Les abondances atmosphériques du dioxyde de carbone et du méthane augmentent progressivement, modifiant probablement le climat global de l'atmosphère. Bien que ces effets soient très étudiés dans la troposphère, ils le sont peu dans l'atmosphère moyenne (20 - 120 km) où ils pourraient avoir un impact plus facilement détectable. Nous nous intéressons en particulier à la mésosphère/basse thermosphère (MLT), où apparaissent de plus en plus souvent des nuages mésosphériques polaires (PMC). La MLT est sensible au niveau d'activité solaire, qui varie selon un cycle de onze ans. Nous évaluons les impacts de ces deux changements anthropiques et de ce cycle naturel sur la température et la chimie de la MLT. Pour ce faire, nous participons au développement d'un modèle bidimensionnel de l'atmosphère : SOCRATES. Ce modèle calcule interactivement les moyennes zonales des vents, de la température et de la composition chimique de l'atmosphère en fonction de la latitude (85°S-85°N) et de l'altitude (0-120 km). Avant de nous intéresser au changement global, nous avons dû améliorer SOCRATES pour qu'il reproduise au mieux la situation chimique, dynamique et thermique actuellement observée. Nous avons ainsi modifié la résolution du système chimique; développé une nouvelle paramétrisation de l'absorption par O2 du rayonnement solaire ultraviolet à Lyman- (121.6 nm) [Chabrillat et Kockarts, 1997] ; créé une approximation des sources thermosphériques de NO; paramétrisé le forçage dynamique par déferlement des ondes de gravité pour reproduire de manière très réaliste les observations actuelles de température dans la MLT ; et développé un algorithme pour prendre en compte non seulement la diffusion turbulente mais aussi la diffusion moléculaire. Tous ces développements sont décrits en détail, et leurs effets sur la physico-chimie de la. MLT sont analysés. Les concentrations chimiques calculées par le modèle sont comparées avec succès à des observations - en particulier de l'ozone et du radical hydroxyle. Nous étudions ensuite en détail l'impact du cycle solaire de onze ans sur la MLT. Une analyse complète du budget thermique nous permet d'établir, par exemple, que la raie Lyman- est responsable de la moitié du réchauffement entre SOLMIN et SOLMAX. Nous évaluons alors la sensibilité de la MLT à un doublement (théorique) de l'abondance de C02. Nous trouvons qu'aux hautes latitudes et en été, zone d'apparition des PMC, cet effet est très faible. Puis nous réalisons une simulation où le méthane est ramené à son niveau préindustriel. L'accroissement de CH4 depuis cette époque est responsable, non seulement de l'augmentation de la vapeur d'eau dans l'atmosphère moyenne, mais aussi d'un léger refroidissement dans la MLT. Cet effet est maximal dans les régions polaires et en été, là où les deux autres sont minimaux. Nous concluons par une grande simulation intégrée de l'évolution du climat et de la chimie de l'atmosphère moyenne au cours du XXIe siècle. Nous trouvons qu'au niveau d'apparition des PMC, la tendance au refroidissement est plus faible que partout ailleurs. Par contre, la vapeur d'eau augmente plus rapidement en été qu'en hiver. Ces calculs fournissent des indices pour réconcilier les observations plus fréquentes des PMC avec une synthèse des températures mesurées dans l'été arctique, selon laquelle les températures n'auraient pas varié depuis quarante ans.

