Cette étude a pour but de documenter le climat à deux périodes clés de l'Holocène à partir d'archives biocarbonatées. Le potentiel du bénitier Tridacna maxima (géochimie et croissance) comme archive paléoclimatique a été montré. Des spécimens fossiles de cette espèce ont ensuite été utilisés pour documenter la variabilité climatique du Pacifique Sud-Ouest durant la transition Holocène inférieur-Holocène moyen (7.0-6.0 ka BP) et lors de la migration Lapita en Océanie Lointaine (3.5-2.5 ka BP) en complément d'enregistrements issus d'autres bénitiers et d'un corail massif Porites sp. Des enregistrements Sr/Ca de Porites sp. ont aussi été utilisés comme paléothermomètre. A 7.0-6.0 ka BP, la phase de réchauffement postglaciaire était terminée et la marge sud-est de la Warm Pool était dans sa position actuelle. L'influence saisonnière de la SPCZ était plus faible qu'actuellement dans le Pacifique S.O., montrant que la SPCZ était située au nord de sa position actuelle. La variabilité El Niño Southern Oscillation (ENSO) était réduite de 20-30% par rapport à la variabilité actuelle. La période coincidant avec l'émergence de la culture Lapita, 3.6-3.4 ka BP, est caractérisée par un état moyen de type La Niña sur le Pacifique S.O avec une forte variabilité ENSO. Le climat a donc pu agir comme déclencheur et/ou favoriser la migration Lapita à 3.2-2.7 ka BP. En effet, des conditions climatiques instables peuvent favoriser le développement et l'expansion de populations nomades dépendantes des ressources marines, comme l'était la population Lapita.

L'albédo, fraction de rayonnement réfléchi dans le spectre solaire, est une variable clef du bilan énergétique des surfaces enneigées et englacées. Cette grandeur possède une forte variabilité spatio-temporelle ce qui fait de la télédétection un outil adapté pour son étude. L'albédo dépend à la fois des propriétés physiques du milieu considéré et des caractéristiques du rayonnement incident. Les différentes grandeurs liées à l'albédo sont fonction des domaines angulaires et spectraux des radiations considérées. Les mesures de répartition angulaire du rayonnement réfléchi par la neige ont montré que l'hypothèse lambertienne pouvait conduire à des erreurs non négligeables lors de la détermination de l'albédo par télédétection. La connaissance des caractéristiques de la répartition angulaire du rayonnement réfléchi par la neige permet de développer une nouvelle méthode de détermination de l'albédo en zones montagneuses. Cette méthode prend en compte les effets liés à la forte variabilité topographique des terrains de montagne, à l'anisotropie du rayonnement réfléchi par la neige et par la glace ainsi que les variations spectrales de l'albédo en fonction des propriétés physiques de la surface. Elle a été appliquée à deux types de données : des photographies terrestres visibles et proche infrarouges (résolution spatiale 10 m) et des images MODIS (résolution spatiale 250 m). L'incertitude sur la valeur de l'albédo ainsi déterminée est évaluée à ±10% grâce aux mesures de terrain effectuées sur le glacier de Saint Sorlin (massif des Grandes Rousses, France). L'étude des cartes d'albédo issues de dix années (2000-2009) d'images MODIS montre qu'il n'y a pas de décroissance marquée de la valeur de l'albédo en zone d'ablation au contraire de ce qui a été prouvé pour le glacier du Morteratsch (Suisse). De plus, il existe une corrélation très élevée entre la valeur minimale de la moyenne de l'albédo sur le glacier, i.e. l'albédo moyen du glacier le jour où la ligne de neige est proche de la ligne d'équilibre, et la valeur du bilan de masse annuel spécifique. L'assimilation des données d'albédo obtenues grâce aux images MODIS et aux photographies terrestres dans le modèle de neige CROCUS permet une bonne estimation du bilan de masse spatialisé du glacier de Saint Sorlin (rmse=0.5 m w.e. pour les cinq années hydrologiques étudiées). Les forçages météorologiques utilisés pour cette étude sont de moyenne échelle. L'analyse succincte de la contribution des différents flux atmosphériques au bilan d'énergie de surface montre qu'en zone d'ablation comme en zone d'accumulation, le bilan radiatif net courtes longueurs d'ondes constitue la source principale d'énergie et que la variabilité de ce flux explique la majeure partie de la variabilité journalière de la somme des flux atmosphériques. Appliquées à d'autres glaciers, ces méthodes permettraient de savoir si les conclusions établies pour notre seul glacier d'étude sont valables pour d'autres glaciers. Elles rendraient également possibles la reconstruction du bilan de masse spatialisé sur 10 ans d'autres glaciers et potentiellement une meilleure quantification des processus physiques mis en jeu dans le bilan de masse de ces glaciers tempérés

