Depuis une vingtaine d'années, l'atmosphère de Titan fait l'objet de très nombreuses observations et études théoriques. Ce système complexe pose beaucoup de questions, en particulier quant aux relations entre ses différentes composantes, microphysique des aérosols, photochimie et dynamique atmosphérique. Ce travail de thèse s'inscrit dans une volonté d'approfondir notre connaissance de ces interactions. Le développement d'un modèle photochimique à deux dimensions (altitude-latitude) permet le couplage entre photochimie, jusqu'à présent étudiée sur la seule dimension verticale, et dynamique atmosphérique, qui apporte une description plus pertinente du transport des espèces chimiques dans la basse atmosphère. Nous avons développé une description tridimensionnelle du flux ultraviolet permettant d'aborder les effets saisonniers sur l'ensemble de la planète. Les données photochimiques ont été mises à jour. La partie dynamique comprend la prise en compte de la circulation méridienne, ainsi que des diffusions turbulentes verticale et horizontale. Les simulations de la composition de l'atmosphère en fonction de la latitude et de la saison, complétées par des études de sensibilité et d'impact purement dynamique, démontrent le rôle de ce transport sur les profils latitudinaux observés dans la basse stratosphère par la mission Voyager. La comparaison entre les diverses observations et les simulations est globalement satisfaisante. Les incertitudes importantes sur les données chimiques restent une source majeure de difficultés. L'étude de la rétroaction radiative des variations de composition sur le champ de température a été abordée grâce à l'introduction du suivi de la composition dans le GCM. Cet outil, permettant un couplage complet entre photochimie, dynamique atmosphérique et microphysique des aérosols sera, une fois finalisé, un outil puissant pour l'étude des nombreuses données attendues de la mission Cassini-Huygens.

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 principal objectif de la thèse a été d'estimer le forçage radiatif direct exercé par les aérosols de pollution durant la canicule ayant affectée l'Europe de l'ouest durant l'été 2003. Un intérêt particulier a été porté sur l'étude des rétroactions possibles de ce forçage radiatif direct sur la dynamique atmosphérique et les processus photochimiques. Tout d'abord, un module permettant de calculer les propriétés optiques des aérosols en considérant trois types de mélange de la particule (externe, interne homogène et core-shell) a été développé dans le modèle de chimie-transport CHIMERE. Une évaluation de ce module optique a été réalisée pour toute l'année 2003 à l'aide d'observations photométriques et satellitaires. Ensuite, un couplage du modèle CHIMERE associé au module optique avec le modèle de météorologie WRF d'une part et le code de transfert radiatif TUV d'autre part a permis d'évaluer le forçage radiatif direct des aérosols et ses rétroactions potentielles sur la dynamique atmosphérique et les processus photochimiques.

Le présent projet évalue la sensibilité du Modèle régional canadien du climat (MRCC) à la position de sa frontière supérieure. Les premières simulations en configuration hémisphérique ont montré que le MRCC simule mal la structure thermique de la haute troposphère et de la basse stratosphère, surtout en hiver au-dessus du pôle Nord. Ce projet teste l'hypothèse que la position de la frontière supérieure à 29 km gêne la simulation de la circulation méridienne stratosphérique (CMS). La CMS est responsable d'une subsidence au-dessus de la région polaire hivernale, réchauffant par compression adiabatique l'ensemble de la stratosphère et la haute troposphère. Afin de vérifier cette hypothèse, les résultats de deux groupes de simulations sont comparés, le premier ayant sa frontière supérieure à 29km et le second à 45km. Les résultats montrent que le déplacement de la frontière supérieure de 29 à 45km permet de réduire localement certains biais pour la basse stratosphère, mais la structure thermique verticale comporte de nouveaux biais. Cette étude a permis d'identifier certains facteurs susceptibles d'influencer les résultats du modèle. Premièrement, les réanalyses ERA40 utilisées pour évaluer les résultats sont biaisées de plusieurs degrés dans la haute stratosphère. Deuxièmement, les paramétrages du déferlement des ondes de gravité et du roof drag qui ont été introduits directement à partir du Modèle canadien de circulation général semblent être inadéquats pour la configuration hémisphérique MRCC. Troisièmement, les concentrations d'ozone stratosphérique dans le MRCC sont vraisemblablement surestimées. Le MRCC ne comporte pas de module de chimie interactif, mais la radiation réagit aux concentrations des espèces chimiques prescrites. Finalement, le choix des années de simulations, de 1991 à 1995, complique d'avantage l'analyse des résultats puisque l'éruption du Pinatubo en 1991 modifie le climat observé des années subséquentes, modifications dont le MRCC ne peut tenir compte. Toutes ces hypothèses sont avancées suite à l'étude faite au cours de ce mémoire, mais leur vérification nécessitera le développement de nouveaux outils. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Modélisation climatique, Simulations hémisphériques, Sensibilité à la frontière supérieure.

