Mémoire--Ecole du Louvre--Paris, 1977. / Vol. 1 : Introduction, Ib-1 ; Vol. 2, Ib-2 ; Vol. 3, Ib-3 ; Vol. 4, Ib-4, Annexes.

La lentille gamma est un nouveau type d'instrument d'observation pour l'astrophysique des hautes énergies dans le domaine de la dizaine de keV au MeV. Doté d'une résolution angulaire encore jamais atteinte (une minute d'arc environ) et d'une bonne résolution en énergie (DE/E " 1%), ses objectifs sont l'observation des raies gamma et la localisation précise de la source émettrice. Le projet CLAIRE a pour but de réaliser le premier vol ballon pour observer une source astrophysique (le Crabe) au moyen de la lentille.

L’objectif de cette thèse est d’obtenir une meilleure connaissance des ondes de gravité atmosphériques, de leurs sources et caractéristiques, et de leur propagation au moyen d’observations ballons et de simulations. Les ballons pressurisés (SPBs) utilisés dans cette thèse sont une des meilleures plateformes d’observations des ondes de gravité, et permettent d’obtenir l’ensemble de leurs caractéristiques. Les modèles à haute résolution donnent une description complète de l’écoulement, non seulement des ondes, mais aussi de leurs sources. Nous avons combiné mesures par SPBs et modélisation pour décrire les ondes de gravité et évaluer le réalisme des champs d’ondes de gravité dans des sorties de modèles. En s’appuyant sur les observations de PreConcordiasi (2010), les ondes de gravité convectives sont décrites aux Tropiques sur l’ensemble de la campagne, ainsi que sur un cas de cyclone tropical en développement. Dans un deuxième temps, les observations de la campagne Concordiasi (2010) nous permettent de quantifier le réalisme du champ d’onde de gravité résolu aux hautes latitudes (hémisphère sud) décrit dans les analyses de l’ECMWF. Un bon accord géographique et saisonnier est observé pour les flux de quantité de mouvement et l’intermittence. Cependant, il est montré que la magnitude des flux est sous-estimée dans les analyses de l’ECMWF. Enfin, une contribution aux campagnes opérationnelles ballons est apportée, en se focalisant sur les ballons stratosphériques ouverts qui sont le plus grand défi pour le CNES. Pour des cas d’étude lors de la campagne Strapolété (2009), nous montrons que l’incertitude sur la position de retombée des ballons peut être réduite dans une configuration simple en assimilant des observations par radiosondages. / The goal of this thesis is to obtain a better knowledge of the atmospheric gravity waves in the atmosphere, of their sources and characteristics, and their propagation using balloon observations and modeling. The superpressure balloons (SPBs) used in this thesis are one of the best platform to observe gravity waves, and allow us to retrieve the ensemble of their characteristics. High-resolution models provide a complete description of the flow, not only of the waves, but also of their sources. We have combined SPB measurements and modeling in order to describe the gravity waves and evaluate the gravity wave field in model outputs. Using the observations from PreConcordiasi (2010), the convective gravity waves are described in the Tropics during the whole campaign, and also for a case of developing Tropical Cyclone. Second, observations from the Concordiasi campaign (2010) allow us to quantify the realism of the resolved gravity wave field in the ECMWF analyses at high latitudes (Southern Hemisphere). A good geographical and seasonal agreement is found for the momentum fluxes and the intermittency. However, it is shown that the magnitude is underestimated in the ECMWF. Finally, we bring a contribution to the operational balloon campaigns, with a focus on the open stratospheric balloons, which constitute the greatest challenge for the CNES. For cases during the Strapolété campaign, we show that the uncertainty on the final touchdown position of the balloons can be reduced using a simple setup that assimilates radiosoundings.