Le travail de cette thèse s'inscrit dans le cadre du développement du programme S.E.T.U.P. (Simulations Expérimentale et Théorique Utiles à la planétologie) dont l'objectif est d'effectuer des simulations représentatives de l'atmosphère de Titan et de déterminer les processus physico-chimiques qui y sont impliqués. Pour ce faire, un dispositif expérimental combine deux types de dépôts d'énergie (électrons et photons) représentatifs des processus de dissociation des molécules N2 et CH4 qui composent majoritairement l'atmosphère de Titan. De plus, une technique d'analyse par spectroscopie laser doit permettre d'identifier et de quantifier des produits et donc de suivre l'évolution du mélange réactionnel in situ en temps réel.La méthodologie adoptée pour la mise en œuvre des expériences de simulations a été de caractériser l'ensemble des étapes depuis les sources énergétiques jusqu'à l'analyse des produits et de développer les outils de modélisation nécessaires à l'interprétation des expériences.Dans un premier temps, il s'est agit de mieux caractériser les deux types de photolyse du méthane envisagés. En effet, il est prévu d'utiliser soit une lampe UV délivrant un rayonnement à Lyman-α (121,6 nm) soit un laser excimère KrF pulsé délivrant un rayonnement à 248 nm. Ce dernier doit en effet permettre des études cinétiques concernant les espèces à courte durée de vie. Des expériences d'irradiation de CH4 et d'un mélange N2/CH4 aux deux longueurs d'onde ont été menées puis simulées grâce à un modèle 0D.L'analyse fine des résultats issus des irradiations de CH4 à Lyman-α montre que des travaux complémentaires sont nécessaires pour comprendre les différences entre les expériences et le modèle chimique. En particulier, une caractérisation de l'émission de la lampe s'est avérée indispensable et a été réalisée afin d'améliorer la compréhension de la chimie mise en jeu. Les résultats obtenus lors de l'irradiation à 248 nm suggèrent que la source laser utilisée pourrait provoquer l'ionisation de CH4 et induire une chimie ionique qui n'était pas envisagée au départ. Ce type d'irradiation pourrait se révéler intéressant pour étudier les processus ionosphériques de l'atmosphère de Titan. En revanche, cette source doit être abandonnée pour l'étude de la chimie des neutres. Une source pulsée à Lyman-α devra être développée.Dans un deuxième temps, trois types d'expériences préliminaires de simulations de l'atmosphère de Titan ont été effectuées. Afin de mieux comprendre l'importance relative de chaque source énergétique, des expériences dites de " plasma " où N2 et CH4 sont dissociés simultanément dans un plasma crée par décharge microonde, ont tout d'abord été menées. Ensuite, des expériences dites de " post-décharge " où CH4 est introduit dans l'enceinte après la dissociation de N2 par plasma, ont été conduites. Et enfin, des expériences dites de " couplage ", censées mieux représenter les processus de l'atmosphère de Titan où CH4, toujours introduit en post-décharge, est cette fois photodissocié à Lyman-α, ont été réalisées.Lors des expériences " plasma ", dix composés sont identifiés : HCN, NH3, HC3N, C2H2, C2H4, C2H6, C3H4, C4H2, HC5N et C6H2. Leur abondance est globalement en bon accord avec celle déterminée par les observations de la haute atmosphère de Titan dans la zone comprise entre 900 et 1200 km d'altitude validant ainsi le module plasma du dispositif. Lors des expériences " post-décharge " et " couplage ", seuls les composés azotés HCN et NH3 sont formés et cela indépendamment du fait que le CH4 subisse ou pas une irradiation UV. Ce résultat s'explique par le fait que le taux de photodissociation du CH4 se révèle très inférieur à la dissociation de N2 par les électrons, ce qui empêche une complexification chimique des hydrocarbures dans les simulations. Il s'avère donc indispensable de modifier la source de rayonnement à Lyman-α afin d'être beaucoup plus efficace en terme de flux.Les résultats acquis grâce à cette méthodologie " étape par étape " ont permis de mettre en évidence les paramètres qu'il faut impérativement maîtriser pour la mise en œuvre de simulations pertinentes de l'atmosphère de Titan. Ils définissent aussi l'orientation des futurs développements du projet SETUP

