Cette thèse propose une étude de la propagation non linéaire des infrasons dans l'atmosphère par résolution temporelle des équations de la mécanique des fluides compressibles en s'appuyant sur des algorithmes développés pour l'aéroacoustique. L'étude se restreint aux ondes émises par les explosions de forte amplitude. Une étude bibliographique est d'abord réalisée pour identifier les phénomènes physiques influents et pour détailler un modèle d'atmosphère réaliste qui soit compatible avec une résolution numérique directe. Les équations de Navier-Stokes sont ensuite formulées pour intégrer les effets hors-équilibre de la relaxation de la vibration moléculaire. Cette étape est accompagnée de développements analytiques servant de base 'a une discussion des effets dissipatifs et des effets de l'inhomogénéité atmosphérique de grande échelle. Les méthodes numériques optimisées retenues pou l'implémentation du solveur sont ensuite présentées. La stabilité et la précision sont étudiées analytiquement, puis le code de calcul est validé par des séries de simulations dans des configurations simples pour lesquelles des solutions analytiques sont disponibles. Une discrétisation adaptée pour la simulation des infrasons non linéaires se propageant dans l'atmosphère est alors proposée. Le solveur est ensuite validé dans la configuration complexe d'un modèle réaliste d'atmosphère, d'abord par une convergence de maillage, puis par confrontation avec des méthodes numériques préexistantes. L'influence des effets dissipatifs et des effets non linéaires est ensuite discutée sur la base des résultats numériques. L'influence générale des vents atmosphériques est par ailleurs présentée et des phénomènes spécifiques tels que les réflexions partielles ou les ondes rampantes sont évoqués. Enfin, une confrontation des simulations avec une expérience de référence est réalisée et les similitudes entre les enregistrements numériques et expérimentaux sont soulignées.

C'est dans les années 1980 que l'importance de l'Atlantique Tropical sur le climat des régions avoisinantes a été clairement mise en évidence, notamment grâce à l'expérience FOCAL-SEQUAL. Celle-ci a également permis d'observer des tourbillons et des ondes océaniques influant sur la circulation et les transports de chaleur de petite et moyenne échelles spatio-temporelles. Avec le programme WOCE des années 1990 et les mesures effectuées de la surface au fond de l'océan, le rôle de l'Atlantique Tropical sur la circulation thermohaline de grande échelle a pu également être identifié. Dans ce mémoire, je vais décrire mes différentes contributions aux observations et aux analyses portant sur toutes les dimensions de ce bassin Atlantique Tropical, de la surface au fond, et de l'Ouest vers l'Est et le Golfe de Guinée. Ces travaux m'ont amené à initier et à coordonner des programmes de recherche et de formation universitaire, qui seront également évoqués. Je conclurai par des perspectives de recherche spécifiques à la région Est du bassin, et d'observations, tant en terme de campagnes de mesures que de réseaux.

Il a été démontré que l'ozone troposphérique mesuré à la Réunion subit à la fois l'influence des feux de biomasse d'Afrique du Sud et de Madagascar, mais aussi l'influence d'intrusions stratosphériques. Situé à 21° Sud, le site est fortement influencée par le courant jet subtropical en hiver austral mais aussi au printemps austral. Le début des mesures d'ozone troposphérique à la Réunion date de 1992 avec les premiers radiosondages. L'installation d'un lidar dial a permis d'enrichir les mesures d'ozone troposphérique à partir de 1998. Des mesures d'ozone par radiosondages ont également lieu à Irene en Afrique du Sud depuis 1990. En 1998, les sites d'Irene et de la Réunion ont intégré le réseau SHADOZ (Thompson et al. , 2003). Les travaux présentés visent à analyser la base de données ozone de la Réunion avec une approche lagrangienne afin de déterminer l'influence relative des sources photochimique et stratosphérique sur l'ozone troposphérique. Ce travail commence par une étude comparative de la climatologie et des tendances de l'ozone troposphérique pour deux sites de la région : l'île de la Réunion et Irene en Afrique du Sud. Les tendances de l'ozone troposphérique ont été calculées sur l'ensemble de la base de données de la Réunion et d'Irene à la fois sur la colonne troposphérique totale et aussi en subdivisant la troposphère en couches atmosphériques représentatives de la basse, moyenne et haute troposphère. Ce travail d'examen des données, de bilan climatologique et de calcul de tendances a permis de mettre en évidence les caractéristiques spécifiques des données, les caractéristiques climatologiques de l'ozone troposphérique dans la région et de poser une hypothèse sur l'évolution des sources d'ozone dans la région. Par la suite, l'analyse de la base de données ozone de la Réunion à l'aide de l'outil trajectographique lagrangien Lacytraj a permis de mettre en évidence la saisonnalité des intrusions stratosphériques ainsi que leurs caractéristiques saisonnières à savoir la profondeur des intrusions, le rapport de mélange en ozone associé aux masses d'air d'origine stratosphérique, les distributions verticales saisonnières des intrusions stratosphériques.