Nous passons en revue les problèmes actuels de la physique solaire et de la météorologie de l'espace (Space Weather) pour montrer à quel point il est important de comprendre le comportement et l'origine du champ magnétique de la couronne solaire qui émerge à travers la chromosphère. Il est montré que les modèles hydrostatiques à 1D sont insuffisants pour décrire l'extension de la chromosphère au delà de 2Mm et les modèles empiriques sont encore loin d'expliquer ce phénomène. Toutes les méthodes classiques essayées pour mesurer l'épaisseur et la forme de la chromosphère sont soigneusement analysées, en particulier les méthodes absolues qui utilisent le disque entier du Soleil observés dans les raies chromosphériques. Les principales sources de distorsions dues aux instruments et à l'atmosphère terrestre sont étudiées et des valeurs numériques de l'effet de la réfraction différentielle R.D. sont données, ainsi que les paramètres pour effectuer les observations du bord solaire. Des mesures précises des variations de l'épaisseur de la chromosphère sont analysées en utilisant toutes les observations disponibles (en dehors des régions actives), y compris quelques données originales mais limitées obtenues avec le meilleur coronographe de l'Observatoire NSO - Sacramento Peak au Nouveau-Mexique (USA). Nous présentons de nouvelles valeurs de l'épaisseur de la chromosphère solaire en utilisant une méthode relative pour le minimum et pour le maximum du cycle des taches solaires, prouvant que l'ovalisation de la chromosphère solaire varie et que son origine est magnétique. Dans l'avenir pour collecter plus de données systématiques, un instrument efficace a été développé au Laboratoire Solaire de l'Université de Luanda est ici décrit et quelques résultats du prototype sont illustrés.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Le réseau magnétique consiste en un ensemble de petites concentrations de flux magnétique sur la photosphère solaire. Vu sa petite échelle de taille et de flux, à la limite de détection, son comportement n'est connu que depuis récemment. Les interactions du réseau sont pourtant cruciales afin de comprendre la dynamo et l'irradiance solaires, car beaucoup de caractérisques du réseau dépendent de ces interactions. De plus, le réseau est la principale contribution magnétique surfacique à l'irradiance solaire. Les modèles existants du réseau ne tenaient jusqu'à maintenant pas compte des interactions du réseau. Nous avons tenté de combler cette lacune avec notre modèle. Nos simulations impliquent une marche aléatoire en 2D de tubes de flux magnétiques sur la photosphère solaire. Les tubes de flux sont injectés puis soumis à des règles de déplacement et d'interaction. L'injection se fait à deux échelles, respectivement la plus petite et la plus grande observables: les tubes de flux élémentaires et les taches solaires. Des processus de surface imitant ceux observés sont inclus, et consistent en l'émergence, la coalescence, l'annulation et la submergence de flux. La fragmentation des concentrations n'est présente que pour les taches, sous forme de désintégration libérant des tubes de flux. Le modèle est appliqué au cycle solaire 21 (1976-1986, le mieux documenté en termes de caractéristiques de taches solaires. Il en résulte des réponses à deux questions importantes en physique solaire. La première est: l'injection de flux magnétique à deux échelles très distinctes peut-elle conduire à une distribution de flux en loi de puissance comme on l'observe, si l'on inclut des processus de surface qui retraitent le flux? Cette question est étroitement liée à l'origine de la dynamo solaire, qui pourrait produire ladite distribution. Nous trouvons qu'on peut effectivement produire une telle distribution avec ce type d'injection et ce type de processus de surface. Cela implique que la distribution de flux observée ne peut servir à déterminer quel type de dynamo opère dans le Soleil. La deuxième question à laquelle nous avons apporté un élément de réponse est celle à savoir combien de temps il faut au réseau pour retrouver son état d'activité de base. Cet état a été observé lors du minimum de Maunder en 1645-1715 et touche de près la question de l'influence de l'activité solaire sur le climat terrestre. Le récent minimum d'activité est considéré par certains comme ayant atteint cet état. Nous trouvons plutôt que ça n'a pas été le cas. En effet, le temps de relaxation du réseau que nous avons calculé est supérieur au temps écoulé entre la fin du dernier cycle solaire d'activité et celui de l'amorce du présent cycle. / The magnetic network is an ensemble of small magnetic flux concentrations on the solar photosphere. Given its small scale in size and flux, at the detection limit, its behavior has only been known since recently. The network's interactions are crucial in understanding the solar dynamo and the solar irradiance, as many network characteristics depend on these interactions. The network is the main surface magnetic contribution to the solar irradiance. The extant models of the network so far did not consider interactions. We have attempted to remedy this failing with our model. Our simulations involve a random walk in 2D of magnetic flux tubes on the solar photosphere. The flux tubes are injected, then undergo displacement and interaction rules. Injection occurs on two scales, the smallest and the largest observable respectively: elementary flux tubes and sunspots. Surface processes are included which imitate the ones observed: emergence, coalescence, cancellation and submergence of flux. Fragmentation of concentrations only happens for sunspots, as disintegration releasing flux tubes from the spot. The model is applied to solar cycle 21 (1976-1986), the best documented in terms of sunspot characteristics. Two important questions in solar physics have been answered with this model. The first pertains to whether flux injection at two very distinct flux scales can lead to a flux distribution in the shape of a power law, as observed, in the presence of surface mechanisms which reprocess the flux. This question is tied to the origin of the solar dynamo, which could produce (or not) this distribution. We find that it does produce the aforementioned distribution. This implies that the observed flux distribution cannot be used to constrain the type of dynamo operating in the Sun, because the surface flows can equally well produce the observed flux distribution. The second question is how long the network takes to return to its baseline activity level during a prolonged activity minimum. This state was observed during the Maunder minimum in 1645-1715 and bears strongly on the relationship between solar activity and Earth climate. The recent activity minimum is considered by certain authors to have reached the baseline state of solar activity. However, we find that this was not the case. The network relaxation time we calculate is longer than the duration of the last minimum.

