Une grande partie de la variabilité naturelle de l’atmosphère et du climat est liée à la variabilité solaire. L’un des modes d’action du forçage solaire repose sur des perturbations de la moyenne atmosphère (stratosphère, mésosphère), notamment par l’intermédiaire de variations d’ozone (processus photochimiques) qui ensuite se propagent dans la troposphère jusqu’à la surface. La thèse se focalise sur la première étape de ce mode d’action, i.e. les perturbations de l’ozone associées à la variabilité solaire et plus particulièrement aux échelles de temps du cycle à 27 jours. Cette relation entre ozone et variabilité solaire est étudiée non seulement à partir de plusieurs séries temporelles de données satellitaires (MLS et GOMOS) mais également de résultats d’un modèle de chimie-climat (LMDz-Reprobus) sur des fenêtres d’analyse variant de 1 à 15 ans. La sensibilité moyenne d’ozone au cycle solaire à 27 jours (% de variation d’ozone pour 1% de variation du forçage solaire) se caractérise par des valeurs positives de 10 à 1 hPa avec un maximum de 0.4 vers 3 hPa. Cette sensibilité varie beaucoup selon la taille de la fenêtre d’analyse au point d’être masquée par la variabilité dynamique, même pendant les périodes de forte activité solaire. La dispersion des résultats apparaît aussi anti-corrélée à l’amplitude des fluctuations solaires rotationnelles qui est liée à la phase du cycle solaire à 11 ans. Dans la mésosphère, l’ozone est anti-corrélé à la variabilité solaire avec un maximum autour de 80 km. Il correspond exactement à l’altitude où la réponse de OH (le radical dominant dans la destruction de l’ozone mésosphérique) à la variabilité solaire est maximum. / A large part of the natural variability of the atmosphere and climate is related to solar variability. One of the forcing mechanisms of solar variability is based on perturbations of the middle atmosphere (stratosphere, mesosphere), particularly through ozone variations (photochemical processes), that then propagate through the troposphere to the surface. The thesis focuses on the first stage of this forcing mechanism, i.e. perturbations of ozone associated with solar variability and more specifically at the 27-day solar rotational time scales. The relationship between ozone and solar variability is studied not only using several time series of satellite data (MLS and GOMOS) but also results of a chemistry-climate model (LMDz-Reprobus) over analysis windows varying from 1 to 15 years. The mean ozone sensitivity to the 27-day solar cycle (% of ozone variation for 1% change in solar forcing) is characterized by positive values from 10 to 1 hPa with a maximum of 0.4 at 3 hPa. This sensitivity varies strongly depending on the size of the analysis window indicating that the solar signal can be masked by the dynamical variability, even during periods of strong solar activity. The dispersion of the results is found to be anti-correlated with the amplitude of the solar rotational fluctuations that are related to the phase of the 11-year solar cycle. In the mesosphere, ozone is found to be anti-correlated with solar variability with a maximum around 80 km. This corresponds exactly to the altitude of the maximum in the solar-induced enhancement of OH, the dominant radical in the destruction of mesospheric ozone.

Ces dernières décennies, la stratosphère et sa composition chimique ont subi des changements importants qui commencent à influencer le climat. Dans la stratosphère, les changements les plus significatifs du point de vue du climat sont l'amincissement de la couche d'ozone et l'augmentation de la vapeur d'eau. Suite à l'augmentation de la charge en composés atmosphériques halogénés, la couche d'ozone s'est amincie au cours de ces trente dernières années. Cette charge a cessé d'augmenter à la fin des années 90 à la suite de l'application du Protocole de Montréal et de ses amendements sur le contrôle des émissions des CFC. On s'attend donc à ce que l'ozone stratosphérique retrouve, à l'échelle globale, les niveaux des années 60 (pré-CFC) au cours de ce siècle. Cependant l'ozone ne retrouvera certainement pas sa distribution spatiale des années 60 car cette distribution dépend non seulement de la charge en espèces halogénées mais aussi de la concentration des gaz à effet de serre. En effet, les évolutions de la stratosphère et du climat sont couplées par l'intermédiaire de mécanismes d'origine chimique, dynamique et radiatif. En parallèle, la vapeur d'eau a augmenté fortement depuis la seconde moitié du 20ème siècle. Sur cette tendance à long terme se superposent des fluctuations inter- annuelles très substantielles. Par exemple, les observations ont montré une assez forte diminution de la vapeur d'eau en 2001 qui reste encore mal expliquée. Pour mieux comprendre les caractéristiques entre la composition chimique de la stratosphère et le climat, des modèles de chimie-climat ont été développés durant la dernière décennie. Les climatologies de ces modèles ont été évaluées par des comparaisons avec divers jeux d'observations dans le cadre de grands programmes internationaux tels que SPARC/CCMVal. Cette thèse est plutôt centrée sur l'évaluation de la variabilité dans ces modèles. La variabilité peut être décomposée en deux termes : une variabilité dite interne (difficile à caractériser) générée au sein même du système atmosphérique et la variabilité dite forcée qui est générée par des forçages externes au système, tels que l'activité solaire ou la charge en composés halogénés. La première partie de cette thèse porte sur l'évaluation des modèles en termes de variabilité inter-annuelle de la composition chimique stratosphérique, notamment ozone et vapeur d'eau. Nous nous intéressons non seulement à la variabilité inter-annuelle de l'ozone stratosphérique, vue des stations d'observations du NDACC, mais aussi aux contributions des forçages externes à cette variabilité. Ensuite, nous portons notre attention sur la vapeur d'eau stratosphérique et, en particulier, sur les phénomènes de variations assez rapides (aussi appelées ruptures) de sa teneur qui peuvent générer un forçage climatique très significatif. La capacité des CCM à reproduire ces ruptures est évaluée par des comparaisons à des longues séries temporelles d'observations. Enfin, nous étudions le forçage climatique des variations d'ozone, en particulier l'évolution de son forçage radiatif jusqu'à la fin du siècle et si l'évolution de l'ozone à l'échelle globale peut être un indicateur de son forçage radiatif.