Options interdisciplinaires

Options interdisciplinaires

Des options interdisciplinaires sont proposées, afin d’élargir les horizons scientifiques des étudiants. Chaque étudiant choisit trois cours de 26 heures parmi les 10 options proposées. Ces cours sont répartis sur trois semestres pour un total de 9 ECTS. Ces cours seront aussi ouverts aux doctorants inscrits à l’école doctorale SDU2E et qui participent au programme TESS. Téléchargez le descriptif de toutes les options interdisciplinaires ici.

Météorologie de l’espace

EUTES1B1
Semestre impair

Gabriel FRUIT
gabriel.fruit@irap.omp.eu
05 61 55 66 79

Illya PLOTNIKOV
illya.plotnikov@irap.omp.eu
05 61 55 77 50

Le développement de technologies modernes utilisant un nombre croissant de satellites a rendu l’activité humaine beaucoup plus sensible aux perturbations de l’environnement spatial de la Terre, lui-même fortement influencé par l’état d’humeur du Soleil.

Si le champ magnétique terrestre constitue une excellente barrière au flot continu de particules chargées – le vent solaire – émis par notre étoile, il s’avère moins efficace pour contrer les bulles de plasma que le Soleil expulse régulièrement dans l’espace. Lorsqu’une telle bulle frappe la Terre, d’importantes perturbations électromagnétiques affectent toute l’enveloppe spatiale de la planète allant

de l’orbite géostationnaire jusqu’au sol en passant par l’atmosphère. Ces tempêtes magnétiques peuvent provoquer des ruptures dans les systèmes de communication ou de navigation, des pannes de courant ou bien endommager les satellites eux-mêmes…

Le but de ce cours est de comprendre l’origine de ces perturbations majeures de l’atmosphère solaire, leur propagation jusqu’à la Terre et enfin de prévoir leur impact sur l’état de l’atmosphère-ionosphère. Pour ce faire, on utilisera les outils de diagnostic développés par les chercheurs de l’IRAP dans le cadre du Centre de Données de la Physique Plasma (CDPP : www.cdpp.eu).

Exoplanètes

EUTES1B2
Semestre impair

Florian DEBRAS
florian.debras@irap.omp.eu
05 61 33 28 26

Med KECHIDI
med.kechidi@univ-tlse2.fr
05 61 50 49 45

A travers ce cours, nous étudierons la physique et les mathématiques liées aux exoplanètes tout en se plaçant dans le contexte historique des notions de systèmes planétaires et de leurs observations. C’est un cours partagé entre des historiens et des physiciens, permettant aux étudiants de comprendre la révolution des exoplanètes commencée en 1995, à la fois scientifiquement et en tant que société.

Nous commencerons par détailler la physique du mouvement des exoplanètes et comment on peut les détecter. Cela sera mis dans le contexte historique de la notion de système planétaire et comment cette notion est arrivée jusqu’au consensus d’aujourd’hui. Nous étudierons la diversité des caractéristiques physiques d’exoplanètes, ce qui nous permettra de comprendre que, si la comparaison avec le système solaire est utile,

elle peut être limitante pour étudier ces nouveaux mondes.

A partir de là, nous utiliserons des vraies données d’instruments scientifiques pour détecter des exoplanètes. Nous lierons cela à une perspective historique de l’Observatoire des Midi Pyrénées, et notamment du site d’observation du Pic du Midi où va être installé un instrument pour détecter et caractériser les exoplanètes. Enfin, nous étudierons l’intérieur et les atmosphères des exoplanètes, et ce que nous pouvons en apprendre depuis la Terre.

Les composantes scientifiques et historiques de ce cours seront donc intégrées dans un ensemble logique, permettant de comprendre la place de la Terre dans notre galaxie et de l’astronomie dans notre société.

Observation de la croûte, de la surface et des ressources de la Terre et des planètes

EUTES1B3
Semestre impair

Pierre-Yves MESLIN
pmeslin@irap.omp.eu
05 61 55 66 72

Mary-Alix KACZMAREK
mary-alix.kaczmarek@get.omp.eu
05 61 33 25 99

L’exploration de la surface des croûtes planétaires combine aujourd’hui une diversité d’observations à échelle globale ou régionale, grâce aux observations satellite ou aéroportées, qui permettent d’obtenir des données de composition chimique, minéralogique et des données géophysiques (topographie, champ gravitationnel, sismicité, etc.).