Ce travail évalue le potentiel du zinc et plus particulièrement des terres rares à tracer les différents processus le long d'une catena issue d'une formation carbonatée constituée d'une succession de bancs marneux et calcaires, et ayant subi des processus de décarbonatation, des conditions redox en lien avec l'hydromorphie et de l'éluviation. L'approche choisie repose (i) sur la spéciation des terres rares, à l'aide de méthodes physiques et chimiques, dans les traits pédologiques formés par les différents processus et des matériaux aux dépens desquels ils se sont développés, (ii) sur la quantification par bilan de masse des flux de terres rares et éléments majeurs associés. Ce travail a nécessité deux mises aux points méthodologiques : une méthode de normalisation des terres rares, basée sur l'enfoncement des fronts de transformation afin de quantifier l'impact des processus successifs sur le fractionnement des terres rares ; une méthodologie de reconstruction des matériaux parentaux pour chacun des horizons, l'approche par bilan de masse nécessitant une connaissance des stocks initiaux. L'impact de deux processus sur les fractionnements de terres rares est ensuite plus particulièrement abordé : la décarbonatation des matériaux parentaux et les processus d'oxydo-réduction. On montre ainsi l'importance de comparer les quantités mises en solution aux flux calculés par les bilans de masse pour prédire le devenir des éléments libérés et l'intérêt des terres rares pour quantifier les cycles de dissolution/précipitation des oxydes de fer et de manganèse.

Les aérosols atmosphériques jouent un rôle important à la surface de la Terre. Ils influencent les propriétés radiatives de l'atmosphère et représentent des composés importants pour les questions de qualité de l'air et de santé publique dans les régions polluées. Suite à la forte diminution de la pollution soufrée survenue au cours des trois dernières décennies, l'aérosol organique représente maintenant une part importante de l'aérosol atmosphérique. Cette fraction a une nature complexe et jusqu'à présent, moins de la moitié de ses constituants chimiques ont été identifiés. La fraction soluble des HUmic LIke Substances (HULISWS) représente une des familles importantes de l'aérosol organique soluble avec une contribution en masse comprise entre 20 et 50%. L'objectif de cette thèse est de développer une méthode de mesure des HULISWS dans la glace. L'étude de ces archives environnementales, ici une carotte de glace extraite au col du Dôme (4250 m, massif du Mont-Blanc, France), permet de remonter aux concentrations en HULISWS en Europe au cours de la période 1920-1988. L'étude des concentrations et de l'absorbance spécifique des HULISWS dans la carotte de glace a permis d'identifier deux sources distinctes suivant la saison et de suivre leur évolution au cours du XXème siècle. Les HULISWS sont issus de la combustion du bois en hiver, leur absorbance est forte et leurs concentrations sont faibles et stables tout au long du XXème siècle. En été, les HULISWS sont formés par des processus secondaires ayant pour précurseurs des espèces biogéniques organiques, leur absorbance spécifique est plus faible qu'en hiver et leurs concentrations plus fortes. Les teneurs estivales en HULISWS montrent une stabilité entre 1920 et 1950 puis une tendance à l'augmentation entre 1951 et 1970 associée vraisemblablement à une augmentation des émissions de composés organiques volatils depuis la biosphère.

