Le Système de Surveillance International (SSI), destiné à vérifier l'application du Traité d'Interdiction Complète des Essais Nucléaire (TICE), est constitué de quatre réseaux de stations : sismologiques, hydroacoustiques, radionucléides et microbarométriques. Ces dernières enregistrent en continu les ondes infrasonores dans la bande de fréquence 0.02-4 Hz. Ces ondes se propagent dans l'atmosphère sur de longues distances à travers les guides résultant de la stratification naturelle des propriétés atmosphériques (température, densité, vents, ...) et représentent une source d'information pour comprendre la dynamique atmosphérique jusque dans la basse thermosphère. L'objectif de cette thèse est d'analyser dans quelle mesure les observations infrasonores peuvent être assimilées dans les modèles atmosphériques.Nous commençons par décrire l'atmosphère et ses mécanismes de circulation ainsi que les différentes techniques d'observations utilisées pour le développement des modèles atmosphériques. L'analyse descriptive de l'interaction des ondes infrasonores avec l'atmosphère permet de mettre en évidence l'intérêt des mesures infrasonores par rapport aux méthodes de mesures conventionnelles. Afin de rendre compte de ce potentiel nous développons un algorithme d'inversion afin d'estimer des paramètres atmosphériques dont le problème direct est traité par une méthode de tracé de rayons. Le développement des formes perturbatives des équations des rayons pour des perturbations du milieu de propagation, et plus particulièrement des paramètres de vents, est décrit en détail. Nous formulons et analysons le problème inverse au travers de différents cas d'études synthétiques visant à mettre en évidence les conditions d'applications de l'algorithme.Les résultats obtenus témoignent de la pertinence de notre approche et montre que l'apport des observations infrasonores peut-être significatif au niveau des altitudes de réfraction de l'énergie acoustique, c'est-à-dire à environ 50 km et entre 100 et 120 km d'altitude. / The International Monitoring System (IMS) designed to monitor compliance with the Comprehensive Nuclear Test-Ban Treaty (CTBT) uses four complementary verification methods : seismic, hydroacoustic, radionucleide and microbarometric stations spanning the entire globe. Microbarometric stations record continuously infrasonic waves in the frequency band 0.02-4 Hz. These waves propagate at long-ranges through atmospheric ducts resulting from the natural stratification of atmospheric properties (temperature, density, winds, ...) and represent a valuable information to understand atmospheric dynamic until the lower thermosphere. In this thesis, we seek to determine the possible contribution of infrasound observations for improving current atmospheric specifications.We describe the atmospheric media and its circulation mechanisms as well as the conventional observations used in the development of atmospheric models. A description of the interaction between infrasonic waves and the atmosphere help to understand the interest of microbarometric measurement compared with conventional observations. To highlight this potential we develop an inverse algorithm in order to estimate atmospheric parameters from infrasonic observations. The forward problem is handled by a ray-tracing algorithm. First-order perturbation equation resulting from perturbation of atmospheric properties, and especially wind parameters, are developped and numerically validated. We then analyse the inverse problem through several numerical experiments in order to show the capabilities and limitations of our algorithm.Results show the suitability of our approach and indicate that infrasonic observations can significantly improve current atmospheric specification at the altitudes of acoustic energy refraction, i.e. around 50 km and between 100 and 120 km.