Cette approche à grande échelle est complétée par des observations à échelle locale et à échelles macro- et microscopique (analyses d’échantillons en laboratoire ou à distance grâce à des robots). Dans le cadre de cette UE, nous discuterons de la façon par laquelle cette variété d’observations des croûtes et surfaces planétaires désormais disponibles peut être intégrée pour répondre à des questions fondamentales sur l’évolution des planètes, telles que leur différentiation,

la formation de leur croûte, leur évolution climatique, l’altération de leur croûte, l’évolution de leurs paysages, l’estimation de leurs ressources.

Cette UE débutera par une introduction générale sur l’accrétion et la formation des planètes telluriques. Elle sera ensuite articulée autour de quatre grands thèmes scientifiques que nous aborderons avec les connaissances actuelles, en utilisant une approche multi-disciplinaire combinant interprétation de données géophysiques, pétrologiques, géochimiques, minéralogiques, géomorphologiques, atmosphériques, etc. Les planètes les plus connues car les plus étudiées sont la Terre et Mars. Par conséquent elles sont des cibles prioritaires pour cette UE, bien que d’autres planètes et la Lune puissent être évoquées.

Le cycle de l’eau

EUTES1B4
Semestre impair

Guillaume RAMILLIEN
guillaume.ramillien@get.omp.eu
05 61 33 30 95

Alexei KOURAEV
kouraev@legos.obs-mip.fr
05 61 33 29 37

L’objectif est ici d’introduire les nombreux outils de télédétection et de modélisation qui permettent de faire un suivi du cycle de l’eau au travers de ses différents compartiments : les eaux continentales, l’eau atmosphérique, humidité des sols et la cryosphère. Et nous montrerons aussi les bases des modèles de prévision ou des systèmes d’alertes sur différents exemples qui iront de l’échelle globale aux mesures in situ.

La gravimétrie satellitaire est une nouvelle approche pour étudier l’hydrologie globale. Elle est utilisée pour améliorer le résultat de la surveillance des changements spatiaux et temporels du cycle de l’eau. « Gravity

Recovery & Climate Experiment » (GRACE) et son successeur « GRACE-Follow On » détectent les minuscules variations de gravité dues aux redistributions de la masse d’eau à l’intérieur des enveloppes fluides de la Terre (atmosphère, océans, stockage de l’eau continentale), et avec une résolution sans précédent.

Les principales applications de GRACE pour les échelles spatiales de plus de 200 à 300 km comprennent l’évaluation du bilan de masse du stockage de l’eau terrestre, des variations des stocks d’eaux souterraines et de l’évapotranspiration, mais aussi l’analyse des sécheresses et la fonte des glaciers en réponse au réchauffement climatique.

Contaminants, polluants et perturbations anthropiques

EUTES1B5
Semestre impair

Jérôme VIERS
jerome.viers@get.omp.eu
05 61 33 26 24

Gaël LE ROUX
gael.leroux@ensat.fr
05 34 32 37 79

Le cours proposera une mise en perspective dans l’espace et dans le temps de l’impact de l’Homme sur son environnement, sur la base d’outils innovants (e.g. isotopes, télédétection) et permettra aux étudiants d’élargir leur expertise à travers une vision interdisciplinaire des problématiques liées aux pollutions par les microplastiques, le mercure ou aux pratiques agricoles.

En 1995, Paul Crutzen (Prix Nobel de chimie) et son collègue biologiste Eugene Stoermer, ont introduit le terme Anthropocene pour décrire la période dans laquelle nous vivons, et qui a commencé à la fin du 18ème siècle. L’introduction couvrira cette période, sous un angle à la fois historique et expérimental. Après cette introduction, le cours sera divisé en trois parties consacrées à des problématiques environnementales majeures ou des méthodes d’approche innovantes.

La première intervention sera consacrée aux microplastiques et nanoplastiques, qui constituent la face invisible de la pollution globale en plastique. L’utilisation massive de plastique, la défaillance du traitement des déchets associés et le développement des objets à usage unique a conduit à une dispersion massive des micro et nanoplastiques dans l’environnement. Le cours présentera tout d’abord les microplastiques, leurs méthodes de détection, leur origine, leurs modes de dispersion et leur impact potentiel sur la santé et les écosystèmes. Le cour sera complété par des travaux pratiques avec analyse d’échantillons réels, quantification des flux de microplastiques sur la côte Atlantique, l’agglomération toulousaine ou encore les Pyrénées.