Des nouvelles courbes de polarisation et de radiances en fonction de l'angle de diffusion sont étudiées à _ = 632,8 nm et 543,5 nm en utilisant des instruments PROGRA2 (Propriétés Optiques des GRains Astronomiques et Atmosphériques) pour différents types d'échantillons de suie et de noir de carbone en lévitation dans l'air et déposés sur une surface. Les échantillons de suie sont produits dans des conditions de combustion différentes, affectant ainsi leurs propriétés morphologiques. Un générateur de suie a été également utilisé pour étudier des suies 'jeunes' émises par la combustion du propane. Une comparaison des propriétés optiques entre les suies en lévitation et déposées sur une surface a été discutée. Enfin, ces courbes sont comparées à celles produites par différents types de sable. Les amplitudes de polarisation produites par la suie diffèrent en fonction du diamètre des particules primaires et de la distribution en taille. Ces courbes seules sont donc insuffisantes pour estimer la nature des agglomérats solides qui pourraient être détectés par des mesures à distance dans la stratosphère. D'autre part les courbes de radiance produites par ces échantillons montrent un comportement différent de celles produites par les échantillons de sable et par la poussière interplanétaire. Il est donc important lors de l'interprétation des mesures stratosphériques de combiner les courbes de radiances avec les courbes de polarisation pour déterminer la nature des agglomérats et de fournir des informations sur la nature de suie détectée telle que la taille des particules primaires ainsi que la distribution en taille.

L'étude des aérosols de la stratosphère est primordiale pour modéliser précisément le bilan radiatif terrestre, et pour évaluer l'influence des particules sur le cycle de destruction de l'ozone. Depuis la découverte de la couche de Junge, ce domaine de recherche connaît différents décors, du plus important contenu en aérosols du dernier siècle après l'éruption du Mont Pinatubo en 1991, à un rétablissement vers les faibles niveaux atteints dans les années 2000, qui permet l'étude des particules autres que celles d'origine volcanique. Cependant, à ce jour, le degré de connaissance est faible quant à la distribution spatiale et verticale de ces aérosols dans la moyenne et haute stratosphère. Leur détection présente plusieurs difficultés: les particules ont une grande variété d'origines, compositions, tailles et formes, et leurs faibles épaisseurs optiques rendent indispensables des résultats précis. Un algorithme d'inversion développé au LPC2E a été adapté à l'analyse des données de niveau 1b de l'instrument GOMOS à bord d'ENVISAT, qui emploie la technique d'occultation stellaire, et fournit une bonne (mais irrégulière) couverture géographique et temporelle des mesures; un critère de sélection est d'ailleurs nécessaire du fait de l'utilisation de sources lumineuses de propriétés différentes. La méthode mise au point est validée pour l'étude de l'extinction induite par les aérosols; une climatologie globale est alors établie pour la période allant d'août 2002 à juillet 2006, et indique la présence permanente de particules dans l'ensemble du globe, jusqu'à environ 45 km d'altitude. La variabilité temporelle de l'extinction montre une augmentation progressive du contenu moyen depuis 2002 aux latitudes tropicales dans la basse stratosphère, et a permis d'évaluer l'effet de l'oscillation quasi-biennale et d'étudier d'autres variations saisonnières. La dépendance spectrale permet de déduire certaines spécificités concernant la taille et la nature des aérosols, majoritairement des particules sulfatées, mais également des suies en provenance de la troposphère et des particules d'origine interplanétaire.

Le golfe du Tonkin, située dans la mer de l'Est/la mer de Chine du Sud, est une zone de fort intérêt écologique, touristique et économique. Améliorer notre connaissance de ses processus hydro-sédimentaires (transport de particules en suspension) est d'une grande importance. L'objectif scientifique de cette étude est de revoir les processus physiques dominants qui caractérisent la dynamique des marées dans le golfe du Tonkin en utilisant un modèle à haute résolution et la combinaison de toutes les données disponibles. Une attention particulière est donc accordée à un examen croisé du modèle, des marégraphes et de l'altimétrie en zone côtière, ainsi qu'à l'étalonnage du modèle dérivé d'un ensemble d'expériences de sensibilité aux paramètres. Le bilan d'énergie des marées du golfe (flux d'énergie et de dissipation) est ensuite analysé et ses propriétés de résonance sont évaluées et comparées avec des modèles idéalisés et les observations. Ensuite, la marée résiduelle eulérienne et lagrangienne est évaluée. Enfin, on montre que le mélange de marée ne suffit pas à expliquer les structures frontales observées et associées à des concentrations élevées de chlorophylle.

Cette étude a pour objectif d'analyser le rôle des ondes de Rossby dans la variabilité des courants-jets troposphériques des moyennes latitudes à l'aide d'un modèle numérique idéalisé. Elle s'intéresse aux mécanismes dynamiques responsables de la persistance des principaux modes de variabilité : celui de déplacement méridien et celui de pulsation d'amplitude. Le premier est souvent le principal mode de variabilité du fait de sa grande persistance causée par une rétroaction positive des ondes de Rossby.Deux nouveaux types de rétroactions négatives ont été mis en évidence à une échelle de temps plus courte que cette rétroaction classique et dont le mécanisme dépend de la nature des ondes impliquées. Ces différents mécanismes sont aussi retrouvés et ainsi validés dans le contexte plus réaliste des données de réanalyse.Une réflexion sur les conséquences du changement climatique est aussi proposée via l'étude de sensibilité menée sur trois paramètres clés du modèle : le gradient méridien de température, conduisant à un mode de déplacement plus persistant dans le futur, la position moyenne du jet, conduisant à un mode moins persistant pour des jets plus proches du pôle, et enfin la friction dans les basses couches de l'atmosphère, aussi étudiée car étant un paramètre plutôt difficile à évaluer et présentant une forte disparité entre les modèles.Cette thèse a donc permis de mettre en évidence deux nouveaux mécanismes de rétroaction des ondes sur les courants-jets et de développer des diagnostics théoriques qui pourront être plus amplement testés et appliqués dans d'autres contextes, particulièrement des réanalyses et des simulations de climat réalistes. / This study investigate the impact of Rossby waves on the tropospheric midlatitude eddy-driven jets using an idealized numerical model. It focuses on the dynamical mechanisms driving the persistence of the main modes of variability: a shifting mode and a pulsing mode. The shifting mode is often found to be the leading mode of variability due to an enhanced persistence caused by a positive feedback of Rossby waves. Two new kinds of negative feedbacks have been found for a shorter time-scale than the more classical feedback which mechanism depends on wave properties. These new mechanisms have also been found in the more realistic set up of reanalysis. The impact of climate change is also investigated using the sensitivity analysis of the model to three key parameters : the meridional gradient of temperature, which leads to longer lasting phases of the shifting mode in the future, the jet mean position, which leads to less persistent shifting mode for poleward shifted jets, and frictional damping, because it is a parameter difficult to tune and which varies between numerical models. In conclusion, two new feedback mechanisms acting on eddy-driven jets variability have been found and theoretical diagnostics have been developed and could be used to probe more realistic data such as future climate simulations and reanalysis.

Ce travail de thèse vise à caractériser l’interaction entre composés organiques volatils et poussières minérales atmosphériques. Les COV sélectionnés sont l’isopropanol (IPA), l’isoprène (ISP) et l’acide acétique (AcA). Cinq échantillons naturels de poussières minérales provenant de zones désertiques situées dans plusieurs régions du globe ont été retenus.Il a été mis en évidence que l’origine et donc la composition chimique des poussières naturelles joue un rôle majeur dans la nature de leur interaction avec les COV. Plus particulièrement, les coefficients de capture tendent à croître avec les rapports élémentaires Al/Si et Fe/Si. De plus, il est montré que l’interaction entre COV et poussières est fortement impactée par l’humidité relative et la température.Plusieurs modes d’interaction entre les COV et les poussières étudiés ont été mis en évidence : physisorption, chimisorption ou adsorption réactive. Ils dépendent de la composition chimique des poussières et de la structure des COV. En fonction du mode d’interaction, ces processus hétérogènes peuvent être considérés comme des puits de COV primaires voire des sources de COV secondaires en phase gazeuse. Ce travail met en lumière la contribution des processus hétérogènes dans l’atmosphère. / This thesis investigates the interactions of volatile organic compounds (VOCs) with natural mineral dust samples. The VOCs used are isopropanol (IPA), isoprene (ISP) and acetic acid (AcA). Five natural mineral dust samples originating from various desert regions all over the world are used in this study.It is evidenced that the origin, I.E. the chemical composition, of the natural dust sample plays a significant role in defining the nature of its interaction with the VOCs. In particular, an increase of uptake is observed with increasing Al/Si and Fe/Si elemental rations. Moreover, the dust-VOC interaction is evidenced as being highly impacted by relative humidity and temperature.Various interactions modes have been evidenced between dust and VOCs such as physisorption, chemisorption and reactive sorption depending on the chemical composition of the dust and the structure of the VOC. Depending on the interaction mode, heterogeneous processes can act as a sink of primary VOCs or even a soure of secondary oxygenated VOCs in the gas phase. This work emphasiez the contribution of heterogeneous processes to the atmosphere.