L'impact dynamique des montagnes sur la circulation de grande échelle de l'atmosphère passe généralement par des forces : pour cette raison, la partie de l'orographie qui n'est pas résolue par les modèles de circulation générale est prise en compte par la paramétrisations des forces qu'elle applique à l'atmosphère. Dans cette thèse , nous nous attacherons à comprendre l'impact des forces appliquées par les montagnes des moyennes latitudes, en particulier le Plateau tibétain, sur la circulation de l'atmosphère. Pour ce faire, nous utiliserons notamment le concept de couple appliqué par les montagnes sur l'atmosphère, traduction des forces à l'échelle globale. Les chaînes de montagnes les plus importantes des moyennes latitudes génèrent, à l'échelle synoptique, d'importantes vagues de froid appelées cold surges dans la littérature anglophone, un terme que nous traduirons littéralement par crues froides. L'importance du couple équatorial des montagnes dans l'initiation des crues froides sur l'Asie de l'Est (impact du Plateau tibétain), l'Amérique du Nord (impact des montagnes Rocheuses) et l'Amérique du sud (impact de la cordillère des Andes) est mise en évidence par une étude statistique. À l'aide d'un modèle dynamique simple, une interprétation du mécanisme sous-jacent à ce forçage est proposée, montrant que les forces de portance appliquées par la montagne à l'atmosphère dans la phase initiale des crues froides suffisent à leur déclenchement. L'impact dynamique du plateau tibétain sur la mousson d'hiver est-asiatique est important, en particulier sur les événements de convection en hiver sur la Mer de Chine Méridionale. Une séquence d'événements montrant cet impact a été identifiée statistiquement : un forçage dynamique de la circulation atmosphérique par le Plateau tibétain, se traduisant par un fort signal sur le couple des montagnes équatorial appliqué à l'atmosphère, est suivi par le déclenchement d'une crue froide puis, après quelques jours, par un renforcement de la convection profonde sur la Mer de Chine Méridionale. Cet effet dynamique du Plateau tibétain sur la mousson d'hiver s'étend au sud jusqu'à l'Indonésie et à l'ouest jusqu'à la Baie du Bengale. L'utilisation du modèle de circulation générale du Laboratoire de Métérorologie Dynamique, LMDz, permet de compléter les résultats observationnels décrits auparavant. Ce modèle ferme de manière satisfaisante le bilan de moment angulaire et permet de montrer que l'orographie sous-maille joue un rôle important sur la phase finale de l'évolution des crues froides. Des résultats nouveaux sont présentés sur le bilan de moment angulaire de l'atmosphère, en particulier en ce qui concerne l'impact du couple équatorial des montagnes et de la contribution du Plateau tibétain. Il est en particulier montré que le couple équatorial appliqué par le Plateau tibétain joue un rôle faible dans l'évolution temporelle du moment angulaire équatorial, mais un rôle significatif dans sa répartition spatiale

Les glaciers intègrent naturellement des informations hydrologiques et énergétiques dans des régions climatiques variées du globe et sont sensibles à des changements minimes de bilan d’énergie de surface. Parmi les paramètres mesurés in-situ traduisant les variations climatiques, le bilan de masse de surface est la variable directement reliée aux conditions atmosphériques qui contrôlent les processus d’accumulation et d’ablation. Un grand nombre de modèles, de complexités diverses, existent pour simuler l’évolution du bilan de masse. Cependant, des questions perdurent quant à l’utilisation de l’approche la plus appropriée, notamment sur de longues périodes de temps. Basés sur de longues séries de mesures réalisées sur quatre glaciers des Alpes françaises (issues du service d’observation GLACIOCLIM), ces travaux de thèse ont pour but d’étudier la sensibilité du bilan de masse aux variables atmosphériques et topographiques, afin d’identifier celles essentielles pour contraindre les modèles.En s’appuyant tout d’abord sur une approche empirique, nos résultats indiquent que pour chaque glacier, la variabilité temporelle de l’ablation s’explique principalement par la variabilité de la température tandis que