Suivre et comprendre l'évolution des deux principaux gaz à effet de serre anthropogéniques (CO2 et CH4) sont des enjeux majeurs pour les sciences du climat. L'augmentation du nombre et de la diversité des observations (en surface, mesures aéroportées, satellitaires) ainsi que l'amélioration des modèles de chimie-transports atmosphériques ont contribué à développer notre compréhension des cycles biogéochimiques associés à ces gaz. Néanmoins, les observations précises le long de la verticale sont encore très limitées. Elles deviennent pourtant indispensables, d'une part, pour approfondir nos connaissances dans le transport de CO2et CH4, d'autre part, pour évaluer les colonnes totales ou partielles mesurées par satellites. Dans cette thèse, nous présentons un instrument innovant appelé "AirCore" permettant d'échantillonner l'air en continu le long d'une colonne atmosphérique lors d'une descente depuis haute altitude. Différents AirCores donnant accès à différentes résolutions verticales ont été développés au LMD et déployés avec succès lors des campagnes ballons Strato-Sciences 2014, 2015 et 2016 du CNES. Les profils verticaux de AirCores ont permis de valider les estimations de colonnes partielles de CH4 réalisées avec l'instrument IASI/Metop. Des comparaisons ont été menées avec des profils troposphériques obtenus lors de campagnes aéroportées (HIPPO), ou avec des profils issus de modèles de transports (LMDz, TM5) ou de prévisions (CAMS). Les résultats ont démontré l'importance d'une bonne caractérisation de la stratosphère pour les activités de calibration/validation des mesures satellites et, plus généralement, l'étude des gaz à effet de serre. / Monitoring and understanding the evolution of the two most important anthropogenic greenhouse gases(carbon dioxide (CO2) and methane (CH4)) are some of the major challenges in climate science. Over the past decades,the increased availability and diversity of observations (surface networks, aircraft campaigns, satellite observations)and the improvement of atmospheric transport models has allowed to increase our understanding of biogeochemicalcycles of CO2 and CH4. Nevertheless, precise vertical observations are still very rare. However, these become crucialto both properly characterize the vertical transport of the gases, as well as to fully evaluate total or partial columnsof gases retrieved from space observations.In this thesis, we present an innovative instrument called “AirCore” allowing to collect a continuous air samplealong an atmospheric column while descending from high altitude. The analysis of CO2 and CH4 mole fractions inthe collected sample combined with the measurements of an ambient parameters (Pressure, temperature...) allows toretrieve vertical profiles from the surface up to 30 km. Initially invented at NOAA, several new AirCores giving accessto various vertical resolutions have been developed at LMD and flown with success during the CNES Strato-Sciences2014, 2015, and 2016 balloon campaigns. Excellent agreement was found between profiles acquired with differentAirCores during the same flights demonstrating the repeatability of the measurements and allowing to validate thecalculation of the vertical resolution. Comparisons with measurements from independent laser diode spectrometersflown on the same gondola have confirmed that AirCore profiles capture the vertical variability of CO2 and CH4.The vertical profiles retrieved from AirCores have been allowed to validate the CH4 partial columns retrieved fromIASI/Metop at LMD and revealed that the information on the full atmospheric column is required. Comparisons havebeen performed with tropospheric profiles obtained during aircraft campaigns (HIPPO) as well as vertical profilesextracted from atmospheric transport models (LMDz,TM5) and forecast systems (CAMS). Results demonstrated theimportance of a good characterization of the stratosphere for satellite

Dans ce mémoire, il est question de la conception d'une monture stabilisatrice pour un télescope monté sur un ballon stratosphérique. Ce projet de maîtrise s'inscrit dans le cadre du projet HiCIBaS qui vise à faire de l'imagerie haut contraste pour l'observation d'exoplanètes. Essentiellement, ce projet vise à produire une monture qui peut aligner un télescope commercial de 14 po avec une étoile cible avec une précision de plus ou moins 5 secondes d'arc crête à crête. Cette tolérance correspond au champ de vue du système optique rattaché à ce télescope. Le design choisi est celui d'une monture altitude-azimut avec un miroir de repliement Nasmyth. Le miroir de repliement permet de rediriger la lumière vers le système optique sans avoir à l'accrocher directement à la sortie du télescope. Les résultats de stabilisation en laboratoire n'ont pas donné les résultats escomptés étant donné la présence d'un jeu dans les moteurs adaptés à travailler dans des conditions de froid intense. Néanmoins, le contrôleur conçu dans le cadre de ce projet a permis de réduire l'intensité d'une perturbation à 0.7 Hz d'un facteur 5 environ. La fréquence de 0.7 Hz représente la fréquence de dandinement de la nacelle CARMEN dans laquelle le système était installé. Dans ce mémoire, quelques recommandations sont proposées pour améliorer le concept du système de pointage. La première est de ne pas adapter les moteurs pour résister au froid, mais plutôt de les chauffer pendant la nuit d'observation. Le contrôle des moteurs devrait aussi être fait en vitesse plutôt qu'en position. Une dernière recommandation serait d'ajouter un gyromètre en boucle ouverte afin de pouvoir atténuer une partie de la perturbation sans l'aide du contrôleur.

Plusieurs projets de télescopes spatiaux ont pour objectif d’étudier des exoplanètes en ayant recours à des techniques d’imagerie directe à haut contraste. Afin d’atteindre une différence de contraste requise entre la lumière de l’étoile et celle réfléchie par l’exoplanète, ses systèmes doivent utiliser un coronographe pour occulter la lumière de l’étoile et corriger en temps réel les erreurs de front d’onde avec des techniques d’optique adaptative. Les aberrations sont détectées par un analyseur de front d’onde, puis une boucle de contrôle envoie une commande qui modifie la surface d’un miroir déformable pour compenser les erreurs de front d’onde. Les performances des systèmes d’optiques adaptatives sont cependant souvent limitées par la présente d’erreurs quasi statiques qui sont causées par la différence de trajet optique entre la caméra de science et le senseur de front d’onde. Un système d’imagerie haut contraste a donc été développé pour démontrer le potentiel d’une technique de contrôle qui permet d’éliminer cette source d’erreur. Cette boucle de contrôle a la particularité d’utiliser un coronographe qui permet d’analyser les erreurs de front d’onde directement à partir de l’image de la caméra de science. Le système optique développé dans le cadre de ce mémoire a été testé en laboratoire et a également été optimisé pour réaliser une démonstration fonctionnelle dans des conditions similaires à l’espace lors d’un vol de ballon dans la stratosphère. Les résultats de vol ont permis de valider la maturité technologique de certaines composantes qui ont le potentiel d’être utilisées pour les prochaines générations de télescopes spatiaux. / Several space telescope projects aim to study exoplanets using high-contrast direct imaging techniques. In order to achieve the required difference in contrast between the light from the star and that reflected by the exoplanet, those systems must use a coronagraph to mask the light of the star and correct in real time wavefront errors with adaptive optics techniques.The aberrations are detected by a wavefront sensor, then a control loop sends a command that modifies the surface of a deformable mirror to compensate for the wavefront errors. However, the performance of adaptive optics systems is often limited by the present quasi-static errors that are caused by the optical path difference between the science camera and the wavefront sensor. A high contrast imaging system has been developed to demonstrate the potential of a control technique which enables the reduction of this kind of error. This control loop has the particularity of using a coronagraph which allows the analyze of the wavefront errors directly from the science camera’s image. The optical system developed within the frameworkof this master’s project has been tested in a laboratory and was also optimized to perform afunctional demonstration in space-like conditions during a balloon flight in the stratosphere.The flight results validated the readiness level of some components that could potentially beused for the next generation of space telescopes.

Au départ, j’ai développé un code d’inversion en se basant sur l’exemple donné au laboratoire. Ensuite, j’ai eu l’opportunité de l’appliquer en participant à la campagne de mesure in situ StratoScience 2015 au Canada. Durant cette campagne, on a aussi réalisé quelques comparaisons de l’Amulse avec d’autres instruments de mesure de CH4 et CO2 (PicoSDLA, Picarro, AirCore). Ce fut une expérience très enrichissante ainsi qu’un premier test pour l’Amulse. A partir des résultats de ce premier vol, on constate qu’il y a encore des améliorations à apporter, que ce soit au niveau instrumental qu’au niveau d’inversion. Sur le plan instrumental, on fait quelques interventions au niveau de l’intelligence de l’instrument (acquisition et stockage) et son optique, d’une part, d’autre part le code d’inversion a besoin de certaines modifications qui englobent la ligne de base et la détermination de la raie spectrale. Pour ce fait, j’essaye d’appliquer plusieurs méthodes pour obtenir un bon fit et par conséquent une bonne concentration. Concernant les travaux en cours, j’essaye toujours d’améliorer mon code d’inversion pour avoir un meilleur profil vertical, qui va être utilisé par la suite dans ma publication sur la mesure du méthane. Dans le cadre de la rédaction de la publication, j’ai fait une première calibration au laboratoire du senseur laser Amulse CH4 en attendant la deuxième. En outre, je développe un autre code d’inversion pour le projet Strateole 2 qui va durer 2 mois. J’interviens aussi au niveau de l’inversion des données de la calibration du nouveau senseur laser bi gaz APOGEE (CH4 et CO2), qui est prévue pour le mois de juin à Toulouse. Dernièrement, j’ai participé au congrès EGU à Vienne et dans un avenir proche, je vais participer à la campagne de Kiruna avec PicoSDLA, Amulse et APOGEE. / In the first place, I developed a code based on the example given in the laboratory. I had the opportunity to apply my program by participating in the in situ measurement campaign called StratoScience 2015, located in Canada. During this campaign, we also made some comparisons of Amulse with other CH4 and CO2 measurement instruments such as PicoSDLA, Picarro and AirCore. As matter of fact, it was a very rewarding experience and a first test for Amulse. From the results of this first flight, we decide to add some improvements on both sides: the instrumental and the process data part. Instrumentally, some changes has been required note only on the intelligence of the instrument including acquisition and storage but also on the optical part. Besides, the process data needs also some changes which include baseline and the determination of the spectral line. In fact, I try to apply several methods to get a good fit and therefore a good concentration. To this end, my current work is mainly focusing on improving my program for better vertical profile, because it will be used later in my publication on the measurement of methane. In the same context, I made a first calibration in the laboratory of Amulse CH4 laser sensor and preparing a second one. In addition, I developed another code for Stratéole 2 project which will last two months. I’ll also do the process data of the new dual laser sensor APOGEE (CH4 and CO2), which is scheduled for June in Toulouse. At last, I recently participate in the EGU congress in Vienna and in the near future, I will participate in a new campaign of in situ measurement in Kiruna with both sensors: PicoSDLA, and APOGEE Amulse.

Les travaux exposés dans ce manuscrit concernent le développement de spectromètres laser pour la mesure in-situ de CH4, CO2 et H2O dans l'atmosphère moyenne ainsi que la spectroscopie associée, l'inversion des données atmosphériques et les premières campagnes ballon. La première partie de ce manuscrit décrit le contexte scientifique qui a conduit au développement des spectromètres laser et donne un état de l'art en matière instrumentale. La seconde partie décrit deux études spectroscopiques portant sur le multiplet R(6) du méthane à 3.24µm et sur les transitions R18e et R20e du dioxyde de carbone à 2.68µm pour l'inversion des mesures atmosphériques. La troisième partie de ce manuscrit porte sur le développement des spectromètres PicoSDLA-CH4 dédié à la mesure de CH4 dans l'atmosphère à 3.24µm, utilisant une source laser à différence de fréquence, et PicoSDLA-CO2 dédié à la mesure de CO2 à 2.68µm avec une diode à antimoniure. Ces spectromètres ont réalisé plusieurs vols sous ballons stratosphériques en 2010, 2011 et 2012. Les résultats de ces campagnes sont exposés dans la quatrième partie du manuscrit. / This thesis reports the development of laser spectrometers dedicated to in-situ measurements of CH4, CO2 et H2O in the middle atmosphere. It includes the development of the prototypes, the associated spectroscopy, the concentration data retrieval as well as the first balloon campaigns. The first part of the thesis describes the scientific framework and it further gives a state of art of the instrumental field. The second part gives the results from a spectroscopic study on the R(6) manifold of CH4 at 3.24µm and on the R18e and R20e lines of CO2 at 2.68µm in order to allow an accurate concentration retrieval. The third part details the development of the PicoSDLA-CH4 spectrometer dedicated to the in-situ measurements of CH4 at 3.24µm, using a difference frequency generation (DFG) laser source, and the development of PicoSDLA-CO2, a sensor dedicated to measurements of CO2 at 2.68µm using antimonide laser diodes. Both spectrometers were involved in three balloon campaigns in 2010, 2011 and 2012; the results are presented in the fourth part of the thesis.