La seconde intervention sera consacrée au mercure. Le mercure est un élément naturel particulier en ce sens

qu’il est un métal lourd présent à la fois sous forme liquide et gazeuse à température ambiante. Le mercure gazeux est émis par les volcans, mais aussi par les activités humaines (activité minière, combustion). Le mercure atmosphérique est transféré dans les écosystèmes aquatiques (y compris les océans), où il prend la forme toxique de méthylmercure par l’intermédiaire des microorganismes. Le méthylmercure s’accumule ensuite dans la chaîne alimentaire, atteignant des niveaux toxiques chez les prédateurs tels que les oiseaux marins, les poissons, les mammifères marins et l’Homme. Le cours présentera une vision globale du cycle biogéochimique du mercure, des perturbations anthropiques et de la toxicité du mercure, de l’utilisation de l’isotopie du mercure pour comprendre ce cycle, et discutera brièvement du lien entre changement climatique et cycle du mercure. Les travaux pratiques incluront l’analyse du mercure dans les poissons et les cheveux humains comme marqueurs de risques d’exposition.

La dernière intervention le sera consacrée à la détection et la quantification des contaminants et du stress chimique par télédétection optique des surfaces végétalisées. La première partie du cours sera consacrée à l’impact des contaminations sur les paramètres biophysiques et biochimiques à l’échelle de la plante comme de la couverture végétale (espèce et assemblage, densité). La deuxième partie du cours sera consacrée à la mesure optique (du terrain au satellite) et au lien entre variables biophysiques et biochimiques. Les mesures spectrales seront détaillées. Enfin, la dernière partie se focalisera sur la méthode de caractérisation de la végétation par télédétection (modélisation, classification, régression) dans l’objectif de détecter et quantifier les stress ou les modifications des espèces.

Continuum Terre-Océan impacté par l’homme

EUTES1B6
Semestre impair

Isabelle DADOU
isabelle.dadou@legos.obs-mip.fr
05 61 33 29 54

Maria-Angela BASSETTI
maria-angela.bassetti@univ-perp.fr
04 68 66 17 47

Principaux processus du continuum rivière-littoral-océan-atmosphère (physique, biogéochimie) et principaux impacts humains/anthropiques, mesures et instruments (physique et biogéochimie). Précision, limites, difficulté d’utilisation dans cet environnement complexe, solutions de traitement, algorithme et perspectives, étalonnage et validation des données satellitaires utilisées, complémentairement entre capteurs (radars, radiomètres, ect), complémentairement avec des observations in situ (in situ, drone, ect) (lien avec les core courses), produits dérivés, modélisation, Applications (voir ci-contre).

Principaux processus, outils et analyses via différentes applications sur ce continuum terre-océan impacté par l’homme.

Par exemple : séries chronologiques du niveau d’eau, débit, étendue des zones inondables ; variation des niveaux d’eau des rivières, échange le long du continent – rivière – lagune – zone côtière – océan ; salinisation de lagune côtière et infiltration d’eau de mer, eau et pollution (plastiques, etc.) ; influence des marées, catastrophes naturelles (tremblements de terre, incendies, inondations, tsunamis, etc.), topographie des zones côtières, niveau de la mer côtière avec les effets combinés marées/tempêtes/vagues/inondations, érosion côtière, transport des sédiments, productivité, eutrophisation, anoxie, acidification, impact du couplage et de la rétroaction avec l’atmosphère (précipitations, etc.), Gestion des ressources dans ces zones frontières entre continent et océan.

Géodésie spatiale : détection des changements du système terre

EUTES2B1
Semestre pair

Alvaro SANTAMARIA
alvaro.santamaria@get.omp.eu
05 61 33 46 16

Felix PEROSANZ
felix.perosanz@cnes.fr
05 61 33 28 96

De nombreux processus physiques à l’intérieur de la Terre solide, dans l’atmosphère, les océans, l’eau continentale et les calottes glaciaires produisent de petites variations de la forme de la Terre, de sa rotation et de son champ de gravité. Il est essentiel de mieux comprendre ces processus et leurs interactions pour comprendre le système terrestre et, en particulier, la menace des géorisques et du changement climatique sur la société. La géodésie spatiale ressort aujourd’hui comme une science indispensable à la compréhension du système terrestre.