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.

Cette thèse porte sur l'étude des atmosphères de Titan et de la Terre primitive avec des modèles de circulation générale (GCM). Tout d'abord, j'ai analysé la structure thermique et la dynamique de la basse troposphère de Titan. Cette étude a abouti à une caractérisation complète de la couche limite et a révélé l'existence d'une circulation de couche limite, qui impacte tous les aspects de la météorologie titanienne (régimes de vents, ondes, formation des dunes et des nuages, échanges de moment cinétique et superrotation). A partir de cette analyse, j'ai proposé une nouvelle hypothèse pour expliquer l'orientation vers l'est des dunes de Titan grâce à un couplage entre les orages tropicaux et la superrotation. Ceci a été validé par des simulations méso-échelles et a permis de proposer un schéma global expliquant la formation des dunes et leurs différentes caractéristiques. J'ai ensuite participé au développement d'un GCM générique, conçu pour étudier tout type d'atmosphère. Je l'ai appliqué aux paléoclimats de Titan pour simuler une période où l'atmosphère a pu être dépourvue de méthane. Dans ce cas, le climat devait être différent d'aujourd'hui avec potentiellement des conséquences géologiques fondamentales notamment pour l'érosion et l'âge de la surface. Finalement, j'ai appliqué ce GCM générique au cas de la Terre primitive. J'ai montré que, malgré un soleil moins lumineux qu'aujourd'hui et des quantités de gaz à effet de serre contraintes par les archives minéralogiques, le climat de la Terre Archéenne a pu être tempérée. En particulier, grâce à une rétro-action nuageuse, la Terre aurait pu éviter une glaciation globale et rester propice au développement de la vie. / This thesis focuses on the study of the atmospheres of Titan and the early Earth with Global Climate Models (GCM). First, I analysed the thermal structure and the dynamics of Titan's lower troposphere. This analysis allowed a full caracterization of the planetary boundary layer and revealed the existence of a boundary layer circulation which impacts every aspect of Titan's weather (wind patterns, atmospheric waves, dune and cloud formation, exchange of momentum with the surface, and development of the superrotation). Thanks to this study, I proposed a new hypothesis to explain the eastward orientation of Titan's dunes that implies a coupling between tropical storms and the superrotation. This has been validated with mesoscale simulations and provided a general framework to explain Titan's dune formation and features. Then, I participated to the development of a generic GCM, designed to study any kind of atmosphere. I applied it to Titan's paleoclimates, when the atmosphere was depleted of methane. In such a case, the climate should have been different from today, with potentially fundamental geological consequences, in particular for the erosion and the age of the surface. Finally, I applied this GCM to the case of the early Earth using greenhouse gas abundances constrained by mineralogical data. I showed that despite a weaker solar insolation, the Archean Earth's climate may have been temperate. In particular, the Earth may have avoided a full glaciation and remained suitable for the development of life thanks to cloud feedback, even assuming a amount of CO2 just a little larger than today.