Le travail de thèse s'organise en plusieurs parties. Le premier chapitre décrit le cadre scientifique dans lequel s'inscrit la thèse : branche atmosphérique du cycle du carbone, changement climatique et protocole de Kyoto, réseau de mesures actuel et principales missions spatiales. Ce chapitre montre notamment comment s'insèrent les différents aspects que j'ai traité pendant la thèse: modélisation, expérimentation et études théoriques dans le cadre plus général de la restitution des flux de surface et de la mesure du C02 atmosphérique. Au final, je m'intéresse plus particulièrement à l'apport scientifique et aux objectifs d'une mesure de C02 atmosphérique par Lidar DIAL à partir de l'espace. Dans le chapitre II, on s'intéresse au domaine d'étude et plus particulièrement à l'évolution du C02 atmosphérique à la méso-échelle. La représentativité temporelle horizontale et verticale d'une mesure de C02 est évaluée dans le but de cadrer l'étude expérimentale. Par ailleurs on y étudie les processus à l'origine de la variabilité du rapport de mélange dans les différentes parties de 1'atmosphère pour mettre au point une méthode de mesure efficace permettant de rendre compte des phénomènes observés. Nous verrons comment cc travail d'étude du C02 atmosphérique à la moyenne échelle a permis, entre autre, de mettre au point une méthode originale de restitution et de caractérisation des flux de surface naturels dans la région du Sud-Ouest parisien. Fort de cette étude et des objectifs de mesure décrits dans le chapitre I, le chapitre III discute la mesure DIAL avant d'en rechercher une optimisation pour obtenir le maximum de précision sur la mesure de concentration. Un soin tout particulier est porté à la spectroscopie, à l'optimisation de paramètre tels que l'épaisseur optique de la colonne d'air sondée et l'énergie des impulsions lasers émises dans l'atmosphère, et à l'analyse des erreurs statistiques et systématiques. Le chapitre IV décrit le système expérimental réalisé au Laboratoire de Météorologie dynamique pendant ces trois années: LIDIA. " Lidar pour la mesure du Dioxyde de carbone Atmosphérique ". Le Lidar DIAL Doppler a été conçu à partir d'un Lidar Doppler déjà existant au Service d'Aéronomie [Bruneau-00, Le Rille-02]. Le chapitre décrit le Lidar, les différentes transformations, les éléments ajoutés et les performances du système global dans le cadre des mesures DIAL. Un intérêt particulier est donné au traitement de signal. Suit alors la partie principale du travail de recherche avec la présentation et la discussion des résultats expérimentaux. Des mesures réalisées de jour et de nuit en fin d'année 2004 et pendant l'année 2005 y sont décrites pour illustrer les différentes possibilités d'une mesure DIAL pour répondre aux objectifs scientifiques décrits dans le chapitre I : mesures intégrées au niveau du sol et validation avec des mesures in-situ, mesures verticales dans la couche limite atmosphérique (CLA), utilisation des cibles nuageuses, mesures dans la troposphère libre et mesures résolues dans la CLA. Nous voyons notamment l'apport de mesures de vent et de vitesses verticales simultanées avec des mesures de concentration pour expliquer les processus naturels ou anthropiques à l'origine de la variation temporelle du rapport de mélange en CO2. Le dernier chapitre s'appuie sur le travail expérimental précédent pour prévoir les performances de futurs systèmes de mesure DIAL aéroporté ou spatial capable de répondre aux objectifs scientifiques à moyen et long terme. Différentes perspectives de travail pour l'amélioration du système expérimental et pour la conception d'un nouveau système y sont abordées. Enfin une conclusion permet de souligner et de rassembler les principaux résultats du travail de thèse.

Les sources renouvelables (solaire, éolien, vapeur d'eau atmosphérique) représentent des solutions alternatives intéressantes pour répondre aux besoins de certaines populations isolées sans électricité et en stress hydrique (moins de 15 L d'eau par jour). Des condenseurs radiatifs de production d'eau douce potable ont été élaborés par l'utilisation d'un phénomène naturel (refroidissement radiatif) ne nécessitant pas d'apport d'énergie. Depuis 2000, l'Université de Corse, le CEA et le CNRS se sont conventionnés pour développer des outils et des technologies performantes pour effectuer la transition entre des prototypes de laboratoire et des systèmes réels. Afin de s'approcher du rendement théorique maximum (0,8 L m-2), des protocoles de mesure, puis des prototypes " plan "de 30 m² ont été construits. Un code numérique (CFD) a été développé pour estimer les performances de systèmes complexes à grande échelle (plusieurs centaines de m²) avant leur installation. De nouveaux matériaux de condensation faisant l'objet d'un brevet déposé, sélectifs en longueur d'onde, ont été formulés pour répondre à la fois à des contraintes de climatisation passive des bâtiments en cycle diurne et de production d'eau en cycle nocturne. En partenariat avec l'association OPUR (www.opur.u-bordeaux.fr), une toiture de démonstration de 15,1 m² à Biševo en Croatie (0,181 mm en moyenne), ainsi qu'une usine de production de 850 m² (15000 m² à terme) confirment le potentiel de la technologie puisque les rendements attendus pourront atteindre 5 m3 d'eau par jour. Parallèlement, le solaire et l'éolien, dans un système hybride de production d'énergie décentralisée (couplés avec une source auxiliaire type fossile ou hydrogène) peuvent pallier l'absence d'électrification de certaines régions du Globe. Dans ce mémoire, des codes de calcul de dimensionnement de ces systèmes ont été élaborés pour une optimisation physique et économique de ces techniques répondant soit à l'électrification de sites isolés soit à la production massive d'électricité par connexion à un réseau de distribution pour différentes applications (relevage de chutes de tension ou production en continu). Les résultats obtenus permettent d'envisager l'utilisation du couplage EnR-H2. A ce titre, notre équipe de recherches a obtenu le financement d'une centrale PV-H2 sur le site du laboratoire : 3,6 MW couplé à un électrolyseur et une pile à combustible de puissance de plus de 100 kW.

La compréhension de la structure de la turbulence dans la couche de surface de l'atmosphère est cruciale pour l'amélioration de la prédiction du temps. Dans ce travail de thèse, nous nous appuyons sur des mesures de turbulence collectées par les anémomètres soniques de l'observatoire du SIRTA et sur des simulations numériques ("large eddy simulations") en 3-D à l'aide du modèle ARPS prenant en compte les interactions végétation/atmosphère, pour étudier la structure de la turbulence atmosphérique pour différents types de surface (champ, forêt, bâtiments). La turbulence est abordée de manière statistique, avec le calcul des variables moyennes telles que les flux turbulents, de quantité de mouvement et de chaleur, ou encore l'énergie cinétique turbulente, et de manière déterministe. Dans ce second cas, nous utilisons une méthode de détection des structures cohérentes, basée sur une transformée en ondelettes, afin de déterminer leurs propriétés telles que leur fréquence d'occurrence ou encore leur contribution relative aux flux turbulents. Les résultats de ce travail de thèse montrent principalement que malgré l'impact important de la complexité du terrain sur les variables moyennes de la turbulence que sont les flux ou l'énergie cinétique turbulente, des propriétés majeures des structures cohérentes (fréquence d'occurrence, durée et temps de séparation, contribution aux flux...) apparaissent indépendantes de la nature du terrain. Ce résultat est dû au fait que les structures cohérentes détectées à partir des séries temporelles de la température ou de la vitesse verticale sont représentatives de la turbulence active qui s'ajuste rapidement aux conditions locales de la surface.

Afin de mieux comprendre les sources et flux de nitrate dans la zone euphotique et le rôle potentiel de la fixation de l'azote atmosphérique dans la région du front des Açores (Atlantique nord-est subtropical), nous avons étudié la distribution du δ15N et δ18O du nitrate à six stations. Nous avons également mesuré le δ15N de l'azote organique dissous (AOD) de l'eau de surface, ainsi que la composition isotopique de l'azote particulaire (AP) exporté de 2003 à 2005 à la station KIEL276 (2000 m de profondeur). Nous observons une diminution du δ15N-NO3 et une augmentation du δ18O-NO3- à mesure que la concentration de nitrate diminue dans l'eau de surface pour la plupart des stations. Étant donné que l'assimilation du nitrate par le phytoplancton produit un enrichissement égal du δ15N et δ18O du nitrate, les anomalies des isotopes du nitrate dans l'eau de surface (Δ(15;18) jusqu'à ~-6%o) indiquent que l'assimilation du nitrate n'est pas le seul processus qui contrôle la composition isotopique du nitrate dans la zone photique et suggère qu'il y a reminéralisation d'azote atmosphérique nouvellement fixé dans les eaux de surface et sous surface. La concentration et le δ15N de l'AOD de l'eau de surface sont spatialement invariables avec des valeurs moyennes respectives de 4,7±0,5 f-µmol/L et 2,6±0,4%o (n=35), ce qui est en accord avec l'idée d'un réservoir océanique d'AOD majoritairement récalcitrant. La moyenne pondérée du δ15N de l'AP exporté (1,8±0,8%o, n=33) pendant les deux années d'échantillonnage est faible par rapport à la valeur du δ15N du nitrate dans la thermocline. Le faible δ15N de l'AP exporté, avec les anomalies isotopiques du N et O du nitrate et l'observation de ratios élevés des concentrations de nitrate par rapport au phosphate dans les eaux de surface et sous surface suggèrent fortement que la fixation de l'azote atmosphérique, étant un apport de matière organique ayant un faible δ15N, représente une composante majeure du cycle de l'azote dans l'Atlantique nord-est subtropical. Des bilans isotopiques simplifiés (pour le N et O du nitrate) indiquent que la fixation de l'azote, à un taux de 56-75 mmol N m-2 an-1, pourrait représenter jusqu'à ~40% de la production primaire exportée et être ainsi aussi importante que la diffusion verticale du nitrate à travers la thermocline pour soutenir la production nouvelle. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Fixation de l'azote, Front des Açores, Atlantique nord-est subtropical, δ15N et δ18O du nitrate, δ15N de l'azote organique dissous, δ15N de l'azote particulaire exporté.

Pour la première fois, nous avons utilisé les isotopes de l'osmium, comme traceurs de l'empreinte environnementale d'une aluminerie Rio Tinto Alcan située au Saguenay. La technologie « précuite » de l'entreprise permet de réduire l'alumine en aluminium métallique, grâce à des anodes de carbone. Ces anodes sont consumées au cours du procédé d'électrolyse et parce qu'elles sont constituées de coke de pétrole et de brai (résidus de matières pétrolifères à l'âge géologique important) aux rapports Re/Os élevés, l'osmium qui s'y trouve est radiogénique (riche en isotope 187Os, le produit de la désintégration radioactive du 187Re). Par conséquent, il en est de même pour l'osmium présent dans les émissions atmosphériques de ce type d'industrie. Les signatures isotopiques mesurées sur les anodes et aux cheminées de l'usine sont très radiogéniques (187Os/188Os = 2,04 à 2,86). Dans l'environnement proche de l'usine, nous avons observé une forte teneur en Os dans des dépôts de surface. Elle diminue au fur et à mesure que l'on s'éloigne de l'usine, jusqu'à atteindre 25 ppt au point d'échantillonnage le plus proche de la limite de la propriété industrielle (la valeur moyenne pour la croûte continentale est d'environ 30 ppt). La composition isotopique des émissions atmosphériques particulaires de l'usine est donc différente des autres sources d'osmium anthropogéniques usuelles, provenant de contextes géologiques ultramafiques. L'Os est donc un bon candidat pour surveiller les émissions atmosphériques d'une aluminerie; sa signature isotopique en sortie d'usine étant sensiblement distincte de celle de l'environnement naturel (croûte continentale moyenne 187Os/188Os ~ 1.2). Pour le cas particulier de l'usine étudiée ici, la charge sédimentaire régionale (mesuré sur des niveaux pré-anthropiques d'un forage dans la Baie des Ha!-Ha!) présente une composition isotopique similaire à celle du matériel anodique, rendant plus difficile la détection d'un apport en Os provenant des anodes sur la base de la composition isotopique. Par contre, l'absence d'augmentation des teneurs en Os entre les niveaux pré-industriels et actuels tend à démontrer un faible apport anthropique (toutes sources confondues) à cet environnement sédimentaire. En tentant d'établir le bilan annuel d'osmium de l'usine G-B, nous constatons une perte d'osmium en sortie d'usine, représentant près de 65% de la quantité totale entrant en usine. Cette perte d'Os particulaire dans le bilan pourrait être expliquée par les conditions thermodynamiques du procédé d'électrolyse, qui sont favorables à une liaison entre l'osmium et le fluor, favorisant ainsi une libération de l'osmium sous forme gazeuse (OsFx) aux cheminées. Globalement, cette étude démontre que les isotopes de l'Os sont de bons traceurs de matières particulaires provenant de l'industrie de l'aluminium, et illustre l'efficacité des dispositifs de réduction des émissions atmosphériques particulaires pour l'osmium. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Osmium, isotope, géochimie isotopique, aluminerie, anode de carbone, Re-Os, émissions atmosphériques particulaires.

L'utilisation des combustibles fossiles, en plus d'augmenter la concentration du CO2 mondial, abaisse la lumière directe que l'on reçoit du soleil en la diffractant. Cet "assombrissement global" peut, contrairement au CO2, diminuer la croissance des arbres car il diminue la lumière donc la photosynthèse est moins importante. L' "assombrissement global", dans le cadre de l'analyse de cernes, présente un atout par rapport à évaluer seulement l'effet du CO2 comme changement global. On peut théoriquement déduire son effet sur les cernes en observant l'évolution de la relation entre les cernes et la lumière. Cela est possible car la lumière arrivant à la surface du globe suit un cycle déterminé de 11 ans. Ce cycle, le cycle solaire, est bien connu et nous savons qu'il exerce un effet sur les cernes depuis les travaux de Douglass au début du siècle passé. L'étude de l'effet de l' "assombrissement global" sur les cernes est donc un sujet de choix si l'on veut examiner une variable qui peut induire un changement lent sur le long terme, ou une tendance. Mais les méthodes traditionnelles d'analyse des cernes de croissance sont mal adaptées à la recherche de telles tendances. Au cours de cette thèse nous avons testé des méthodes statistiques modernes pour l'analyse de l'effet de la lumière en lien avec l’ "assombrissement global" sur les cernes de croissance des arbres. Ces méthodes ont ensuite été utilisées pour détecter les tendances environnementales dans les cernes. Ainsi, l'utilisation d'une méthode aveugle de séparation des signaux sources, l'analyse en composants indépendants (ICA), évite certaines suppositions et permet d'éliminer les effets des perturbations sur la croissance. Le premier chapitre de cette thèse décrit en détail cette méthode et la teste sur des données simulées de cernes de croissance d'arbres. On retrouve donc la composante climatique de la croissance isolée, telle que décrite dans le model linéaire agrégé classique. Le second chapitre applique cette méthode différemment. En effet, nous avons voulu tester la capacité de l'ICA à trouver des perturbations. On a donc ré-analysé des données dendroécologiques provenant de publications traitant d'épidémies d'insectes. Nos résultats montrent que l'ICA est capable de détecter les perturbations dans les cernes de croissance déjà identifiées et que cette méthode peut permettre l'analyse des perturbations lorsqu'il est difficile de mettre en œuvre les méthodes traditionnelles avec les données disponibles. Ensuite, dans le chapitre III, nous utilisons l'ICA dans une analyse de gradients climatiques pour voir si la température, les précipitations et la lumière ont un effet sur les cernes. Nos résultats montrent que la corrélation entre la lumière et les cernes augmente progressivement au cours du temps. Cette augmentation semble être en relation avec le niveau de pollution atmosphérique. Elle est plus forte au Népal où la proximité de l'Inde apporte de nombreux polluants, un peu moins forte en Argentine et non présente en Sibérie où la pollution est majoritairement hivernale (donc durant la saison sans croissance arborescente). Le niveau de pollution semble donc influencer la relation entre les cernes et la lumière. On peut ainsi supposer que la lumière diffuse produite par la pollution influence positivement la croissance, en contraste avec notre supposition originale. Au chapitre IV, nous voulions vérifier si le niveau de pollution influençait effectivement l'effet de la lumière sur la croissance des arbres au niveau mondial. Nous avons comparé les données d'un réseau mondial de 183 stations de mesures de la pollution atmosphérique avec l'effet du cycle solaire sur les cernes de 841 sites forestiers à proximité de ces stations. Les résultats montrent que pour les sites forestiers provenant des écosystèmes méditerranéens et altitudinaux la pollution augmente l'effet de la lumière diffuse sur la croissance depuis 1960. Dans le chapitre V, j'utilise la réaction des arbres lors des deux plus importantes éruptions volcaniques du siècle dernier pour voir si la lumière diffuse augmente bien la croissance des arbres et que cet effet n'est pas dû à la baisse concomitante de la température. Ces deux éruptions sont d'intensité égale, mais au cours de l'une d'elles un événement climatique (El Nino) a masqué son effet de refroidissement. L'analyse de 210 sites forestiers sélectionnés de façon aléatoire dans le monde entier, nous indique que c'est bien la lumière diffuse qui influence la croissance et non pas la baisse de température qui lui est associée. Au cours de cette thèse nous avons montré que la lumière modifiée par l' "assombrissement global", c'est-à-dire une baisse de la lumière directe au profit de la lumière diffuse, augmente la croissance des arbres. Ce phénomène est surtout présent pour les écosystèmes qui sont limités en eau. Cet effet de la lumière diffuse pourrait rendre difficile l'identification d'un effet de la fertilisation due au CO2. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : dendro-chronologie, dendro-climatologie, pollution atmosphérique

Les micro-jets de plasma, se propageant dans un flux d'hélium entouré d'air libre, à pression atmosphérique et à température ambiante, ont attiré l'attention des chercheurs depuis une dizaine d'années. Ces micro-jets sont créés dans une décharge à barrière diélectrique alimentée par des impulsions de tension. Ils se propagent dans le flux d'hélium à l'extérieur de la DBD sous la forme d'une onde d'ionisation. Le plasma est confiné spatialement là où l'hélium est dominant, car l'ionisation de l'air nécessite un champ électrique plus important que celui présent dans le front d'ionisation. Leurs applications biomédicales sont prometteuses car ils permettent de produire des espèces réactives à quelques centimètres de distance de la DBD sans augmenter la température du gaz. Dans cette thèse, l'objectif a été de développer une meilleure compréhension de l'influence des conditions expérimentales et de la géométrie de la DBD sur les propriétés des jets de plasma. À ces fins, l'écoulement d'hélium a été étudié expérimentalement et numériquement, et des simulations sur la génération et la propagation du micro-jet de plasma ont été réalisées. / Microplasma jets propagating in a helium flow surrounded by air at ambient pressure and temperature have attracted the attention of many researchers over the past decade. These microplasma jets are ignited in a cylindrical dielectric barrier discharge (DBD) powered by impulse or sinusoidal voltage pulses with an amplitude of several kilovolts and then propagate as an ionization wave in the helium flow outside the DBD. The plasma so-generated is confined to the region where helium is the dominant species because ionization of the surrounding air requires a significantly higher electric field strength than is present at the ionization front in the plasma jet. The putative biomedical applications of microplasma jets are particularly promising because they provide a way of producing reactive oxygen and nitrogen species some centimeters downstream from the DBD without significant gas heating. The objective of the work reported in this thesis has been to develop a better understanding of the influence of the operating conditions and geometry on the properties of the plasma jets. To this end, experimental and numerical studies of the hydrodynamics of the helium flow and simulations of the generation and propagation of the microplasma jet have been carried out.

La modélisation de la propagation acoustique longue distance du bang sonique dans l’air nécessite de prendre en compte la complexité des phénomènes en interaction : turbulence atmosphérique, gradients de célérité du son, impédance et rugosité du sol, et propagation non-linéaire. L’évaluation des nuisances sonores, et la validation des modèles par la comparaison avec des mesures en extérieur est délicate, car les conditions atmosphériques ne peuvent être ni suffisamment contrôlées ni caractérisées de façon extensive. Une alternative est la réalisation d’expériences à l’échelle du laboratoire où le milieu de propagation, la source sonore et les récepteurs peuvent être contrôlés et caractérisés. Ce travail porte sur la propagation à travers la turbulence d’ondes dites ’en N’, de forte amplitude et de courte durée, en champ libre ou en présence d’une paroi plane, avec un gradient de célérité du son causant une ”zone d’ombre” près du sol. Les impulsions sonores sont expérimentalement générées par claquage électrique entre deux électrodes. La turbulence est créée par convection libre au-dessus d’une grille de résistances chauffées, et la zone d’ombre acoustique est obtenue au moyen d’une paroi cylindrique. La mesure est réalisée à l’aide de microphones 1/8”.Pour l’étude de la source, une technique de strioscopie a été mise en œuvre afin de déterminer la forme d’onde. Le niveau de pression doit cependant être déterminé par une analyse complémentaire, basée sur la théorie des chocs faibles avec une forme d’onde différente de l’onde en N idéale. Un des facteurs limitant des expériences à l’échelle du laboratoire est la transposition vers une gamme ultrasonore, afin que le rapport longueur d’onde - distance de propagation reste du même ordre de grandeur que pour l’atmosphère. Constatant qu’il n’existe pas de méthode de calibration adaptée dans une gamme de fréquence de 10 kHz à 1 MHz (typique des expériences à l’échelle du laboratoire), une nouvelle méthode de calibration a été proposée et appliquée avec succès. En champ libre, la turbulence thermique cause en moyenne une atténuation du pic de pression. Des zones de focalisation aléatoire existent néanmoins, où l’amplitude de l’onde est multipliée par 3. Les répartitions statistiques du pic de pression ont été décrites avec un excellent accord par une loi de probabilité de type Gamma généralisée. La présence d’une frontière peut en outre donner lieu à des réflexions irrégulières, en raison des niveaux de pression importants. Nous avons mis en évidence ce phénomène dans l’air avec une paroi plane ou cylindrique. Pour l’étude de la propagation en zone d’ombre acoustique, un résultat important de la thèse est que, contrairement à la propagation en champ libre, la probabilité que la turbulence atténue le pic de pression en zone d’ombre est nulle. Cette observation suggère qu’avec turbulence, le mécanisme dominant de propagation est la diffusion acoustique par les structures turbulentes. Ceci aurait pour conséquence dans le cas du bang sonique l’extension de la zone d’exposition sonore sous la trace de l’avion (carpette primaire). / Long range sound propagation in the atmosphere is influenced by several effects: atmospheric turbulence, sound-speed gradients, ground properties (impedance, rugosity) etc. In the context of supersonic aircraft, nonlinear propagation of the sonic boom has to be taken into account. To evaluate the influence of these different effects, a statistical analysis is needed. However, field measurements suffer from a lack of control on atmosphere characteristics, and the statistical analysis remains circumscribed by the limited number of aircraft flight tests. An alternative to outdoor measurements is to perform experiments under well-controlled laboratory conditions. These experiments allow to study the effects purely related to the turbulent layer and to the sound-speed gradient. The propagation of high amplitude and short duration N-waves through thermal turbulence is studied. In particular, the influence of a rigid boundary and a negative sound-speed gradient resulting in a shadow-zone near the boundary, are pointed out. An experimental setup has been designed : N-waves are generated using a spark source. Thermal turbulence is obtained with a grid of electrical resistors, and the shadow-zone is obtained used a curved boundary. Measurements are performed using 1/8” microphones, and a schlieren shadowgraphy technique. The real pressure waveform (different from the ideal N-wave) delivered by the spark source has been obtained using the strioscopy technique, up to a multiplicative constant. Weak-shock theory enables to estimate the pressure level under the assumption that the pressure waveform is an ideal N-wave. This method has been modified to take into account the real pressure waveform. Because of the geometrical scaling, laboratory-scale experiments lead to a shift to a higher frequency domain : typically, 10 kHz – 1 MHz. In this frequency range, no calibration method is available up to now. A new method has been proposed and successfully applied. Free-field propagation of high-amplitude N-waves through the turbulent layer leads to a mean attenuation of the pressure level. However, random focus of the pressure waves can be observed, up to factor of 3. Probability densities of the shock overpressure have been described with an excellent agreement by a generalized Gamma probability distribution. With a rigid boundary, irregular reflections of shockwaves can be observed because of the high pressure level. This type of irregular reflections has been outlined either with a plane or a cylindrical boundary. Propagation in an acoustical ”shadow zone” lead to an amplification of the pressure, contrary to the free-field observations. An important result of the experiment is that the probability to observe an attenuation of the pressure level is null, for every single wave propagating in the ”shadow zone”. This result suggests that, with turbulence, the dominant propagation mechanism into the shadow-zone is scattering by sound-speed in homogeneities. In the context of sonic boom exposure on the ground, this would lead to an extension of the primary carpet of the aircraft.

De nombreuses applications pratiques ou industrielles, telles que l’étude de la dispersion atmosphérique de polluants, la qualité de l’air, la micro-météorologie en terrain complexe et l’évaluation du potentiel éolien, nécessitent la prédiction précise de l’écoulement atmosphérique à une échelle dite locale (environ 10 km horizontalement). Le travail de recherche dans le cadre de cette thèse s’inscrit donc dans la proposition d’une chaine de méthodologies et de modélisations permettant de simuler l’écoulement atmosphérique à cette échelle, avec une résolution spatiale horizontale hectométrique. Tout d’abord, nous nous sommes intéressés à la modélisation de la turbulence dans la couche limite atmosphérique (CLA). Pour cela, nous avons choisi le modèle RANS k− ε (déjà largement utilisé dans la littérature), ainsi que le modèle RANS Ri j − ε afin de simuler l’anisotropie de la turbulence. Nous avons ainsi pu vérifier la nécessité d’utiliser les constantes de Duynkerke (1988) pour l’atteinte des niveaux de turbulence atmosphérique avec le modèle k− ε. Dans cette optique, nous avons également développé un nouveau jeu de constantes atmosphériques pour le modèle Ri j − ε. Finalement, nous avons proposé un modèle théorique capable de reproduire les caractéristiques turbulentes de l’écoulement pour n’importe quel temps d’intégration, permettant ainsi de trouver une continuité entre les constantes « standards » et les constantes « atmosphériques » des modèles de turbulence. D’autre part, nous avons développé l’approche de modélisation « CFD 1D-3D », qui consiste en l’utilisation d’un modèle CFD 1D afin de fournir les profils verticaux nécessaires pour forcer le code CFD 3D en données météorologiques (utilisé en topographie complexe). Le modèle 1D a été développé au cours de cette thèse avec les modèles de turbulence k− ε et Ri j− ε. Il a été validé grâce à une comparaison avec des résultats empiriques et théoriques issus de la littérature. Cette comparaison a montré des résultats très encourageants de ce modèle dans la simulation de la CLA en sol plat. De plus, la méthodologie « CFD 1D-3D » a été évaluée grâce à une comparaison avec des mesures en soufflerie en présence d’un relief complexe : les résultats sont globalement très satisfaisants. Ces comparaisons ont permis enfin de valider le nouveau jeu de constantes pour le modèle Ri j− ε. Finalement, nous nous sommes intéressés à l’utilisation de calculs CFD partiellement convergés comme moyen de réduction du temps CPU des codes CFD, dans des contextes d’utilisation opérationnelle. Dans cette optique, nous avons montré que l’on arrive à une solution dont l’erreur est faible par rapport à la solution convergée (< 10% d’erreur), avec un temps CPU de l’ordre de 5%−10% du temps nécessaire pour atteindre la convergence. C’est un résultat très intéressant car il permet de réduire considérablement le temps de calcul, tout en gardant une erreur faible devant l’incertitude générale de l’approche CFD. / Many practical and industrial applications, such as the study of atmospheric dispersion of pollutants, air quality,micro-meteorology in complex terrain and wind assessment, require accurate prediction of the atmospheric flow at a so-called local scale (approximately 10 km horizontally). Therefore, the main objective in this thesis is to propose a chain of methodologies capable of simulating the atmospheric flow at this scale, with a horizontal hectometric spatial resolution. First of all, we were interested in modeling of turbulence in the atmospheric boundary layer (ABL). In addition to the largely used RANS k−ε model, we considered the use of the RANS Ri j− ε model as a way of simulating turbulence anisotropy.We were able to verify the necessity of using the Duynkerke (1988) constants in order to achieve atmospheric levels of turbulence with the k− ε model. In a similar way, we also developed a new set of atmospheric constants for the Ri j− ε model. Finally, we proposed a theoretical model capable of reproducing the main characteristics of a turbulent flow for any given sampling duration, thus allowing a more continuous approach between « standard » and « atmospheric » constants for turbulence models. Also, in this thesis, we developed the « CFD 1D-3D » modeling approach. It is based on the use of a 1D CFD model as a way of providing vertical profiles of meteorological data for boundary conditions of a 3D CFD code, used in complex terrain. This 1D model was developed as a part of the thesis, along with k− ε and Ri j − ε turbulence models. It was validated by being compared with empirical and theoretical results. The comparisons showed very encouraging results concerning the ability of this model in simulating ABL in the presence of a flat terrain. In addition, the « CFD 1D- 3D » methodology was assessed by comparison with wind tunnel measurements in the presence of complex terrain, which showed very satisfactory resultst. These comparisons also validated the newly developed set of constants for the Ri j− ε model. Finally, we studied the use of partially converged CFD as a way of reducing the CPU time of CFD simulations for operational purposes. We therefore demonstrated that we can achieve a low error solution (< 10% error compared with the converged solution), with a CPU time of about 5%−10% of the time required to achieve convergence. This result was very interesting because the methodology significantly reduces the computational time while maintaining a low error as compared to the overall uncertainty of the CFD approach.