Parcours Système Climatique : Atmosphère, Hydrosphère, Cryosphère 1re et 2e années

Chaque année, l'humanité déverse dans l'environnement des quantités de composés chimiques, en particulier organiques, dont certains peuvent avoir un impact environnemental loin de leurs lieu d'émission (dans l'espace ou dans le temps).

L'objectif de ce cours est d'apprendre à analyser des problèmes environnementaux, à estimer les phénomènes les plus importants et à fournir des réponses approchées de premier ordre à ces problèmes. Ceci passe par :

- définir un modèle simple pour évaluer le devenir de composés chimiques dans l’environnement: modèles de boites
- résoudre ce type de modèle, si besoin numériquement (python)
- Comprendre comment / où trouver des données permettant de paramétrer ces modèles
- Connaître quelques méthodes d’évaluation des incertitudes de vos modèles numériques
- Développer un peu de bon sens environnemental

## Prérequis

- une bonne compréhension des concepts physiques de base: conservation de la masse, analyse dimensionnelle...
- maths de base: équation différentielel d'ordre 1, équations couplées.
- bases de chimie: notion de molécule, équilibre de phase, adsorption

## Langue d'enseignement

- tous les documents de cours sont disponibles en anglais et en français
- la plupart des activités se déroulent en groupe, et les groupes travaillent soit en anglais, soit en français, selon les personnes présentes - il y a toujours au moins un groupe français et au moins un groupe anglais.

Every year, mankind emits into the environment large quantities of chemical compounds, notably organic ones, some of which may have an environmental impact far from where or when they were emitted.

The primary objective of this course is to learn how to analyse environmental problems, to estimate the most important phenomena and to provide first-order approximate answers to these problems. By the end of the course, you should:

- Be able to define a simple model to evaluate the fate of chemical compounds in the environment: box models
- Be able to solve this type of model, if necessary numerically with a common tool (python)
- Understand how / where to find data to configure these models
- Know some methods for evaluating the uncertainties of your numerical model
- Develop some environmental common sense

## Prerequisites

- a good understanding of basic physical concepts: conservation of mass, dimensional analysis...
- basic math: first order differential equation, coupled equations.
- basic chemistry: notion of molecule, phase equilibrium, adsorption

## Teaching language

- all courses documents are available in both english and french
- most activities are group-based, and groups work either in english or french depending on people present - there is always at leas a french group and at least an english group

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Quelles sont les problématiques scientifiques associées à la variabilité climatique et environnementale ?
Comment se décline cette variabilité aux échelles globale, régionale et locale ?
Avec quels outils statistiques peut-on la décrire ?

Ce cours vise, par le biais de travaux pratiques sur machine, à aborder ces questions.

L'objectif est ici de pouvoir acquérir :
une culture des sciences du climat et de l'environnement
une connaissance des outils de la statistique pour décrire la variabilité climatiques et environnementale
des compétences sur plusieurs langages de traitement de données (R et Python) dans une environnement numérique ergonomique (Jupyter Notebook)

Pré-requis: Notions de programmation et de statistiques

Langage: Français et anglais

What are the scientific issues associated with climate and environmental variability?
How does this variability play out on global, regional and local scales?
With which statistical tools can we describe it?

This course aims, through practical work on a machine, to address these questions.

The objective is to acquire :
a culture of climate and environmental sciences
a knowledge of statistical tools to describe climate and environmental variability
skills in several numerical data treatment languages (R and Python) in an ergonomic programming environment (Jupyter

Prerequisites: Basic skills in programming and statistics

Language: French and English

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Ce cours en 4 parties aborde un domaine et des connaissances utiles à la fois pour les parcours Professionnel et Recherche.
1. Hydrologie physique, processus (Cédric Legoût)
L'objectif de cette partie est de comprendre la genèse et les temps caractéristiques des écoulements de l'eau et des matières associées dans les bassins versants. Sont décrits :
•les différents processus (interception, évapotranspiration, ruissellement, infiltration, percolation dans la zone non saturée des sols, écoulements souterrains saturés) contribuant aux écoulements aux exutoires des bassins versants en étiage et en crue;
•pour chacun de ces processus, les formulations empiriques et à base physique utilisées dans les approches de modélisation;
•l'intérêt de l'hydrochimie pour mieux comprendre la dynamique des processus hydrologiques.
2. Hydrologie de l'ingénieur (Théo Vischel)
L'objectif est de donner les notions hydrologiques permettant d'aborder les problématiques de prédétermination des crues dans un cadre opérationnel :
•analyse de la relation pluie-débit;
•application des méthodes de prédétermination des crues.
3. Hydraulique à surface libre et hydraulique fluviale (Matthieu De Linares)
L’objectif est de donner les éléments de mécanique des fluides utiles pour l'étude et la pratique des problèmes de l'hydraulique fluviale :
•perte de charge et courbe de remous;
•écoulements graduellement variés;
•chocs et transitions de régime hydraulique;
•gravité, inertie et frottement : écoulements non permanents à surface libre;
•transport solide et morphologie fluviale; étude de quelques impacts.
4. Hydraulique en charge (Jean-Pierre Vandervaere)
L’objectif est de présenter les conditions et lois d’écoulement dans les conduites, les circuits d’écoulement gravitaires ou de refoulement avec pompes, utiles pour l’étude de tout système hydrologique anthropisé :
•puissance hydraulique;
•pertes de charge linéaires et singulières;
•choix de turbines et de pompes;
Pré requis recommandés
Cours d’hydrologie de L3 STE-UGA ou bases en mécanique des fluides
Langue
Le cours est dispensé en français. Des compléments en anglais sont apportés si nécessaire aux étudiants non francophones.