Cette unité comprend un examen exhaustif des observations les plus récentes issues de diverses techniques de géodésie spatiale complémentaires, incluant les systèmes de navigation par satellite (tels que GPS et Galileo), les mesures laser et Doppler, les radiotélescopes et la gravimétrie spatiale. L’étudiant pourra acquérir les connaissances de base nécessaires pour l’interprétation des changements observés de plusieurs processus fondamentaux du système Terre au travers de recherches menées internationalement avec ces techniques d’observation : leur utilisation, leurs capacités, mais aussi leurs limites.

Introduction à la géodésie spatiale : description de la science géodésique, les objectifs, le contexte historique et l’évolution des techniques d’observation.

Déformation de la croute terrestre : description des observations les plus précises de la déformation récente de la Terre à différentes échelles temporelles et spatiales.

Variations de la rotation terrestre : description des observations historiques et modernes des variations de la rotation de la Terre, leurs causes et les liens avec les processus géophysiques.

Systèmes de référence géodésiques : description des différents systèmes et repères de référence géodésiques et leur utilisation en sciences de la Terre.

Variations du champ de pesanteur terrestre : description des variations observées du champ de pesanteur de la Terre depuis l’espace.

Centre de masse de la Terre et l’aplatissement dynamique : description de l’impact de la redistribution des masses fluides sur le déplacement du centre de masse et la forme de la Terre.

Le cycle du carbone : sources, puits, transport et perturbations anthropiques

EUTES1B2
Semestre pair

Dominique SERÇA
serd@aero.obs-mip.fr
05 61 33 27 04

Frédéric GUÉRIN
frederic.guerin@get.omp.eu
05 61 33 26 66

Les transferts de carbone seront explorés à l’échelle du bassin versant depuis l’atmosphère jusqu’à l’océan, en considérant la consommation de CO2 atmosphérique par la végétation, son transfert vers les sols sous forme de matière organique (litière, racines, biomasse microbienne) puis vers l’océan après transport et transformation dans les écosystèmes aquatiques. Dans chaque compartiment de la zone critique (sol, eaux souterraines, eaux de surface, sédiments, atmosphère), le carbone organique et inorganique subit des transformations sous l’effet combiné de l’activité microbienne et du changement des conditions physico-chimiques ce qui conduit à sa séquestration partielle (précipitation, sédimentation) et à l’émission de gaz à effet de serre (GES) (dioxyde de carbone et méthane). L’impact de l’activité anthropique (modification de l’occupation du territoire) sera illustré par la modification du cycle du carbone lié à implantation d’un réservoir hydroélectrique.

Les cours seront focalisés sur les méthodes de terrain et s’appuieront sur des cas d’études liés à différents aspects du cycle du carbone. Les étudiants auront accès à un ensemble d’outils utilisés en recherche fondamentale pour étudier les questions environnementales en lien avec la biogéochimie du carbone atmosphérique, des eaux de surface, des eaux souterraines, des sols et des sédiments.

Les étudiants apprendront à collecter, analyser, traiter et valider les données à l’aide de différentes méthodes.

Ils apprendront à combiner approches théoriques, méthodologiques et naturalistes pour acquérir une expertise qualitative et quantitative sur le cycle du carbone terrestre et les processus biogéochimiques associés.

  • Cycle global du carbone dans les rivières, lacs et zones humides, cycle du carbone dans les réservoirs hydroélectriques
  • Introduction aux processus diagénétiques précoces (réactions redox liés à l’activité bactérienne)
  • Le cycle du carbone dans les sols – observations et théories
  • L’analyse du carbone et des GES, métrologie des flux de GES
  • Changement climatique / description générale des systèmes carbonatés / séquestration du CO2 /(bio)minéralisation du CO2
  • Utilisation des radionucléides (séries de l’U et du Th) comme traceurs géochimiques pour quantifier les flux et comme géochronomètres pour estimer les échelles de temps des processus mis en jeu

Les cours en salle seront complétés par du travail sur le terrain (échantillonnage et mesures in situ) et par du travail en laboratoire (expérimentation et mesures)

Suivi du fonctionnement et de la dynamique des éco-systèmes à partir de méthodes au sol et de télédétection