la variabilité spatiale de la fonte de la neige et de la glace est largement gouvernée par l’insolation. Néanmoins, à l’échelle du glacier, considérer l’insolation en plus de la température ne conduit pas à une amélioration de la performance des modèles empiriques et un modèle type degré-jour apparaît suffisant pour simuler son bilan de masse. L’utilisation du modèle à base physique SURFEX/ISBA-Crocus a permis d’étudier la sensibilité du bilan de masse estival à chacune des variables du bilan d’énergie de surface. Le modèle s’avère très performant pour la simulation des bilans spatialisés, mais nécessite un forçage météorologique précis et distribué spatialement. En particulier, le vent, souvent complexe à représenter dans les modèles atmosphériques,apparaît comme un facteur prépondérant pour modéliser correctement les processus de fonte. Avec des forçages météorologiques bien contraints, ces deux approches (empirique et physique) se révèlent très performantes quant à la modélisation du bilan de masse estival. Toutefois, nos résultats montrent que les bilans annuels restent très conditionnés par les bilans hivernaux du fait de la rétroaction de l’albédo de surface. Une attention particulière a donc été portée sur la simulation de l’accumulation.A partir des données de l’observatoire GLACIOCLIM, notre étude n’a pas permis d’établir de relation significative entre la variabilité spatio-temporelle des bilans hivernaux et les variables morpho-topographiques.Pour cette raison, une campagne spécifique basée sur des mesures LiDAR a été mise en œuvre au Col du Midi (Massif du Mont-Blanc) afin d’affiner le réseau de mesures et d’améliorer la compréhension de la variabilité spatio-temporelle de la couverture neigeuse. Nos résultats montrent la complexité d’obtenir des mesures d’accumulation par différence de MNT, du fait des vitesses d’émergence/submergence. / Glaciers naturally record hydrological and energetic information into varied climatic regions of the world, and are sensitive to small changes in their surface energy balance. The glacier surface mass balance is directly linked to the atmospheric variables which control accumulation and ablation processes. Many models, with different complexities, enable simulations of mass balance evolution, but some questions arise about the best approach to use, especially over long time periods. Based on long measurement series on four glaciers in the French Alps (GLACIOCLIM observatory), this thesis aims at studying the mass balance sensitivity to climatic variations, to identify relevant meteorological variables for modelling. Based on an empirical approach performed on each glacier, temperature was found to be the main driver of temporal ice/snow ablation variability while solar radiations strongly influence the spatial distribution of summer mass balance. However, at glacier scale, to include solar radiation in melt models does not improvethe performances and a classical degree-day model is sufficient to simulate glacier-wide mass balance.The snowpack model SURFEX-ISBA-Crocus was then used to study summer mass balance sensitivity to all surface energy balance fluxes. Results indicate good performances of the model to simulate mass balance at each stake, but it requires accurate meteorological forcing. In particular wind, generally difficult to assessby atmospheric models, appears as a key factor for an accurate ablation modelling. Our work emphasizes that both physical and empirical approaches are very efficient for ablation modeling when forced with accurate meteorological data. Yet, annual mass balances remain very sensitive to wintermass balance due to the surface albedo feedback. For this reason, simulating accumulation processes remainsas important as ablation modelling. Using GLACIOCLIM data measurements, our study failed to find relevant relationship between winter mass balance and topographical variables such as slope, aspect, elevation, due to insufficient spatio-temporal resolution. To fill this gap of measurements, we set up a dedicated field campaign to improve our understanding of the spatio-temporal variability of the snow depth distribution on Alpineglaciers. This year-round campaign was performed using LiDAR acquisitions at Col du Midi (Mont Blancmassif). Results underline the complexity of accurate accumulation measurements from DEM differences due to submergence/emergence velocities.