This 4-part course covers an area and knowledge useful for both the Professional and Research tracks.
1. Process-based hydrology (Cédric Legoût)
The objective is to understand the genesis and characteristic time scales of water flows and associated matter in catchments. The following are described:
•various processes (interception, evapotranspiration, overland flow, infiltration, percolation in the vadose zone, groundwater flows);
•empirical and physically based laws used in numerical models to describe hydrological processes;
•the interest of hydrochemistry to better understand the dynamics of hydrological processes.
2. Engineering Hydrology (Théo Vischel)
The objective is to provide the hydrological concepts allowing to approach the problems of flood predetermination in an operational framework:
•rainfall runoff analysis;
•application of flood predetermination methods.
3. Open-channel flows (Matthieu De Linares)
The objective is to provide the elements of fluid mechanics useful for the study and practice of river hydraulics problems:
•head loss, swirl and eddies;
•gradually varied flows;
•hydraulic jumps and regimes;
•gravity, inertia and friction;
•solid transport and fluvial morphology.
4. Hydraulics (Jean-Pierre Vandervaere)
The objective is to present the laws used to describe flows in gravity or pumped circuits, useful for the study of any anthropised hydrological system:
•hydraulic power;
•major and minor head losses;
•choice of turbines and pumps in circuits;
Recommended prerequisites
L3 STE-UGA hydrological courses or basic fluid mechanicss
Language
The course is taught in French. Supplements in English are provided if necessary for non-French speaking students.

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La météorologie est un sujet passionnant. En raison de sa nature même, il n'est jamais constant ou ennuyeux. La météorologie générale consiste en la connaissance de la structure de l'atmosphère, des dépressions physiques guidant la distribution des variables atmosphériques, telles que la température, l'humidité, les vents, la pression et la dynamique des masses d'air entraînant des changements et des conditions météorologiques et climatiques dans différentes régions de la Terre.

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Ce cours est une introduction à la mécanique des fluides. Elle aborde classiquement des notions d'hydrostatique, de cinématique du fluide, établit l'équation d'Euler du fluide parfait, et démontre les formules de Bernoulli. Le fluide visqueux est ensuite traité, et les équations de Navier-Stokes sont établies et résolues dans des cas classiques simples (écoulement de Couette, etc.). La turbulence est abordée lors d'une séance de travaux pratiques de 3 heures, dans la soufflerie turbulente du LEGI.

Cet enseignement est enseigné sous forme d'un cours/TD de 21h accompagne d'un TP de 3h.

L'examen terminal est un devoir écrit en temps limité. Le contrôle continu est un devoir écrit à faire à la maison.

This course provides basics in fluid mechanics. This includes hydrostatic, fluid kinematics and Euler equation for ideal fluid. Bernoulli formula are then derived and examples of application are presented. The case of non-ideal fluid and Navier-Stokes formula are afterwards established. The NS equations are solved for classical simple cases (e.g. Couette flow). Turbulence is shortly introduced during a 3h practical course held in the turbulent wind tunnel of LEGI laboratory.

This course comprises 21h of CM/TD, and a 3h practical course.

The final exam is a 2h examination. The "controle continu" is a written homework.

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Préparer l’étudiant aux métiers visés par la formation, autant les métiers de chercheur que ceux de chargés d’étude dans le privé. Formulation d’un CV, entraînement aux entretiens d’embauche, la structuration d’une publication scientifique et d'un rapport d'études, la connaissance des outils de recherche et de mise en forme d’une publication, un enseignement sur le fonctionnement des bureaux d’étude et de la législation en vigueur font partie de cette préparation. Nous insistons sur le fait que les futurs thésards ou ceux qui entrent directement dans le monde du travail doivent connaître les deux mondes.

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L’atelier de rentrée vise à mettre en perspective votre projet professionnel et la variété des sciences de la terre, en s’appuyant sur des conférences, les soutenance des stages courts de la promotion précédente, et 3 jours de terrain introductif.

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Le manteau neigeux est une composante essentielle et singulière du système climatique terrestre. Il forme un interface entre l’atmosphère et le sol, lieu d’intenses échanges de masse (eau/glace), d’énergie (radiative, turbulente), et d’espèces chimiques (azote, ...). Il joue ainsi un rôle important en hydrologie de montagne (ressource en eau, …), en écologie, pour le régime thermique des sols (pergélisol), etc.

Le stage “neige et atmosphère au Lautaret” vise à observer le manteau neigeux alpin et l’atmosphère sous plusieurs angles: bilan de masse et d’énergie de la surface, nivologie, thermique, chimie. L’objectif est d’acquérir de connaissances nouvelles sur la neige et les problématiques associées ainsi que des compétences techniques et expérimentales.

Ce stage insiste sur l’autonomie et la mise au pratique avec l’utilisation d’instruments utilisés en recherche et le traitement de données afin d’aboutir à des résultats scientifiques élaborés. Vous serez en groupe de 3, et conduirez un grand nombre d’observations pendant le stage, puis les traiterez pour enfin présenter l’ensemble sous forme de posters, ce qui constitue l’examen final.

Le stage se déroule chaque année fin février ou début mars au Col du Lautaret (2100 m.a.s.l) sur 6 jours, pendant lesquels vous aborderez:

- cartographie de l’épaisseur du manteau neigeux (GPS, GPR, 2 x 0.5 jour)
- étude manteau neigeux: puit de neige, stratigraphie, métamorphisme (2 x 0.5 jour)
- régime thermique (0.5 jour).
- albédo de l anieg et bilan d’énergie (0.5 jour).
- ozone atmospherique (0.5 jour).
- optique de la neige (0.5 jour).
- traitement de données et interpretation (0.5 jour)

Ce stage est aussi ouvert à des étudiants/professionals internationaux (Master, PhD), selon les places libres, et est une bonne occasion d’ouverture dans un cadre magnifique et sympathique.