Les glaces polaires, en plus d'améliorer notre compréhension du climat, donnent accès aux retombées de béryllium-10 (10Be), isotope d'origine cosmogénique formé par l'interaction du rayonnement cosmique et des hautes couches de l'atmosphère. Son taux de production dépend de l'intensité du rayonnement cosmique primaire, qui est modulé par l'activité solaire et le champ magnétique terrestre. Le 10Be contient donc des informations sur ces deux paramètres. Il a permis, entre autres, l'amélioration des chronologies des carottes de glace grâce à des marqueurs stratigraphiques absolus liés à des évènements remarquables du champ géomagnétique comme l'excursion de Laschamp ou l'inversion de Brunhes-Matuyama.EPICA Dome C (75° 06' S, 123° 21' E) est une carotte de glace de 3270 m de long forée en Antarctique Est. Elle offre un enregistrement climatique complet durant les 800 000 dernières années (kyr BP). Dans le cadre de cette thèse, 2200 échantillons de 10Be ont été mesurés entre 2384 m (269 kyr BP) et 2627 m (355 kyr BP) de profondeur. Cette séquence continue offre, d'une part, la possibilité d'étudier l'activité solaire durant la période interglaciaire du Stade Isotopique Marin (MIS) 9.3, où la résolution atteint ~20 ans. Nos résultats contrastent avec ceux durant l'Holocène, avec l'absence remarquée du cycle de de Vries (210 ans) dans notre profil de 10Be. D'autre part, cette séquence nous a permis de vérifier que l'estimation classique de l'accumulation de neige obtenue par les modèles de datation de carottes de glace est correcte à 20% près lors de la succession des cycles glaciaires – interglaciaires.Ces mesures ont été combinées avec celles précédemment effectuées sous la responsabilité de Grant Raisbeck (publication en préparation). Ceci permet de disposer d'un profil continu et détaillé (résolution de 20 à 250 ans) entre 200 et 800 kyr BP sur la carotte de glace EPICA Dome C. Les variations de flux de 10Be observées se comparent bien aux changements d'intensité du champ géomagnétique enregistrés dans les sédiments marins. À partir de cette observation, il est possible de proposer une synchronisation de ces profils afin de les placer sur une échelle d'âge commune. Les déphasages observés entre l'augmentation de température en Antarctique (augmentation du D à EDC) et la hausse du niveau marin global (baisse du 18O marin des archives sédimentaires) n'excèdent pas 3200 ans excepté à la Terminaison VII. La faible résolution des enregistrements de 18O dans les sédiments marins rend l'analyse des déphasages délicate. Les résultats obtenus encouragent à analyser des périodes plus récentes autour de la Terminaison II, incluant les excursions géomagnétiques de Blake et d'Iceland Basin. Ceci permettrait en effet de contraindre plus fortement la synchronisation entre le signal paléomagnétique dans les sédiments marins et le flux de 10Be à EDC. / The polar ice cores, in addition to improving our understanding of the climate, give access to beryllium-10 (10Be) fallout, an isotope of cosmogenic origin created by the interaction of Galactic Cosmic Rays with the upper atmosphere. Its production rate depends on the intensity of the primary cosmic rays, which are modulated by solar activity and the Earth's magnetic field. 10Be therefore provides information on these two parameters. It has allowed, among others, the improvement of ice cores chronologies thanks to absolute stratigraphic markers linked to remarkable events of the geomagnetic field as the Laschamp excursion or the Brunhes-Matuyama reversal.EPICA Dome C (75° 06' S, 123° 21' E) is a 3270~m ice core drilled in East Antarctica. It offers a complete climate record over the last 800 000 years (kyr BP). In the framework of the PhD, 2200 10Be samples were measured between 2384 m (269 kyr BP) and 2627 m (355 kyr BP) deep. This continuous sequence provides, on the one hand, the opportunity to study the solar activity during the interglacial period of the Marine Isotope Stage (MIS) 9.3, where the resolution reaches ~20 years. Our results contrast with those during the Holocene, with the noted absence of the de Vries cycle (210 years) in our 10Be profile. On the other hand, this sequence allowed us to verify that the classical estimate of snow accumulation obtained by the dating models of ice cores is correct to within 20% during the succession of glacial – interglacial cycles.These measurements were combined with those previously performed under the responsibility of Grant Raisbeck (publication in preparation). This allows to dispose of a continuous and detailed profile (resolution: 20 to 250 years) between 200 and 800 kyr BP on the EPICA Dome C ice core. The observed 10Be flux variations compare well with changes in the intensity of the geomagnetic field recorded in marine sediments. From this observation, it is possible to propose a synchronization of these profiles in order to place them on a common age scale. The observed phase shifts between the rise of temperature in Antarctica (increase of D at EDC) and the rise of global sea level (decrease of marine 18O from marine sediments) do not exceed 3200, except at the Termination VII. The low resolution of the 18O records from marine sediments makes it difficult to analyze the phase shifts. The obtained results encourage to analyze more recent periods around Termination II, including the Blake and Iceland Basin geomagnetic excursions. Indeed, this would allow to constrain more strongly the synchronization between the paleomagnetic signal in marine sediments and the 10Be flux at EDC.