JEM-EUSO est un projet de télescope spatiale dédié à la détection des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie (RCUHE) (d'énergie supérieure à 10/48 eV) par l'observation de l'émission de lumière ultra-violette produite par l'interaction entre li rayon cosmique et l'atmosphère terrestre. Dans le cadre de ma thèse, j'ai travaillé sur le premier démonstrateur du projet, EUSO-Balloon, une version réduite de l'instrument prévu pour JEM-EUSO portée par un ballon stratosphérique. J'ai participé à l'étalonnage de la surface focale du ballon, composée de 36 photo-multiplicateurs multi-anodes (MAPMT), ainsi qu'à l'intégration de l'électronique de lecture et l'assemblage et les tests de l'instrument complet. J'ai pris part à la campagne de vol qui s'est déroulée à Timmins, au Canada, pour un vol la nuit du 24 août 2014. Pendant le vol, l'instrument a pu observer le flux lumineux en ultra-violet émis et réfléchi par le sol, ainsi que des impulsions laser tirées à partir d'un hélicoptère volant sous l'instrument pendant une partie de la mission et simulant le signal émis par un RCUHE interagissant avec l'atmosphère terrestre. Après le succès du premier vol d'EUSO-Balloon, un second vol est prévu au printemps 2017. Ce vol est prévu pour durer plusieurs semaines, et a pour objectif principal l'observation de RCUHE. Pour préparer ce vol, et à la suite des retours de la première mission, j'ai participé à plusieurs campagnes de tests afin d'améliorer certains aspects technologiques de l'instrument. J'ai également mené des simulations afin d'estimer le nombre d'UHECR que l'instrument détectera pendant un vol de plusieurs semaines / JEM-EUSO is a future space UV telescope dedicated to the observation of Ultra-High Energy Cosmic Rays( UHECR), through 'the detection of the UV light emitted by the interaction between the UHECR and the Earth atmosphere. The work done during my PhD was focused on EUSO-Balloon, a smaller scale balloon borne prototype of JEM-EUSO with a complete detection chain and Fresnel optics. During my PhD, I took part in the calibration of the focal surface, made up of 36 mufti-anode photomultipliers as well as the integration and full scale tests of the read-out electronics and the whole instrument. I took part of the flight campaign in Timmins, Canada with a flight on the 24`11 of August 2014. During the flight, the instrument was able to observe the UV light emitted and reflected by the ground as well as laser pulses shot from an helicopter flying under the balloon during the first part of the flight to simulate UHECR signal as seen from the instrument. After the success of the first flight of EUSO-Balloon, a second flight o a several weeks is planned for spring 2017, with the goal of observing real UHECR events from above. I took part of several test campaigns to improve the performances of the instrument for the second flight. Finally, I mn a serie of simulations to estimate the number of events the instrument should be able to detect during a several-week flight

Dans les petites communes rurales françaises, les modalités d'élaboration des règles locales d'urbanisme se distinguent des territoires urbains par l'absence d'ingénierie propre, la prégnance de l'interconnaissance entre élus municipaux et usagers de l'espace et la forte disponibilité physique potentielle de la ressource foncière. Le processus de normalisation du droit des sols qui caractérise les campagnes interroge ainsi les effets de la proximité sociale entre décideurs et publics-cibles, de la bureaucratie administrative restreinte et des pratiques d'arrangements entre acteurs territoriaux. En s'appuyant sur ce contexte politico-administratif particulier, cette thèse interprète les pratiques d'élaboration des plans locaux d'urbanisme (PLU) sous l'angle des injonctions à la mise en œuvre d'une planification durable de l'espace et de la transformation du cadre organisationnel de l’action publique territoriale. Depuis quelques années, le