Au cours des dernières décennies, l'étude des paléoenvironnements de l’Hemisphere Sud s’est développée avec les informations fournies par l'analyse des carottes de glace polaires et plus récemment à partir des carottes de glace prélevées dans les Andes. Bien que les zones tropicales et subtropicales de l'Amérique du Sud jouent un rôle majeur dans la chimie atmosphérique globale en raison de l’existence de réservoirs importants, les échanges entre l’équateur et les hautes latitudes sud restent encore peu documentés. Même si d’autres archives apportent des informations sur le climat passé, il existe peu de données de la composition atmosphérique des moyennes latitudes de l’Hémisphère Sud, aussi bien en termes de variabilité naturelle que d’impact anthropique.Ce travail est basé sur l'analyse d'une carotte de glace de 122 m extraite d’un site d'altitude en Patagonie (Monte San Valentin 46º 35' S, 73º19' W, 3723 m). Outre l’établissement de profils à haute résolution des ions minéraux et organiques obtenus par chromatographie ionique, nous avons réalisé une étude des précipitations susceptibles d'influencer le site, fournissant ainsi une base pour l'interprétation de l'archive de glace.Ce site se caractérise par l’enregistrement d’événements à caractère marin et continental. Nous avons démontré que, sur ce glacier, les contributions marines primaires et secondaires ne sont pas synchrones et qu’elles sont très probablement sousreprésentées dans le profil en raison de processus d'accumulation. Contrairement au sel de mer, une partie importante des aérosols biogéniques marins est associée à un apport influencé par des contributions continentales diluées. L’apport continental est complexe : il est composé d’événements ponctuels de combustion, de retombées volcaniques et d’émissions par les sols. Il correspond à presque la moitié de la quantité totale de sulfate déposé. Cette contribution importante et omniprésente de sulfate est associée au nitrate et au chlorure, mais mieux cerner son origine nécessiterait des recherches plus poussées. La comparaison de notre archive glaciochimique avec des éruptions volcaniques datées et le début de la colonisation en Patagonie nous a permis de proposer quelques repères pour la datation de la carotte, qui reste à ce jour encore incertaine. Enfin, aucune tendance anthropique claire n’a été décelée à partir de l’évolution du bruit de fond des espèces continentales, excepté l'ammonium, lui pouvant être mis en relation avec l’utilisation croissante d'engrais après les années 1960. / Although tropical and subtropical South America play an important role in atmospheric global and hemispheric chemistry due to the coexistence of big reservoirs with large-scale atmospheric patterns, exchanges between tropics and higher latitudes have remained poorly documented. During the last few decades, the study of past climate and atmospheric composition has benefited greatly by information provided by ice core analysis. In the Southern Hemisphere, a large amount of data is now available from polar ice cores and more recently from ice cores recovered in the Andes. Despite a few studies on climate reconstruction, there is a lack of information on past atmospheric composition in Southern mid-latitudes, in terms of both natural variability and anthropogenic impact. This work is based on the analysis of a 122 m ice core extracted from a high altitude site in the Northern Patagonian Icefield (Monte San Valentin 46º 35'S, 73º19' W, summit at 4032 m.a.s.l., drilling plateau at 3723 m.a.s.l.). Besides high-resolution measurements of mineral and organic ions, a study of the precipitation events likely to influence the site was conducted in order to provide a basis for the interpretation of the ice archive. The selected site registers precipitation events of marine and continental origin. We have demonstrated that marine primary and biogenic contributions are not synchronous and they are very likely underrepresented along the ice archive due to the effect of accumulation processes. Contrary to sea salt, a significant part of marine biogenic aerosol is associated with a complex and diluted continental fingerprint. The continental imprint was studied in terms of background trends and major events involving combustion processes, urban pollution, volcanic and soil emissions. This set of mixed sources is responsible for almost half of the total sulfate input. This important and ubiquitous sulfate concentration is related to that of nitrate and chloride and its understanding in terms of sources and transport needs further research. A comparison of our records with documented volcanic eruptions and Patagonian settlement periods allowed us to propose a few dating horizons, although an accurate dating of the entire core has not been possible so far. Background trends of continental species do not show any trend that can be clearly associated with an anthropogenic influence, except for ammonium, which increases likely in response to fertilizer consumption after ca. 1960.

Le taux de pyrolyse est un paramètre clé du comportement du feu qui, à son tour, contrôle le transfert de chaleur à la surface du combustible. Dans cette étude, un modèle de pyrolyse volumique d’un combustible solide semi–transparent prenant en compte le rayonnement au sein du solide et la régression de l’interface a été couplé au code ISIS. Un algorithme génétique a été utilisé afin de déterminer un jeu optimal de paramètres cinétiques pour la pyrolyse du PMMA à partir d’une expérience de pyrolyse pure sous cône calorimètre en atmosphère normalement oxygénée. Des expériences de pyrolyse avec flamme de plaques carrées ont été réalisées afin de valider les résultats du modèle. L’analyse des résultats obtenus au centre de l’échantillon montre que la vitesse de régression de la surface devient constante en fonction du temps et que la contribution radiative au flux de chaleur total reste pratiquement constante. Les résultats du modèle couplé sont en bon accord avec la littérature et les mesures de cette