Pré-requis : Connaissances de base en physique de l'environnement

Langue(s) : Français

The snowpack is an essential and unique component of the Earth's climate system. It forms an interface between the atmosphere and the ground, a place of intense exchanges of mass (water/ice), energy (radiative, turbulent), and chemical species (nitrogen, ...). It thus plays an important role in mountain hydrology (water resources, etc.), in ecology, in the thermal regime of the soil (permafrost), etc.

The course "Snow and atmosphere at Le Lautaret" aims at observing the alpine snow cover and the atmosphere from several angles: mass and energy balance of the surface, nivology, thermics, chemistry. The objective is to acquire new knowledge on snow and associated problems as well as technical and experimental skills.

This internship emphasizes autonomy and practical application with the use of instruments used in research and data processing in order to achieve elaborate scientific results. You will be in groups of 3, and will conduct a large number of observations during the internship, then process them to finally present the whole in the form of posters, which constitutes the final exam.

The course takes place every year at the end of February or the beginning of March at the Col du Lautaret (2100 m.a.s.l) over 6 days, during which you will address

- snowpack thickness mapping (GPS, GPR, 2 x 0.5 days)
- snowpack study: snow wells, stratigraphy, metamorphism (2 x 0.5 days)
- thermal regime (0.5 day).
- albedo of the anieg and energy balance (0.5 day).
- atmospheric ozone (0.5 day).
- snow optics (0.5 day).
- data processing and interpretation (0.5 day)

This course is also open to international students/professionals (Master, PhD), depending on available places, and is a good opportunity to open up in a beautiful and friendly environment.

Recommended prerequisites :
Basic knowledge of environmental physics

Language(s) : French

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L’objectif de cet enseignement est de faire comprendre le réacteur chimique qu’est l’atmosphère pour décrire les principales pollutions qui l’affectent.

La première partie du cours est constituée par des rappels concernant la structure de l’atmosphère et sa composition en insistant sur la diversité de cette composition. Les notions de puits, de source et de temps de vie sont également rappelées et illustrées par des exemples atmosphériques où les temps de vie sont mis en regard des temps de transport qui peuvent être observés dans les différentes couches atmosphériques. L’importance des situations d’inversion de température dans l’instauration des épisodes de pollution est illustrée avec des exemples de pollution concernant, notamment, le bassin grenoblois.

Dans une deuxième partie, les moyens de quantifier les processus (dépôts, réactions chimiques ou photochimiques) responsables de l’élimination ou de la formation des principaux polluants atmosphériques sont décrits: unités, cinétique chimique et photochimique appliquée à l’atmosphère, calcul de concentrations, etc.

Les différents types de pollution que peut subir l’atmosphère sont enfin abordés :

-        Les différents types d’épisode de pollution de l’air

-        Notion réglementaires : ASQAA, seuils d’information et d’alerte, mesures publiques de régulation …

-        Pollution particulaire et aspects de santé publique

-        Pluies acides et SMOG de Londres

-        Pollution urbaine à l’ozone (SMOG photochimique)

-        Couche d’ozone et trou d’ozone : un exemple de pollution globale

La dernière séance de cours est destinée à préparer le mini-stage de 4 jours qui a lieu dans le courant du mois de mars. L’objectif de ces 4 jours est de permettre aux étudiants, regroupés en binômes ou trinômes, de réaliser la mesure de certains parmi les polluants les plus représentatifs des zones urbaines : ozone, oxydes d’azote et composés organiques volatils. Au-delà des mesures qui pourront être réalisées, notre objectif, au travers de ce mini-stage, est de faire prendre conscience des particularités et difficultés que peuvent représenter les mesures environnementales en général et celles atmosphériques en particulier. Le mode opératoire permettant de réaliser les prélèvements atmosphériques et les analyses est fourni aux étudiants qui auront par ailleurs tout loisir de définir eux-mêmes les questions auxquelles ils souhaitent répondre avec les mesures qu’ils réaliseront (nombreuses possibilités pour la mesure d’un polluant donné).

Pré-requis : Il est conseillé -mais pas obligatoire- d’avoir suivi l’UE Géochimie Organique du semestre 7. Les connaissances requises en chimie n’excèdent pas celles enseignées au lycée ou en première année de Licence.

Langue(s) : Français

The objective of this teaching is to make understand the chemical reactor that is the atmosphere to describe the main pollutions which affects it.

The first part of the course is made up of reminders concerning the structure of the atmosphere and its composition by insisting on the diversity of this composition. The notions of sink, source and lifetime are also recalled and illustrated by atmospheric examples where the lifetimes are compared to the transport times that can be observed in the different atmospheric layers. The importance of temperature inversion situations in the establishment of pollution episodes is illustrated with examples of pollution concerning, in particular, the Grenoble basin.

In a second part, the means to quantify the processes (deposition, chemical or photochemical reactions) responsible for the elimination or formation of the main atmospheric pollutants are described: units, chemical and photochemical kinetics applied to the atmosphere, calculation of concentrations, etc.

Finally, the different types of pollution that can affect the atmosphere are discussed:

- The different types of air pollution episodes

- Regulatory concepts: ASQAA, information and alert thresholds, public regulation measures...

- Particulate pollution and public health aspects

- Acid rain and SMOG in London

- Urban ozone pollution (photochemical SMOG)

- Ozone layer and ozone hole: an example of global pollution

The last class is intended to prepare the 4-day mini-internship that will take place in March. The objective of these 4 days is to allow the students, grouped in pairs or triples, to carry out the measurement of some of the most representative pollutants of urban areas: ozone, nitrogen oxides and volatile organic compounds. Beyond the measurements that can be carried out, our objective, through this mini-course, is to make people aware of the particularities and difficulties that environmental measurements in general and atmospheric measurements in particular can represent. The operating mode allowing to carry out the atmospheric samples and the analyses is provided to the students who will have moreover any leisure to define themselves the questions which they wish to answer with the measurements which they will carry out (many possibilities for the measurement of a given pollutant).