Cette thèse porte sur l'étude des atmosphères de Titan et de la Terre primitive avec des modèles de circulation générale (GCM). Tout d'abord, j'ai analysé la structure thermique et la dynamique de la basse troposphère de Titan. Cette étude a abouti à une caractérisation complète de la couche limite et a révélé l'existence d'une circulation de couche limite, qui impacte tous les aspects de la météorologie titanienne (régimes de vents, ondes, formation des dunes et des nuages, échanges de moment cinétique et superrotation). A partir de cette analyse, j'ai proposé une nouvelle hypothèse pour expliquer l'orientation vers l'est des dunes de Titan grâce à un couplage entre les orages tropicaux et la superrotation. Ceci a été validé par des simulations méso-échelles et a permis de proposer un schéma global expliquant la formation des dunes et leurs différentes caractéristiques. J'ai ensuite participé au développement d'un GCM générique, conçu pour étudier tout type d'atmosphère. Je l'ai appliqué aux paléoclimats de Titan pour simuler une période où l'atmosphère a pu être dépourvue de méthane. Dans ce cas, le climat devait être différent d'aujourd'hui avec potentiellement des conséquences géologiques fondamentales notamment pour l'érosion et l'âge de la surface. Finalement, j'ai appliqué ce GCM générique au cas de la Terre primitive. J'ai montré que, malgré un soleil moins lumineux qu'aujourd'hui et des quantités de gaz à effet de serre contraintes par les archives minéralogiques, le climat de la Terre Archéenne a pu être tempérée. En particulier, grâce à une rétro-action nuageuse, la Terre aurait pu éviter une glaciation globale et rester propice au développement de la vie.

Le rôle de l'Oscillation de Madden-Julian ("MJO") sur la variabilité pluviométrique de l'Afrique Subsaharienne est ici examiné, à l'aide de relevés pluviométriques quotidiens et des réanalyses NCEP-DOE AMIP-II. Le signal convectif et dynamique associé à la MJO est extrait à l'aide de deux méthodes statistiques, les indices journaliers du BMRC (Wheeler & Hendon 2004) et une analyse en modes locaux ("LMA", Goulet & Duvel 2000). Dans un premier temps, la variabilité temporelle de l'oscillation est abordée à l'échelle de la ceinture tropicale (période, amplitude, saisonnalité, localisation des anomalies convectives). Si l'amplitude globale du signal n'apparaît pas reliée à El Niño, les oscillations se produisant lors des années El Niño (La Niña) tendent à être plus courtes (longues). Les conditions de surface (dont les température de surface marine) et le cycle annuel sont également des paramètres influant fortement sur la localisation des anomalies convectives les plus marquées associées à la MJO. Dans un second temps, la réponse de la pluviométrie à la MJO est examinée dans 3 ensembles régionaux de l'Afrique Subsaharienne. Dans les 3 cas examinés, la (les) saison(s) des pluies est (sont) significativement affectée(s). Sur l'Afrique de l'Est Equatoriale (Kenya, nord de la Tanzanie), les Hautes Terres d'Afrique montrent l'alternance d'une phase humide et d'une phase sèche au cours du cycle de la MJO. Les mécanismes pluviogènes font intervenir essentiellement la convection atmosphérique profonde. Sur les Basses Terres de l'est en revanche, et sur les plaines littorales, le pic de pluie est enregistré en opposition de phase par rapport aux Hautes Terres, et est relié à un renforcement des alizés depuis l'océan Indien. Une influence significative est également trouvée en Afrique Australe (sud de 15°S), et résulte d'un renforcement de l'anticyclone des Mascareignes, qui favorise via une circulation anticyclonique sur l'Afrique, un apport d'humidité sur la région depuis l'océan Indien tropical. Sur l'Afrique de l'Ouest enfin, la MJO est avant tout impliquée dans une baisse récurrente de la pluviométrie, et très secondairement seulement dans une amplification des cumuls journaliers. Cette dernière ne semble pas résulter uniquement de processus convectifs. L'exemple des Long Rains d'Afrique de l'Est (mars à mai) est ensuite utilisé pour explorer les interactions d'échelle dont la MJO est à l'origine. Aux pas de temps "courts", le cycle diurne de la convection est sensiblement modifié d'une phase de la MJO à l'autre ; les dates de démarrage de la saison des pluies et les évènements pluviométriques exceptionnels montrent également un calage très bon sur la phase de la MJO. Aux pas de temps "longs", une partie significative de la variabilité interannuelle des Long Rains est statistiquement corrélée à l'amplitude saisonnière moyenne de la MJO, qui semble dont rajouter régulièrement de la pluie sur la région plutôt que d'amplifier seulement les écarts entre les phases les plus humides et les plus sèches.