étude. Néanmoins, le flux de chaleur incident aux bords de l’échantillon est sous-estimé. Une bonne concordance est obtenue entre les hauteurs de flammes prédites et celles déduites de la corrélation de Heskestad. Enfin, pour simuler la pyrolyse du PMMA en atmosphère sous–oxygénée, une chimie à deux étapes avec prise en compte du phénomène d’extinction de la flamme a été utilisée. Les résultats des simulations ont été comparés aux mesures réalisées dans le dispositif CADUCEE pour des fractions volumiques d’oxygène de 18,5% et 19,5%. La baisse du taux de pyrolyse et des températures de flamme avec la fraction volumique d’oxygène est bien reproduite par le modèle. / The pyrolysis rate is a key parameter controlling fire behavior, which in turn drives the heat feedback from the flame to the fuel surface. In the present study an in–depth pyrolysis model of a semi–transparent solid fuel with spectrally–resolved radiation and a moving gas/solid interface was coupled with the CFD code ISIS. A combined genetic algorithm/pyrolysis model was used with Cone Calorimeter data from a pure pyrolysis experiment to estimate a unique set of kinetic parameters for PMMA pyrolysis. In order to validate the coupled model, ambient air flaming experiments were conducted on square slabs of PMMA. From measurements at the center of the slab, it was found that the experimental regression rate becomes almost constant with time, and that the radiative contribution to the total heat flux remains almost constant. Coupled model results show a fairly good agreement with the literature and with current measurements. Nevertheless, the flame heat flux feedback at the edges of the slab is underestimated. Predicted flame heights based on a threshold temperature criterion were found to be close to those deduced from the correlation of Heskestad. Finally, in order to predict the pyrolysis of PMMA under reduced ambient oxygen concentration, a two–step chemical reaction and a flammability diagram for flame extinction was used. Model results are compared with data obtained in the experimental facility CADUCEE for ambient oxygen concentrations of 18.2 and 19.5%. Data show that the total mass loss rate and flame temperature decrease with the oxygen concentration, which is well reproduced by the model.

Nous nous intéressons à l'estimation de la distribution spectrale de l'éclairement solaire au sol en tout lieu et tout instant. Etant donné le très petit nombre de stations de mesure au sol, nous nous proposons de développer une méthode numérique exploitant des estimations de la composition atmosphérique faites quotidiennement. Cette méthode doit être suffisamment rapide pour être utilisée en mode intensif de manière opérationnelle. Les domaines d'applications ciblés sont l'ultraviolet (UV), la photosynthèse et la lumière du jour, avec une limitation au cas du ciel clair. Notre première innovation est de partir paradoxalement des approches numériques très rapides et précises de calcul de l'éclairement total. Ces approches développées donnent une description de la distribution spectrale du rayonnement solaire en un nombre restreint de bandes discrètes. La plus fine et la plus récente de ces approches est la «k distribution method and the correlated k approximation» de Kato et al. (1999). Elle fournit des estimations de l'éclairement dans 32 bandes spectrales. Pour atteindre l'objectif de la thèse, nous avons tout d'abord étudié la précision de cette approche dans chacune des 32 bandes. Les résultats sont bons dans toutes les bandes excepté l'UV. Nous avons proposé une nouvelle paramétrisation de la transmittance de l'ozone, que nous avons intégré au code numérique de transfert radiatif libRadtran. Enfin, nous avons élaboré deux techniques de ré-échantillonnage permettant d'obtenir à partir des 32 valeurs discrètes, des estimations de l'éclairement dans n'importe quel intervalle spectral, y compris en prenant en compte une réponse spectrale du système éclairé. Des validations ont pu être faites à l'aide de quelques stations de mesures. Les premiers résultats sont jugés encourageants en comparaison avec la précision relevée sur les instruments de mesure de qualité. Des voies d'améliorations ont pu être recensées pour un gain de précision notable. / We are interested in the estimation of the spectral distribution of the solar irradiance on the ground in any place and time. Given the very small number of measurement stations on the ground, we suggest developing a digital method exploiting estimations of the atmospheric composition made daily. This method must be enough fast to be used in intensive mode in an operational way. The targeted fields of application are the ultraviolet (UV), photosynthesis and daylight; with a limitation in the case of the clear sky. Our first innovation is to leave paradoxically from very rapid numerical approaches of calculation of the total irradiance. These developed approaches give a description of the spectral distribution of solar irradiance in a number restricted by discrete bands. The finest and the most recent of these approaches is «k-distribution method and the correlated-k approximation» of Kato and al. (1999). It supplies estimations of the irradiance in 32 spectral bands. To achieve this PhD goal, we have first of all, studied the accuracy of the approach in each of 32 bands. The results are good in all the bands except in the UV. We proposed a novel parametrization of the transmittance of the ozone, which we integrated into the radiative transfer model libRadtran. Finally, we developed two techniques of re-sampling allowing to obtain from 32 discrete values, estimations of the irradiance in any spectral interval, including by taking into account a spectral response of the illuminated system. Experimental validations have been carried out by means of some measurement stations. The preliminary results are considered encouraging in comparison with the precision found on quality measuring instruments. Ways of improvements have been listed for a gain of notable precision.