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Le calcul des flux organiques dérivant du bassin versant et de la production lacustre du Petit Lac<br />d'Annecy a été réalisé sur une carotte sédimentaire recouvrant les 6000 dernières années, en combinant deux<br />méthodes analytiques : l'une pétrographique (palynofaciès) et l'autre géochimique (pyrolyse Rock Eval). La<br />calibration des marqueurs organiques a été effectuée en caractérisant les différents types de matière organique<br />(MO) sur leurs sites de production (colonne d'eau, substrats géologiques et pédologiques du bassin versant).<br />L'évolution des marqueurs organiques a permis de montrer que l'on pouvait scinder les derniers 6000<br />ans en deux périodes durant lesquelles l'Homme a influé ou non sur les apports sédimentaires organiques.<br />- Du Néolithique final jusqu'au milieu du Moyen-âge, l'action de l'Homme sur le couvert végétal - déforestations<br />et mises en culture – n'a pas de conséquence directe sur les variations des flux sédimentaires organiques que l'on<br />estime directement dépendantes des fluctuations climatiques.<br />- A partir de 1100 cal. AD, période correspondant à l'implantation monastique dans les Alpes, on observe une<br />augmentation des flux sédimentaires allochtones, qui passent du simple au quadruple et qui coïncident avec une<br />phase intense de déforestation et de mise en culture C'est également le cas des flux de MO d'origine lacustre<br />soulignant ainsi l'impact de l'Homme sur le niveau trophique du lac.<br />Bien que l'impact de l'Homme soit important à partir de 1100 cal. AD, les flux organiques entre 1100<br />cal. AD et aujourd'hui varient également en fonction des variations climatiques du Petit Age Glaciaire. C'est en<br />particulier le cas des flux de MO lacustre, sensibles aux variations de température et/ou à la luminosité. Les<br />minima de production lacustre coïncident précisément avec les minima d'activité solaire (Wolf, Maunder, Dalton<br />et Spörer). Les mêmes concordances entre production lacustre et activité solaire sont observées de 3800 cal. BC<br />à 1100 cal. AD.

Les glaces polaires, en plus d'améliorer notre compréhension du climat, donnent accès aux retombées de béryllium-10 (10Be), isotope d'origine cosmogénique formé par l'interaction du rayonnement cosmique et des hautes couches de l'atmosphère. Son taux de production dépend de l'intensité du rayonnement cosmique primaire, qui est modulé par l'activité solaire et le champ magnétique terrestre. Le 10Be contient donc des informations sur ces deux paramètres. Il a permis, entre autres, l'amélioration des chronologies des carottes de glace grâce à des marqueurs stratigraphiques absolus liés à des évènements remarquables du champ géomagnétique comme l'excursion de Laschamp ou l'inversion de Brunhes-Matuyama.EPICA Dome C (75° 06' S, 123° 21' E) est une carotte de glace de 3270 m de long forée en Antarctique Est. Elle offre un enregistrement climatique complet durant les 800 000 dernières années (kyr BP). Dans le cadre de cette thèse, 2200 échantillons de 10Be ont été mesurés entre 2384 m (269 kyr BP) et 2627 m (355 kyr BP) de profondeur. Cette séquence continue offre, d'une part, la possibilité d'étudier l'activité solaire durant la période interglaciaire du Stade Isotopique Marin (MIS) 9.3, où la résolution atteint ~20 ans. Nos résultats contrastent avec ceux durant l'Holocène, avec l'absence remarquée du cycle de de Vries (210 ans) dans notre profil de 10Be. D'autre part, cette séquence nous a permis de vérifier que l'estimation classique de l'accumulation de neige obtenue par les modèles de datation de carottes de glace est correcte à 20% près lors de la succession des cycles glaciaires - interglaciaires.Ces mesures ont été combinées avec celles précédemment effectuées sous la responsabilité de Grant Raisbeck (publication en préparation). Ceci permet de disposer d'un profil continu et détaillé (résolution de 20 à 250 ans) entre 200 et 800 kyr BP sur la carotte de glace EPICA Dome C. Les variations de flux de 10Be observées se comparent bien aux changements d'intensité du champ géomagnétique enregistrés dans les sédiments