EUTES2B3
Semestre pair

Eric TABACCHI
eric.tabacchi@univ-tlse3.fr
05 61 55 89 23

Manuela GRIPPA
manuela.grippa@get.omp.eu
05 61 33 29 87

L’objectif principal de cet enseignement est de fournir des éléments fondamentaux du suivi des écosystèmes et de leur fonctionnement, accessibles à des étudiants de cursus variés (depuis l’astrophysique à la géologie ou l’écologie). L’identification spatiale et dynamique des écosystèmes s’appuie sur les concepts de fonctionnement et de services naturels se référant à des jeux de données précis contribuant à la délimitation, au suivi et à la modélisation de ces systèmes complexes. De nombreux outils, depuis les capteurs de télédétection jusqu’aux capteurs locaux ou à l’expertise scientifique de terrain, sont disponibles pour construire de tels jeux de données. Les étudiants apprendront comment associer des aspects structurels (physionomie, biodiversité) et fonctionnels (processus relatifs au recyclage de la matière et aux flux d’énergie et d’information) au sein d’une même démarche multi-scalaire, afin de mesurer, expliquer et prédire les conséquences des changements environnementaux sur les cycles biophysiques et les services rendus par les écosystèmes. Une attention particulière sera portée sur les interactions entre l’inerte et le vivant et aux boucles de rétroactions régulant ce couplage. Cet enseignement apportera un socle de connaissance sur les mesures écologiques avec un regard critique sur les instruments, les concepts et le processus analyse-interprétation,

en insistant sur l’actualité des recherches et des activités techniques dans le cadre du concept de Zone Critique ainsi que celui des systèmes d’observation à long terme.

L’enseignement inclura :

  • Une introduction théorique sur les principes de fonctionnement et de dynamique des écosystèmes, incluant les rétroactions bio-géomorphologiques et bio-géochimiques
  • Une présentation des capteurs et de leurs performances sous l’angle des aspects technologiques et écologiques
  • Une session de terrain (Région Occitanie) visant à illustrer les méthodes de calibration et d’utilisation des capteurs locaux ou déportés (télédétection)
  • Des exercices pratiques utilisant des technologies d’avant-garde pour relier les observations au sol avec les données spatiales, sur les thématiques adressées lors du stage de terrain
  • Des conférences spécialisées illustrant des démarches technologiques ou de recherché spécifiques

Modélisation numérique avancée

EUTES2B4
Semestre pair

Yves MOREL
yves.morel@legos.obs-mip.fr
05 61 33 30 55

L’objectif du module est d’approfondir les connaissances enseignées dans les cours de master 1 (SUTS, STPE et SOAC notamment) sur la modélisation numérique des équations d’évolution (équations de diffusion ou d’advection de chaleur). Les étudiants apprendront à construire un programme pour représenter l’évolution d’un processus physique spécifique. Différents processus peuvent être choisis, et une liste sera proposée aux étudiants au début du cours, mais par exemple, l’étudiant construira un programme pour représenter la convection (dans le manteau terrestre, dans les étoiles ou dans les couches limites océaniques ou atmosphériques). Les étudiants apprendront également à lire les données calculées par le programme et à les représenter graphiquement afin d’analyser le processus physique.

Le cours sera construit comme un TP au cours duquel chaque étudiant (groupé par paires) élabore ses propres programmes.

Les programmes seront développés sur des ordinateurs portables fournis par l’Université et équipés de logiciels adéquats : Linux; FORTRAN / C ++; Matlab / Python. Ainsi, les étudiants apprendront également quelques notions de base sur ces langages de programmation. Le cours sera un mélange de présentations et de TP où les étudiants développent leurs codes pour aborder un problème physique spécifique qu’ils ont choisi. Une liste provisoire des concepts de modélisation numérique qui seront abordés est donnée ci-dessous, mais elle sera adaptée aux étudiants en fonction de leur niveau de connaissances initiales.

Nous commencerons le module par quelques rappels des concepts de base sur la modélisation numérique et les langages de programmation, mais les étudiants qui suivent ce cours en profiteront vraiment s’ils ont déjà abordé certains aspects de programmation (voir « pré-requis » pour les étudiants ci-contre).

Chaque binôme d’étudiants choisira une étude de processus spécifique dans une liste et utilisera les résultats de ses simulations pour la comprendre. Les études de processus possibles sont :

  • Convection (dans le manteau terrestre, dans les étoiles ou dans l’océan / l’atmosphère)
  • Ondes acoustiques / sismiques
  • Ondes de gravité internes
  • Solitons (ondes solitaires)
  • Instabilité de Kelvin-Helmholtz (croissance de la perturbation)
  • Ajustement géostrophique
  • Développement d’upwelling

Chaque processus sera brièvement décrit au début du cours pour aider les étudiants à choisir leur processus spécifique.

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