Ce travail présente une nouvelle méthode de télédétection à distance de la concentration d’un gaz trace dans l’atmosphère basée sur le couplage de la méthode spectroscopique de corrélation optique (Optical Correlation Spectroscopy, OCS) et la technologie de télédétection lidar dans lequel une source laser de large étendue spectrale est considérée. Les premiers travaux furent consacrés au développement d’un nouveau formalisme pour estimer la concentration d’un gaz trace dans l’atmosphère à partir des signaux OCS-lidar. Pour évaluer les performances d’une telle méthode, un modèle numérique simulant des signaux OCS-lidar pour la mesure de la concentration de méthane et de vapeur d’eau a été réalisé. L’influence de la pression et la température sur les propriétés spectroscopiques de ces gaz sur les mesures de concentration a également été étudiée. En plus de ce travail théorique, la première démonstration expérimentale de l’OCS-lidar est présentée en utilisant un lidar basé sur une source laser femtoseconde. Les mesures OCS-lidar ont été réalisées au moyen d’un nouveau système expérimental entièrement élaboré et construit pendant cette thèse. Pour réaliser les mesures consacrées à la teneur en vapeur d’eau de l’atmosphère, la bande d’absorption de la molécule de H2O 4ν à 720 nm a été utilisée. Ainsi les résultats obtenus ont montré le potentiel de la méthode OCS5 lidar pour mesurer la concentration de vapeur d’eau. Par la suite, le développement de la méthodologie OCS-lidar dédiée à la mesure du méthane est présenté. La bande d’absorption 2ν3 à 1,66 μm est exploitée et les premières mesures des signaux lidar sont exposées. Ce travail se termine par la présentation des possibles perspectives d’évolution / In this thesis, a new active remote sensing methodology is proposed to evaluate the content of atmospheric trace gases. The new methodology is based on laser spectroscopy and consists in coupling a spectrally broadband lidar with optical correlation spectroscopy (OCS-lidar). As a first step, a new formalism has been developed to remotely evaluate the target gas concentration from the OCS-lidar signals. To evaluate the performance of this new methodology, a numerical model simulating OSC-lidar signals for methane and water vapor measurement has been developed. Moreover, the influence of the absorption spectroscopic line parameters, such as atmospheric pressure and temperature, on the retrieved gas mixing ratio has been assessed within the OCS-lidar methodology. In addition to this theoretical work, the first experimental demonstration of the OCS-lidar methodology has been performed using a femtosecond lidar system. The latter has been entirely designed, developed and implemented in the framework of this thesis. Results show the ability of the OCS-lidar methodology to monitor the water vapor using the 4ν 720 nm absorption band. Moreover, two different experimental configurations have been proposed, depending on whether the amplitude modulation is operated on the laser pulse or on the backscattered light, i.e. at the emission, with an active amplitude modulator or at the reception, with passive optical filters. The advances in developing the corresponding infrared OCS-lidar system for methane mixing ratios measurements are described and possible outlooks are given

Vénus, deuxième planète du système solaire, souvent appelée sœur de la Terre, car présentant des caractéristiques de taille et de masse similaires, est fort différente de notre planète. En effet, son atmosphère est beaucoup plus dense et dynamiquement active que celle de la Terre. Dans ce travail, nous nous concentrerons sur la région s'étendant de 70 km à 180~km d'altitude :la mésosphère et la basse thermosphère.<p><p>SOIR, acronyme de Solar Occultation in the InfraRed, est un instrument russo-franco-belge embarqué à bord de la mission Venus Express de l'Agence Spatiale Européenne. Il utilise un réseau à échelle comme élément diffractant. La plage de nombre d'onde mesurable par SOIR s'étend de 2200 cm-1 à 4400 cm-1, ou 4.3 µm à 2.2 µm en longueur d'onde. Les ordres de diffraction utiles varient de 101 à 194. Un filtre acousto-optique - AOTF - est utilisé comme passe-bande pour sélectionner les ordres de diffraction. La résolution de l'instrument varie de 0.13 à 0.24 cm-1.<p><p>Du fait d'un temps de développement raccourci, presque toutes les calibrations de l'instrument ont dû être réalisées en vol. Elles comprennent les calibrations relatives au réseau à échelle (angle exact de Blaze et fonction de Blaze), au détecteur (non-uniformité pixel à pixel, courbe de sensibilité spectrale, relation entre les pixels et les nombres d'onde, résolution de l'instrument, intervalle d'échantillonnage spectral, rapport signal sur bruit, background thermique) et à l'AOTF (relation entre la radio-fréquence d'excitation de l'AOTF et les nombres d'onde, fonction de transfert de l'AOTF). L'approche et la réalisation de ces différentes calibrations sont présentées dans le présent travail. Les caractéristiques de l'instrument y sont également décrites.