marins. À partir de cette observation, il est possible de proposer une synchronisation de ces profils afin de les placer sur une échelle d'âge commune. Les déphasages observés entre l'augmentation de température en Antarctique (augmentation du D à EDC) et la hausse du niveau marin global (baisse du 18O marin des archives sédimentaires) n'excèdent pas 3200 ans excepté à la Terminaison VII. La faible résolution des enregistrements de 18O dans les sédiments marins rend l'analyse des déphasages délicate. Les résultats obtenus encouragent à analyser des périodes plus récentes autour de la Terminaison II, incluant les excursions géomagnétiques de Blake et d'Iceland Basin. Ceci permettrait en effet de contraindre plus fortement la synchronisation entre le signal paléomagnétique dans les sédiments marins et le flux de 10Be à EDC.

Ces travaux de thèse sont le fruit d’une collaboration entre le Laboratoire de Métrologie et Dosimétrie des Neutrons de l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire et le Département d’Environnement Spatial de l’Office National d’Etudes et Recherches Aérospatiales. L’objectif était de caractériser et de mettre en service un système opérationnel de spectrométrie des neutrons, étendu au domaine des hautes énergies afin de mesurer de manière dynamique les variations de l’environnement radiatif naturel atmosphérique en altitude au sommet de l’Observatoire du Pic du Midi de Bigorre dans les Pyrénées. Pour ce faire, les réponses des différents détecteurs ont été calculées par simulations Monte Carlo avant d’être validées expérimentalement jusqu’au domaine des hautes énergies en champs neutroniques de référence. La méthode de reconstruction mathématique du spectre par déconvolution a été étudiée afin de quantifier les incertitudes systématiques. Ensuite, le système a été testé sous la roche au Laboratoire Souterrain à Bas Bruit de Rustrel avant d’effectuer les premières mesures en altitude à +500 m et +1000 m. A la suite de ces expériences, le spectromètre a été installé en mai 2011 au sommet du Pic du Midi à +2885 m. La méthodologie d’analyse en continu des données recueillies a été développée. Des oscillations saisonnières du spectre dont l’amplitude dépend du domaine énergétique ont été mises en évidence. Des décroissances Forbush,caractéristiques d’éruptions solaires, ont également été observées à l’approche du 24ème cycle solaire.Des simulations Monte Carlo ont permis d’analyser ces résultats. Les données ont été valorisées grâce à des applications en dosimétrie personnelle et en fiabilité des composants électroniques vis-à-vis des radiations. / This PhD Thesis has been achieved thanks to the joint effort between two French organizations, the French Institute for Radiological Protection and Nuclear Safety (IRSN/LMDN, Cadarache) and the French Aerospace Lab (ONERA/ DESP, Toulouse). The aim was to develop an operational neutron spectrometer extended to high energies in order to measure the dynamics of the spectral variations of the natural radiative environment at the summit of the Pic du Midi Observatory in the French Pyrenees. Thereby, the fluence responses of each detector were calculated thanks to Monte Carlo simulations. Afterwards, they were validated by means of experimental campaigns up to high energies (>20 MeV) nearby reference neutron fields. The systematic uncertainties were deduced after detailed studies of the mathematic reconstruction of the spectra (i.e. unfolding procedure). Then, the system was tested under rocks at the LSBB of Rustrel before being installed at respectively+500 m and +1000 m above sea level for the first environmental campaigns. Finally, the spectrometer has been operating for two years after its deployment at the summit of the Pic du Midi (+2885 m). The continuous data were analysed thanks to an innovative method. Some seasonal and spectral variations were observed. Some Forbush decreases were also recorded after strong solar flares. These data were further analysed thanks to Monte Carlo simulations. The data were made more attractive thanks toseveral practical applications with personal dosimetry or reliability of submicron electronics components.