simulation numérique du Système Terre développé à l'Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL-CM, Boucher et al.), et en particulier ses composantes 'chimie atmosphérique' (modèle INCA), 'biogéochimie continentale' (modèle ORCHIDEE) et 'biogéochimie océanique' (modèle PISCES). Le travail réalisé sera valorisé sous forme de productions de simulations numériques, de publications dans des revues à comité de lecture et de présentations à des conférences internationales.

Informations complémentaires

Le poste est affecté au LSCE situé à Gif-Sur-Yvette