législateur renforce l'étendue des champs sociaux régulés par les documents locaux d'urbanisme et tend à faire de la préservation de l'environnement l'enjeu majeur de ces dispositifs. Mais cette dynamique « d'écologisation » des objectifs de l'action publique se déploie dans un contexte marqué par la remise en cause du modèle de co-administration des territoires entre les agents des services déconcentrés de l'État et les élus locaux. La vacance technique engendrée par ce recentrage de l'action des Directions départementales des Territoires n'est que partiellement compensée par l'intercommunalité rurale, les acteurs intermédiaires (chambre d'agriculture, parc naturel régional) ou le recours à une maîtrise d'œuvre privée. Cette recherche pose l'hypothèse de la diffusion d'un processus de « régulation locale » de la planification spatiale centrée sur le maire rural dont les mécanismes institutionnels questionnent la possibilité de produire localement une norme opérationnelle d'urbanisme rural durable. Pour investiguer cette assertion, nous nous appuyons sur une démarche de recherche-action organisée autour d'un outil d'aide à la décision baptisé « Système Intégré Urbanisme » (SIU). Celui-ci est développé dans le cadre de la révision de la charte du Parc naturel régional des Ballons des Vosges et expérimenté avec les élus de trois communes élaborant leur plan local d'urbanisme. Ce dispositif de recherche permet d'analyser en situation les caractéristiques du système de gouvernance des petites communes rurales, et notamment les effets de la proximité sociale sur le contenu de la norme locale de planification spatiale. Fondés sur des études de cas, les résultats présentés permettent une montée en généralité, mais doivent être nuancés afin de s'adapter à la diversité des mondes ruraux. À partir de ces matériaux empiriques, la thèse interroge en particulier trois aspects des tensions entre les enjeux globaux d'un urbanisme durable et une gestion locale du dispositif d'action publique. D'une part, la dynamique de « régulation locale » réorganise autour du maire rural l'équilibre des pouvoirs entre les acteurs institutionnels associés à l'élaboration du PLU. Elle reconfigure ainsi le référentiel cognitif de l'action publique locale en redessinant les contours du processus d'hybridation entre les connaissances des techniciens de l'action publique et les savoirs territoriaux des élus locaux. D'autre part, ce recodage des connaissances donne aux élus municipaux une plus grande marge d'action dans la définition des priorités locales. Ce faisant, il déplace les modalités habituelles de légitimation de la décision publique et renforce le poids des contraintes issues de leur proximité sociale avec les usagers de l'espace. Le maire rural se retrouve isolé à devoir arbitrer entre les injonctions croissantes à la réduction de la consommation des ressources naturelles, formulées par les techniciens de l'action publique, et les doléances locales de ses concitoyens à la pérennisation des droits à construire octroyés par les anciens plans d'occupation des sols. Cette situation questionne ainsi la capacité du processus de « régulation locale » à favoriser la production de normes locales d'urbanisme rural durable. Enfin, le recours aux outils techniques de l'action publique, et notamment aux instruments d'évaluation de la durabilité, apparaît comme une alternative à la réduction de la présence territoriale des agents publics. Mais nous montrons que par la nature transactionnelle des connaissances mobilisées, l'efficacité de cette médiation par les outils renforce, la plupart du temps, la nécessité d'une présence territoriale des institutions auprès des élus locaux. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Urbanisme rural durable, plan local d'urbanisme, communes rurales françaises, régulation locale, négociation, système technique d'aide à la décision, circulation des connaissances, pratiques territoriales, parc naturel régional.