Prerequisites: It is recommended -but not mandatory- to have followed the Organic Geochemistry course in semester 7. The required knowledge in chemistry does not exceed that taught in high school or in the first year of the Licence.

Language(s) : French

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Le stage hydrologie-hydrométéorologie se déroule en Ardèche et s’appuie sur les bassins versants expérimentaux du Gazel et de la Claduègne, suivis en continu depuis 2011 dans le cadre de l’Observatoire Hydrométéorologique Méditerranéen Cévennes-Vivarais (http://www.earth-syst-sci-data-discuss.net/essd-2016-32/) pour la compréhension des processus conduisant à la formation des crues éclairs. À travers une dizaine d’ateliers organisés par groupe de 5 à 6, les étudiants ont l’occasion de mettre en pratique certains cours théoriques, de tester des applications de l’hydrologie opérationnelle et de se familiariser avec une étude intégrée du bassin versant qui associe l’hydrologie, la météorologie, la pédologie, la géophysique, la géochimie, l’écologie et la géomorphologie. Les ateliers sont animés par des enseignants-chercheurs et des chercheurs de l’Observatoire des Science de l’Univers de Grenoble (http://www.osug.fr/), en particulier de l’Institut des Géosciences de l’Environnement (http://www.ige-grenoble.fr/).

Les objectifs sont de : i) se confronter à des mesures in situ dans un environnement changeant et des conditions météorologiques variables pour répondre à des questionnements de type « travaux pratiques » dans un contexte où les mesures effectuées servent à enrichir la base de données du site d’observation et des projets de recherche en cours sur le site ; ii) se constituer une vision globale du fonctionnement d’un bassin versant incluant le cycle de l’eau, les flux de matière et d’énergie associés à l’eau et les liens avec le monde du vivant (biodiversité).

Le rendu du stage se fait sous la forme d’un rapport de stage collectif d’une trentaine de pages (un rapport rendu par chaque groupe) constitué de compte-rendu des ateliers suivis pendant le stage et d’une note de synthèse individuelle reflétant le fonctionnement hydrologique du bassin de la Claduègne tel qu’il a été perçu par chaque étudiant(e) à l’issu du stage de terrain.

This hydrology trainee course occurs on the ‘Gazel’ and ‘Claduègne’ watershed sites in the French Ardèche department. To note that the landscapes are appreciated not only from hydrologists but also from tourists of the entire planet. The investigated watersheds are monitored since 2011 by the ‘Observatoire Hydrométéorologique Méditerranéen Cévennes-Vivarais’ (http://www.earth-syst-sci-data-discuss.net/essd-2016-32/) for a better understanding of the processes leading to the flash floods, and associated improvement of their prediction. Teaching occurs on site in small group (5-6 students) workshops and combines both theoretical and practical training and on-site hypothesis testing. Teaching focuses on an integrated understanding approach, that means the transmission of watershed-relevant hydrological, meteorological, pedological, geophysical, geochemical, ecological and geomorphological knowledge. Courses are performed by the staff of observatory researchers and professors (http://www.osug.fr/) in their respective domain of their specialized knowledge, the Environmental Geosciences Institute (http://www.ige-grenoble.fr/) is specifically involved.

Langue d’enseignement / Teaching language: french, with english support, see the ‘Hydroressource’ main page.

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En géosciences, il est extrêmement important de quantifier la précision des mesures des variables environnementales utilisées pour une analyse plus approfondie. La question importante qui se pose à chaque personne qui réalise des mesures est la suivante: "Comment comparer différentes mesures et comment gérer les incertitudes de différents systèmes d'observation?" Cette question a un lien direct avec les outils statistiques (estimation des erreurs, quantification de la signification statistique à l'aide de tests paramétriques et non paramétriques, analyse de corrélation, etc.) largement utilisés en géosciences. Dans ce module, nous fusionnerons la théorie et la pratique pour fournir une vision de bout en bout de l'estimation de la précision des mesures.

Une application pratique de cette vision sera proposée autour de l’instrumentation hydro-climatologique, et particulièrement de la mesure du débit des rivières. Nous verrons les équipements et les méthodes permettant la construction de chroniques temporelles de débit (mesure de hauteur, jaugeages, courbe de tarage), en détaillant les incertitudes associées à chaque étape.

In geosciences it is critically important to quantify the accuracy of measurements of environmental variables used for further analysis. Important question, coming to every people performing measurement is, ‘How you can compare different measurements and how to handle with the uncertainties of different observational systems’? This question has a direct link to statistical tools (errors estimation, quantification of statistical significance using parametric and non-parametric tests, correlation analysis, etc.) widely used in geosciences. In this module we will merge the theory and practice for providing end-to-end vision of the estimation of accuracy of measurements.

A practical application of this vision will be proposed around hydro-climatological instrumentation, and particularly the measurement of river flow. We will see the equipment and the methods allowing the construction of time-series of discharge (measurement of height, gauging, rating curve), by detailing the uncertainties associated with each stage.

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Introduction théorique et pratique à l’observation de la Terre depuis l’espace et aux Systèmes d’Information Géographique (SIG). Analyse, traitement avec le logiciel libre QGIS. Les cours sont associés à des TP en salle informatique sur le logiciel QGIS. A cela s'ajoute la réalisation d'un projet (parmi une liste de sujets proposés par les enseignants) en petit groupe d'étudiants, pour lequel les étudiants peuvent être aidés par un enseignant durant trois séances de 3h en salle informatique.

La structure du cours est la suivante :

la première partie est commune à tous les étudiants (de janvier à février, jusqu'au vacances d'hiver)

+ Introduction aux SIG
+ introduction aux bases de la télédetection
+ Méthodes de classification

La deuxième partie du cours dépend du parcours suivi par les étudiants :

Pour les parcours de type Terre Solide :

+ Télédétection et SIG appliqués à la géologie.
+ Télédétection et SIG appliqués à la géophysique
+ Télédétection et SIG appliqués aux surfaces continentales
+ Télédétection et SIG appliqués à la planétologie

Pour les parcours de type Enveloppe Fluide :

+ Télédétection et SIG appliqués aux surfaces continentales/
+ Télédétection et SIG appliqués aux Modèle Numérique de Terrain :
+ Télédétection et SIG appliqués à l'atmosphère.
+ Télédétection et SIG appliqués à l'océan.

Dans cette deuxième partie, en parallèle de ces enseignements, les étudiants font un projet personnel en petit groupe pour avec un encadrement sur 3 séances de 3h (soit 9h).

L'évaluation se fera sur la base d'un rendu écrit sur le projet et d'un examen écrit final couvrant l'ensemble des cours et des TP.

Prérequis recommandés : Licence en sciences.

Langues d’enseignement: Anglais.

This course offers a broad and practical introduction to Earth Observation from space and to Geographic Information System (GIS). The course works on a basis of 3h lecture associated to 3h of practical class using the free software QGIS. In addition, student have to do a project in small group (2-3 students) using QGIS, for which they can have support from an instructor during 3 sessions of 3h each in computer room.

The structure of the courses is the following:

The first part is common to all the students

+ Introduction to GIS
+ Basics of Remote Sensing
+ Classification methods

The second part of the course depends of the program followed by the students:

for Geophysics, Geodynamics, Georesources and Geohazards programs:

+ Remote-Sensing and GIS applied to geology
+ Remote-Sensing and GIS applied to geophysics
+ Remote-Sensing and GIS applied to continental surfaces
+ Remote-Sensing and GIS applied to planetology

for Hydro-resources and Atmosphere-Climate-Continental Landmass programs:

+ Remote-Sensing and GIS applied to continental surfaces
+ Remote-Sensing and GIS applied to Digital Elevation Surface
+ Remote-Sensing and GIS applied to atmosphere
+ Remote-Sensing and GIS applied to Ocean.

During the second part of the course, student have to do a project in small group (2-3 students) using QGIS, for which they can have support from an instructor during 3 sessions of 3h each in computer room.

Evaluation will be based on a written report about the project, and a final written exam covering all the lectures and practicals.

Language(s) : English

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Ce module s'intéresse à l'archivage environnemental exploitable à partir des carottes de glace ainsi que de ses particularités. Les conditions requises pour un bon archivage sont passées en revue permettant d' insister sur non seulement les conditions de préservation de l'archive, mais aussi et surtout la nécessité de pouvoir correctement dater ces carottes. Cette dernière condition résulte de la dynamique de l'écoulement de la glace et apparait comme  la plus restrictive. Elle donne l'occasion de s'intéresser aux différentes dynamiques d'écoulement suivant le contexte (glacier alpin, calotte polaire, surface, fond..) et d'appréhender toute une palette d'outils pour en rendre compte allant des formulations analytique dans le cas simple d'un dôme jusqu'aux modèles numériques complexes. Certains cas simples (dômes) sont traités sous forme de TD au cours desquels une datation de la célèbre carotte de Dôme Concordia peut se calculer et donner des résultats très proches de la réalité. Une autre partie du module est consacrée à la diversité de l'enregistrement (chimie, gaz piégés, isotopes) et les implication en terme de collecte sur le terrain et des informations climatiques et/ou environnementales pouvant être déduites. Une attention toute particulière est portée sur le thermomètre isotopique.

Cours en Français


This course deals with the wealth and specificity of the environmental archiving contained in ice cores. Required conditions for a good preservation of the archive and more importantly for a good dating of the cores are assessed. The conditions for a proper dating highly depends on the dynamical context (Alpine-type glacier or ice sheet, top or bottom regions within the ice ..) and leads to ice flow modeling issues. A whole range of models (from analytical approaches in case of domes  to more sophisticated numerial flow models elsewhere) is reviewed. A specific illustration is proposed under the form of the  computation of the age-depth relationship for the Dome Concordia core which, despite an analytical expression, already allows for very realistic results. The diversity of the ice recording is also presented (chemistry, isotopes, trapped greenhouse gases..) with en emphasis on the acquisition protocols in the field as well as the kind of climatic and/or environmental information than can be deduced.
Special attention is paid to the isotopic thermometer.

Teaching langage : French

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L'objectif de ce cours est de comprendre les principes et la mise en application des méthodes de machine learning (apprentissage automatique, une des branches de l'intelligence artificielle) dans le cadre des géosciences. Pour cela, nous introduirons les concepts, les principaux usages en géosciences (détection/compréhension de phénomènes naturels à partir d'imagerie satellitaire, de séries temporelles, etc), les principaux problèmes traités (Régression, classification et apprentissage non-supervisé) ainsi que les principales méthodes (forêts aléatoires, PCA..). Pour finir, nous introduirons de façon succinte les méthodes d'apprentissage profond (deep learning).

Le but premier de ce cours est de savoir utiliser par soi-même ces outils, de comprendre les principaux verrous, mais aussi d'en comprendre les limites. Pour cela, le module s'appuie sur 12h de TP en langage Python.

Pré-requis:
Notions de base en programmation Python, ainsi qu'en mathématiques.

Langues: Anglais, Français

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The objective of this course is to understand the principles and the application of machine learning methods (one of the branches of artificial intelligence) in the context of geosciences. To do so, we will introduce the concepts, the main uses in geosciences (detection/understanding of natural phenomena from satellite imagery, time series, etc.), the main problems addressed (regression, classification and unsupervised learning) as well as the main methods (random forests, PCA..). Finally, we will briefly introduce deep learning methods.

The main goal of this course is to know how to use these tools by oneself, to understand the main problems, but also to understand their limits. For this, the module is based on 12 hours of practical work in Python.

Pre-requisites:
Basic knowledge of Python programming and mathematics.

Languages: English, French

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Environmental flows lecture aims at introducing geophysical fluid dynamic and showing how mechanistic approaches are commonly applied to describe the flows. The atmospheric boundary layer (ABL) is presented as an example, It is associated with its boundary conditions, namely the energy budget at the surface and the geostrophic circulation at the top.

1. Introduction and surface boundary conditions for ABL
2. Mathematical decription of ABL
3. Introduction to turbulence
4. Similarity theory
5. Measurements in ABL

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L'objectif de "Environmental Records" est de comprendre les principes et la mise en œuvre de méthodes classiques de sédimentologie, chimie isotopique, minéralogie et biologie (DNA, pollen, chironomes, diatomées) appliquées à l'étude de divers enregistrements paléoenvironnementaux (sediment, peat, loess,..) pour reconstituer le paysage de l'Holocène, les migrations végétales et humaines, le changement climatique.
Le but est de reconstruire sur tout l'Holocène la qualité des eaux, la biologie du bassin versant, les paysages, les pollutions de l'eau et de l'air, la direction des courants marins et des vents et de reconstituer ainsi l'avènement depuis l'age du bronze de l'Anthropocène

Le module s'appuie sur une série de cours/exemples appliqués et inclut la réalisation d'un travail personnel sur un sujet choisi dans une liste large de thématique, ou sur un sujet autre défini avec l'étudiant(e) et les encadrants, avec rapport écrit et d'un exposé oral.

Pré-requis recommandés: Base de géochimie, et notions de géologie et sédimentologie

Langue d'enseignement:En français, avec slides en anglais

The objective of "Environmental Records" is to understand the principles and implementation of classical methods of sedimentology, isotope chemistry, mineralogy and biology (DNA, pollen, chironomids, diatoms) applied to the study of various paleoenvironnemental records (sediment, peat, loess,..) to reconstruct Holocene landscape, plant and human migration, climate change.
The aim is to reconstruct the quality of water, the biology of the catchment area, landscapes, water and air pollution, the direction of marine currents and winds throughout the Holocene and thus to reconstruct the advent of the Anthropocene since the Bronze Age

The module is based on a series of applied lectures/examples and includes a personal project on a topic chosen from a wide range of themes, or on another topic defined with the student and the supervisors, with a written report and an oral presentation.

Recommended prerequisites: Basic geochemistry, and notions of geology and sedimentology

Language of teaching: In French, with slides in English

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This course is given in English (or in French if all students are french speaking).

The course is a physical approach of the climatic change at the global level, in line with the Working group I of the IPCC .

The lectures (about 33-36h) give an overview of climate change causes and mechanisms at the global level. They are given by researchers of the IGE laboratory (**), and some visitors if any. Topics covered by these lectures are the following (they may slightly change depending on researchers availability):

- A global view of the surface warming, and its relationship with climatic forcings;

- Climatic sensitivities; scenarios of future warming;

- Extreme climatic events;

- Paleoclimatic variations and what they tell us on mechanisms;

- Modelling climate, from 1D to 3D models;

- A regional model, application to the mountain climate.

Students have a practical project to discuss a dataset, with the goal to get some grasp on what the data can tell us, their uncertainty, bias, etc. Outputs are both a written and an oral presentations of the results.

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The course will be teached in french, it can be given in english if requested

This course aims at providing a general background in glaciology focusing on qualitative (review of all forms of ice on Erath) as well as quantitative aspects (model description, various computational exercices).

A first part is dedicated to a rather comprehensive description of the various forms of ice and their environmental impacts (interactions with the climate system and more generally on the environment like sea level for instance). A focus is proposed on sea ice owing to its high sensitivity to climate warming expressing nowadays under the form of a pronounced retreat in the Arctic. A small exercice  is proposed to understand and simply reproduce the formation of sea ice. Water ressources in connection with the cryosphere are also considered. Ice mechanics and their consequences on the ice flow via ice flow models are then treated with an emphasis on the archiving process in ice cores where optimal conditions, notably for datation purposes, are addressed.

A second part (equivalent in size to the first) is dedicated to snow as such. There, the detailed structure of the snow crystals is proposed along with its evolution through time as a result of local conditions leading to the so-called snow metamorphism with environmental implications (radiative properties, mechanical stability..). The climate role of snow is emphasized through its radiative properties and is tackled  with the help of surface energy balance models.

A third part consists of an active participation from the students during which they work on a bibliographic study under the supervision of one scientist from IGE. After choosing one  or several scientific publications on selected glaciological topics, each tandem presents an oral synthesis to all other groups which serves as a basis for the continuous evaluation (contrôle continu).

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Les écoulements dans l’atmosphère, dans les océans, dans les atmosphères des planètes géantes, dans le noyau liquide de la Terre, et même dans les étoiles, présentent deux ingrédients communs essentiels pour leur dynamique: (1) la rotation globale à laquelle ils sont soumis, qui se traduit par la force de Coriolis; et (2) la stratification du fluide en couches de densité variable, soumis à un champ de gravité. Ces deux caractéristiques changent radicalement la dynamique des fluides, donnant naissance à de nouveaux équilibres et à de nouvelles ondes ou instabilités.

L’objectif de cette UE est de définir les concepts clés, de donner les outils nécessaires à l’étude de ces systèmes, et de donner un sens physique à ces écoulements qui défient souvent l’intuition forgée par la vie quotidienne.

Après une introduction à la dynamique des fluides, une première partie se focalise sur l’effet de la rotation, de manière générale puis dans le cas particulier d’écoulements en couches minces, pertinente pour la modélisation des écoulements océaniques et atmosphériques. Une part importante de ces enseignements est dédiée à l’étude d’ondes rencontrées dans les écoulements géophysiques (ondes inertielles et de gravité, ondes de Rossby). Une seconde partie se focalise sur l’effet de variations de densité : convection thermique (instabilité de Rayleigh-Bénard), instabilités des écoulements parallèles cisaillés stratifiés, courants de densité visqueux (glaciers, coulées volcaniques) ou turbulents (courants de densité atmosphériques, courants de turbidité, coulées pyroclastiques). Pour chaque phénomène, des exemples spécifiques sont donnés et la théorie est détaillée.

Langue d’enseignement: Français ou anglais

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The flows in the atmosphere, in the oceans, in the atmospheres of the giant planets, in the liquid core of the Earth, and even in stars are specific essentially by two aspects: (1) the global rotation to which they are subjected, which is reflected in the Coriolis force; and (2) the stratification of the fluid into layers of varying density, subject to a gravity field. These two characteristics radically change the behavior of fluids. The objective of this course is to define the key concepts, to give the necessary tools to study these systems, and to give a physical meaning to these flows which often defy intuition.

After an introduction to fluid dynamics, a first part focuses on the effect of rotation, in a general way and then in the particular case of thin layers, relevant for the modeling of oceanic and atmospheric flows. An important part of the course is dedicated to the study of waves encountered in geophysical flows (inertial and gravity waves, Rossby waves). A second part focuses on the effect of density variations: thermal convection, viscous density currents (glaciers, volcanic flows) or turbulent currents (atmospheric density currents, turbidity currents, pyroclastic flows). For each phenomenon, specific examples are given and the theory is detailed.

Teaching language: French or english

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Ce cours décrit les processus de transfert de l’énergie solaire et terrestre à travers les milieux de l’environement et notamment l’atmosphère pour des applications en climat (effet de serre) et en télédétection spatiale et terrestre. Sur le plan théorique, il s’agit d’introduire les variables radiatives (luminance, irradiance, albedo, emissivité), les processus d’absorption et de diffusion, l’equation du transfert radiative, le corps noir et le bilan d’énergie des surfaces.

Tous ces éléments théoriques permettront de comprendre et quantifier le phénomene d’effet de serre dans les détails et particulièrement comprendre le rôle différent que joue le CO2 et la vapeur d’eau.

Ces mêmes outils seront utilisés en télédétection spatiale pour comprendre comme les propriétés des surfaces (sol, neige, eau, glace) influencent les signaux enregistrés par satellite, et en retour comment ces signaux peuvent être utilisés pour quantifier les propriétés de surface.

Dans un deuxième temps, le cours couvrira une application en détail : l’utilisation des radar météorologiques pour estimer les taux de précipitations et autres informations liés à l’hydrométérologie.

Une troisième partie consistent en un projet SIG (9h) réalisé par chaque étudiant independamment visant à s’améliorer sur le logicial de Système d’information Geographique (QGIS) pour réaliser des cartes numériques et des analyses quantitatives. Ce projet se différencie du projet de Master 1 par un usage plus avancé de QGIS et eventuellement l’utilisation de Python pour réaliser des traitements géospacieux massifs

Dans l’ensemble ce cours se destine aux etudiants voulant approfondir leur connaissance en télédétection spatiale and terrestre (de façon quantitative) et sur le fonctionnement du climat (bilan d’énergie). Il est aussi pertinent pour les instrumentatilistes qui utiliseraient des sources lumineuses, microonde ou infrarouge pour sonder l’environnement (laser, GPR, caméra thermique, ...)

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A new course that will follow the one in the 2nd semester of the first year, but that can also be chosen by students with previous experience in the field. A detailed description will be posted later, in the meantime look at the corresponding UE of the first year.

Ce cours présente les principales méthodes d'apprentissage profond pertinentes pour les applications des sciences de la Terre, où le traitement des séries temporelles et des images (parfois bruitées, incomplètes) et la prévision sont des problèmes de routine. Cela inclut par exemple les réseaux neuronaux convolutifs, les réseaux neuronaux récurrents et les réseaux génératifs.

Pré-requis : Idéalement : Introduction à l'apprentissage automatique en sciences de la Terre, cours de la première année de Master STPE. Sinon : bonne connaissance de Python, notions de base en calcul différentiel et algèbre linéaire.

Langues : Anglais, Français

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L'objectif de ce cours orienté projet est d'approfondir, selon le choix de l'étudiant, un ou plusieurs aspects vus dans les cours "Modélisation numérique", "Traitement avancé du signal", "Assimilation de données" et "Advanced Machine learning" (selon votre parcours tout ou partie de ces options sont proposées) sur un projet réalisé en autonomie avec un enseignant-référent sur un sujet particulier.

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The objective of this project-oriented course is to deepen, according to the student's choices, one or more aspects seen in the "Numerical Modeling", "Advanced Signal Processing", "Advanced Machine Learning" and "Data Assimilation" (note that depending on your parcours / path, not all these courses may be accessible) courses on a project carried out in autonomy with a teacher-referent on a particular subject.

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• Objectifs
  • Être en mesure de produire des données spatialisées par le biais de diverses méthodes, par exemple sur le bassin versant.
  • Comprendre les notions de météorologie (circulation générale, thermodynamique, précipitations) et de climatologie (modèle climatique, scénario de changement climatique) requises pour la prévision hydrologique.
  • Être sensibilisé à la nécessité de tenir compte des non stationnarités (climatiques ou changement d’occupation du sol) lors de la prévision hydrologique à long terme et la gestion de la ressource en eau.
  • Être capable d’utiliser des techniques récentes pour la prévision hydrologique à diverses échéances.

   

• Contenu

  Une approche en lien avec la recherche est privilégiée dans le cadre de ce module d’approfondissement. Il comporte ainsi 3 parties :

  1. Météorologie et climatologie.
  2. Géostatistique et données spatialisées.
  3. Prévision et gestion de la ressource en eau dans un contexte non stationnaire.

   

• Evaluation

  Session normale / First session
  Evaluation rattrapable (ER) / ER assessment : devoir surveillé écrit de 3h / 3 hours supervised written exam
  Evaluation non rattrapable (EN) / EN assessment : 3 comptes rendus de BE / 3 Lab reports

   

• Langue : Anglais

   

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L'objectif de cette UE est de présenter l'ensemble des connaissances nécessaires à la compréhension du cycle continental de l'eau. Les variables, leurs liens entre elles et les méthodes de mesure sont présentées. Les équations de transfert et d'infiltration verticale sont présentées ensuite ainsi que quelques cas d'étude particuliers. Une séance TP porte sur un sujet à approfondir au choix parmi deux.

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Le cycle de l’eau est intimement couplé au changement climatique (et plus généralement aux changements globaux) et ce à toutes les échelles de temps et d'espace. Après une introduction sur les évolutions du cycle hydrologique continental constatées et attendues au niveau global; et sur les méthodes associées (détection, attribution, projection); le cours se concentrera sur la déclinaison des évolutions (et de leurs impacts et des possibles stratégies d'adaptation) à des échelles plus fines dans différentes régions du monde. Cette seconde partie se fera principalement sous forme de TD/TPs.

Pré-requis recommandés: Des notions en climat/météorologie/hydrologie. Une expérience pratique de programmation et/ou d’analyse numérique/statique des données séries environnementales (par exemple l’UE Climatic and Environmental variability)

Langue d'enseignement: Français

The water cycle is tightly coupled to climate change (and more generally to global changes) at all time and space scales. After a brief introduction on the observed continental hydrological cycle changes at the global level; and on the associated methods (detection, attribution, projection); the course will focus on these changes (and their impacts and possible adaptation strategies) at finer scales in different regions of the world. This second part will be done mainly in the form of TD/TPs.

Recommended prerequisites: Some background in climate/meteorology/hydrology. Practical experience in programming and/or numerical/statistical analysis of environmental data series (e.g. Climatic and Environmental variability EU)

Language: French

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L'objectif de cette UE est de former les étudiants aux méthodes numériques utilisées pour résoudre les équations aux dérivées partielles classiques des sciences de la Terre, avec des méthodes de type différences-finies, élements finis, methodes spectrales, ... Cette UE s'articule autour de cours magistraux théoriques présentant les méthodes et leur propriétées numériques, et des travaux pratiques de mise en oeuvre sur des problèmes pratiques simples. La mise en pratique sur des problèmes plus complexes et l'approfondissement des méthodes sera abordé dans l'UE orientée projet "Computing and data analysis Project"

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The objective of this course is to train students in the numerical methods used to solve the classical partial differential equations of the Earth sciences, with methods such as finite difference, finite element, spectral methods, ... This course is structured around theoretical lectures presenting the methods and their numerical properties, and practical work on simple practical problems. The practical application on more complex problems and the deepening of the methods will be approached in the project-oriented UE "Computing and data analysis Project".

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After a short introduction to the observations of the worlds oceans in the past and present, the forces acting on the ocean are discussed. We will then see how the forcing put the water masses of the ocean into motion. An important question is: how can the forcing, which acts on the surface of the ocean influence the motion in the deep ocean? This leads to a discussion of the two principal types of basin scale ocean circulation: the gyre and the overturning circulation. We then discuss small scale processes of the ocean dynamics including their importance on the large scale ocean circulation.

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Introduction to surface and internal gravity waves in fluids. Nonlinear and dissipative effects and associated wave impact on the medium. Wave-current interaction. Examples in natural media (such as coastal waters).

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Le cours introduit des bases théoriques et méthodologiques pour la résolution de problèmes d’assimilation de données (inversion de données distribuées dans le temps) en sciences de la Terre. Les méthodes principalement abordées sont le filtre de Kalman (canonique et d'ensemble), le filtre particulaire, et le 4DVar. Il est produit sous forme de cours magistraux interactifs incluant la présentation et la manipulation d’exercices sous forme numérique en python. En fin de cours, les étudiant·es sont en capacité de :

• poser un problème d'assimilation de données simple et mettre en oeuvre une méthode de résolution ;

• communiquer avec des experts d'assimilation pour progresser vers la résolution de problèmes complexes.

Langue : français ou anglais 

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The course introduces theoretical and methodological foundations for solving data assimilation problems (inversion of time-distributed data) in the Earth sciences. The main methods covered are the Kalman filter (canonical and ensemble), the particle filter, and the 4DVar. It is produced in the form of interactive lectures including the presentation and manipulation of exercises in numerical form in Python. At the end of the course, students will be able to :

• pose a simple data assimilation problem and implement a solution method

• communicate with data assimilation experts to progress towards solving complex problems.

Language: French or English

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Physics of the Atmospheric Boundary Layer: role in the climate system, vertical structure and simple models. Microphysics of cloud formation and of aerosols. Impact of aerosols on air quality and climate.

The atmospheric boundary layer in complex terrain, for stable (wintertime) and unstable (summertime) conditions. Application to air quality from an operational view point.

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Ce stage doit a minima être réalisé durant 6 semaines. Il a vocation à découvrir le milieu professionnel, entreprise ou laboratoire de recherche, dont les thématiques sont en lien avec les objectifs de chaque parcours.

This internship must be carried out for at least 6 weeks. It aims to discover the professional environment, business or research laboratory, whose themes are linked to the objectives of each course.

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Ce stage a une durée minimale de 4 mois et constitue la finalisation du projet de master de chaque étudiant. Il peut servir comme passerelle d'entrée dans le monde professionnelle ou préparatoire à un doctorat. Il doit être en lien proche du parcours de master choisi. 

This internship has a minimum duration of 4 months and constitutes the finalization of each student's master's project. It can serve as a gateway to the professional world or preparatory to a doctorate. It must be closely linked to the chosen master's course.

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