L’un des objectifs de cette thèse est d’interpréter les observations des principaux hydrocarbures(C2H2 et C2H6) effectuées par Cassini (NASA/ESA) sur Jupiter et Saturne. Les modèles photochimiques à une dimension sont insuffisants pour interpréter ces observations spatialement résolues. J’ai développé le premier modèle photochimique saisonnier à deux dimensions (altitude-latitude) des planètes géantes qui calcule leur composition chimique.En l’absence de transport méridional, la composition chimique de Saturne suit les variations d’ensoleillement. Les abondances de C2H2 et C2H6 mesurées par Cassini (Guerletet al., 2009) sont reproduites jusqu’aux latitudes moyennes, à des pressions supérieures à0,1mbar. Les écarts notés dans l’hémisphère sud suggèrent la présence de dynamique ou d’une chimie entre les ions et les espèces neutres. J’ai couplé, pour la première fois, mon modèle photochimique avec le modèle radiatif de Greathouse et al. (2008). Nous prédisons un décalage du pic saisonnier de température, par rapport aux précédents modèles, d’une demi-saison à haute altitude et aux hautes latitudes.Jupiter présente de faibles variations saisonnières de composition chimique, uniquement contrôlées par son excentricité. Les distributions méridionales observées de C2H2 etC2H6 présentent des tendances opposées (Nixon et al., 2010). Mon modèle est en accord avec les observations de C2H6 lorsque j’invoque une combinaison de diffusion méridionale et de circulation stratosphérique, tout en provoquant un plus grand désaccord avec les observations de C2H2. La chimie ionique pourrait principalement affecter C2H2 et jouer un rôle important dans l’atmosphère de Jupiter. / One of the goals of this thesis is to interpret the observations of the main hydrocarbons(C2H2 and C2H6) from Cassini (NASA/ESA) on Jupiter and Saturn. The one-dimensional photochemical models are insufficient to explain these spatially resolved observations. I have developed the first two-dimensional (altitude-latitude) seasonal photochemical model for the giant planets, which predicts their chemical composition.Without meridional transport, Saturn’s chemical composition follows the insolation variations. The C2H2 and C2H6 abundances measured by Cassini (Guerlet et al., 2009)are reproduced from the equator up to mid-latitudes, at pressures higher than 0.1mbar.At higher latitudes, the disagreements suggest either a stratospheric circulation cell orthe signature of ion-neutral chemistry. For the first time, I have coupled our seasonal photochemical model with the seasonal radiative model of Greathouse et al. (2008). I predict that the seasonal temperature peak is shifted half a season earlier, with respect to previous models, at high latitudes in the higher stratosphere.Jupiter shows weak seasonal variations of chemical composition, only controlled by its orbital eccentricity. The observed meridional distributions of C2H2 and C2H6 show opposition trends (Nixon et al., 2010). C2H6 observed distribution is reproduced when Isuppose a combination of meridional diffusion and stratospheric circulation, while causingat the same time a stronger agreement with the C2H2 observations. Accounting for theion-neutral chemistry might preferentially affect C2H2 and potentially play a key role on hydrocarbon abundances in Jupiter’s stratosphere.