<p><p>Un algorithme d'inversion spectrale a été développé pour le cas spécifique de SOIR. Tenant compte du mode de mesure, l'occultation solaire, la méthode de la pelure d'oignons a été implémentée dans un algorithme dit de l'Estimation Optimale. Cette méthode permet d'inverser l'ensemble des mesures spectrales en une fois, et également d'en tirer d'autres informations, comme l'amélioration de certaines caractéristiques instrumentales. Les paramètres qui sont ajustés au sein de l'algorithme sont la densité de la ou des espèces absorbant dans la région spectrale concernée, la température, les paramètres de la ligne de base, qui permettent de déterminer les caractéristiques des aérosols, le déplacement Doppler des raies qui trouve principalement son origine dans la vitesse de déplacement du satellite, et l'amélioration de certaines calibrations. Une étude de sensibilité des différents paramètres de l'algorithme est également présentée, ainsi qu'une évaluation des erreurs instrumentales systématiques.<p><p>Dans l'ensemble des spectres enregistrés durant les 4 premières années de la mission, des profils verticaux de CO2, CO, H2O, HDO, SO2, H2SO4, HCl et HF ont été obtenus. Des valeurs limites de densité de OCS, H2CO, O3 et CH4 ont également été calculées. <p><p>Les résultats concernant le dioxyde de carbone sont développés dans le texte. Des profils verticaux de CO2 s'étendant de 70 km à 180 km d'altitude sont analysés en profondeur. Ils sont comparés aux profils dits hydrostatiques, et des hypothèses quant à la dynamique agissant au niveau des deux terminateurs de Vénus sont formulées.<p>/<p>Venus, second planet of the solar system, is often seen as the sister planet of the Earth. In terms of size and mass, they are indeed very similar, but the Venus atmosphere is much thicker and active. The altitude region extending from 70 km to 180~km is studied in this thesis, namely the mesosphere and the lower thermosphere.<p><p>SOIR, which stands for Solar Occultation in the InfraRed, is a Russian / French / Belgian instrument flying on board of the Venus Express (VEX) spacecraft of the European Space Agency. The diffracting device of SOIR is an echelle grating. The wavenumber region studied ranges from 2200 cm-1 to 4400 cm-1, or 4.3 µm to 2.2 µm in wavelength. The diffraction orders used with SOIR vary from 101 to 194. To select the required echelle grating diffraction order, an Acousto-Optical Tunable Filter - AOTF - is located after the entrance slit of the instrument. The instrument resolution varies from 0.13 to 0.24 cm-1.<p><p>SOIR was developed in a very short time. Thus, virtually all the calibrations had to be made in-flight. These concern the echelle grating (exact Blaze angle computation, Blaze function), the detector (pixel-to-pixel non-uniformity, spectral sensitivity curve, pixel-to-wavenumber relationship, instrument resolution, spectral sampling interval, signal-to-noise ratio, thermal background) and the AOTF (wavenumber to AOTF frequency relation, AOTF transfer function). The procedure for and the computation of these calibrations are described in this work, as well as the instrument characteristics.<p><p>A spectral inversion algorithm was developed specifically for the SOIR measurement technique: the solar occultation. The onion peeling method is implemented using the Optimal Estimation Method. It allows the inversion of the spectral data in one go, and also the enhancement of some instrumental characteristics. The algorithm variables are the densities of the species absorbing in the diffraction order, the temperature of the atmosphere under study, the spectral background parameters, that allow the determination of the Venus aerosols characteristics, the Doppler shift (mainly linked to the shift induced by the satellite displacement), and the improvement of some instrumental calibrations. A sensitivity study on the algorithm parameters is also presented, and the instrumental systematic errors are investigated.<p><p>Vertical profiles of CO2, CO, H2O, HDO, SO2, H2SO4, HCl and HF are derived from the spectra measured during the first 4 mission years. Upper limits on OCS, H2CO, O3 and CH4 have also been calculated. <p><p>We focus on the carbon dioxide results in the present study. A selection of vertical profiles extending from 70 km to 180 km are analyzed in details. They are compared to the hydrostatic profiles, and propositions concerning the terminators' dynamics are formulated.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished