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.

Les nuages noctulescents, également appelés nuages mésosphériques polaires (PMC) lorsqu'ils sont observés depuis l'espace, sont la manifestation visible de petits cristaux de glace d'eau pré- sents en permanence dans la région de la mésopause, l'été à hautes latitudes. Il s'agit de l'endroit le plus froid que l'on peut trouver sur Terre. En raison de l'extraordinaire altitude à laquelle ils se forment (∼83 km), à la frontière de l'espace, ils illuminent le ciel nocturne après le coucher du Soleil. De plus, leur grande sensibilité aux changements subis par leur environnement fait de ces nuages d'excellents traceurs des processus dynamiques et chimiques complexes qui contrôlent la mésosphère. GOMOS est un instrument dont le fonctionnement est basé sur la technique de l'occultation stellaire. Il est constitué de 4 spectromètres qui opèrent sur un large domaine spec- tral (UV-vis-proche IR), et de 2 photomètres à haute fréquence d'échantillonnage (470-520nm et 650-700nm). Lors des observations de jour, en plus de la lumière de l'étoile, GOMOS mesure aussi la lumière solaire diffusée par les molécules de l'atmosphère. L'été, au-dessus des pôles, les PMC peuvent être détectés de manière précise à partir du signal enregistré par les photomètres. L'orbite héliosynchrone d'ENVISAT permet de les observer dans les deux hémisphères. Les principales pro- priétés de ces nuages (fréquence d'occurrence, altitude, luminance) ont ainsi pu être déterminées. De plus, leur observation avec les spectromètres permet de connaître la dépendance spectrale des particules qui les constituent, à partir de laquelle il est possible de déterminer leur rayon. Une climatologie complète de tous ces paramètres a été établie tout au long de 8 années de mesure, de 2002 à 2010.

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.

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.

Cette thèse a pour objet l'étude de l'évolution à long terme de l'ozone stratosphérique, en liaison avec la variation de l'abondance des composés halogénés dans la moyenne atmosphère. Dans ce but, les longues séries de mesures sol et satellitaires de la distribution verticale d'ozone obtenues depuis les années 1980 sont évaluées dans six stations du Network for the Detection of Atmospheric Composition Changes (NDACC - réseau international de surveillance de la composition atmosphérique), pour déterminer les biais et dérives éventuelles entre les mesures. Les tendances d'ozone stratosphérique sont ensuite évaluées dans deux stations de moyenne latitude de l'hémisphère nord à l'aide d'un modèle statistique utilisant deux types d'indicateurs pour représenter l'évolution des substances destructrices d'ozone dans la stratosphère: (1) l'Equivalent Effective Stratospheric Chlorine (EESC - paramètre quantifiant l'effet des composés chlorés et bromés stratosphériques sur l'ozone) et (2) deux fonctions linéaires avec changement de pente en 1997. L'étude de tendance est effectuée pour les mesures du contenu intégré d'ozone dans les deux stations et les mesures de distribution verticale à l'Observatoire de Haute-Provence. L'étude utilise les mesures sol d'ozone obtenues par lidar (profil d'ozone), spectromètre Dobson (contenu intégré et profil d'ozone par la méthode Umkehr), ozonosondage (profil d'ozone) et spectromètre UV-Visible SAOZ (contenu intégré). Les observations satellitaires utilisées proviennent des instruments SBUV(/2), SAGE II, HALOE, UARS MLS, Aura MLS et GOMOS. Tout d'abord une étude de la sensibilité des mesures lidar aux sections efficaces d'ozone utilisées dans l'algorithme de restitution est effectuée. La différence relative d'ozone obtenue à partir des mesures restituées à l'aide de différents jeux de données de section efficace reconnues par les instances internationales, est inférieure à ±1% entre 10 et 35 km à toutes les latitudes (à l'exception de -1.5 % à 15 km aux tropiques). Au-dessus de 35 km, l'écart s'accroit, avec un maximum à 45 km de 1.7 % aux tropiques et un minimum de 1.4 % aux hautes latitudes. La stabilité des différentes séries de mesures satellitaires et sol de la distribution verticale d'ozone est ensuite évaluée à partir de la comparaison avec les mesures lidar dans les six stations NDACC considérées au cours de la thèse. Le meilleur accord (±3%) entre les mesures issues des différentes techniques et les mesures lidar est obtenu entre 20 et 40 km. Dans ce domaine d'altitude, la dérive entre les différentes mesures est inférieure à ±0.3%yr−1. Des dérives et des biais comparativement plus importants sont calculés en dessous de 20 km et au-dessus de 40 km. Par ailleurs, la stabilité à plus long terme des mesures d'ozone est étudiée à partir de séries temporelles combinant les différences relatives entre les mesures lidar et les mesures SAGE II et HALOE d'une part avec les différences relatives entre les mesures lidar et les les mesures Aura MLS d'autre part. Les dérives estimées à partir de ces séries composites couvrant 27 années de mesure sont très faibles, de l'ordre de ±0.2%yr−1. Enfin les tendances évolutives du contenu intégré d'ozone sont évaluées à l'Observatoire Météorologique de Hohenpeissenberg (MOHp - Allemagne) à partir des mesures du spectromètre Dobson et à l'Observatoire de Haute-Provence (OHP - France) à partir des mesures des spectromètres Dobson et SAOZ. A l'OHP, les tendances de la distribution verticale d'ozone sont calculées à partir des mesures obtenues par différentes techniques de mesures, sol et satellitaires. Pour ce faire, un modèle de régression multilinéaire est développé, fondé sur l'utilisation de différentes variables telles que l'oscillation quasi-biennale (QBO), l'oscillation Nord-Atlantique (NAO), le flux solaire, le flux de chaleur turbulent, l'épaisseur optique des aérosols stratosphériques et les tendances à long terme. L'estimation des tendances calculées à partir des mesures de contenu intégré d'ozone dans les deux stations fournit des valeurs significatives, de l'ordre de −1.4±0.29 DUyr−1) et 0.55±0.29 DUyr−1 respectivement avant et après 1997. Les valeurs positives de la tendance après 1997, significatives pour un intervalle de confiance de 95 %, montrent clairement un début de rétablissement de l'ozone stratosphérique à ces latitudes. Concernant la distribution verticale d'ozone, les tendances calculées à partir de la moyenne des différentes séries de données à l'OHP montrent des valeurs maximales en valeur absolue de l'ordre de −0.5±0.1 %yr−1 entre 16 et 22 km et de −0.8±0.2 %yr−1 entre 38 et 45 km avant 1997. Des tendances positives significatives (0.2±0.05-0.3±0.1 %yr−1) sont évaluées entre 15 et 45 km après 1996. Ces tendances significatives du profil vertical d'ozone avant et après 1997 corroborent les résultats obtenus à partir du contenu intégré d'ozone et confirment le début de rétablissement de l'ozone stratosphérique. Par ailleurs, dans les deux cas (contenu intégré d'ozone et distribution verticale), les tendances post-1997 restituées par le modèle utilisant les fonctions linéaires sont plus élevées que celles issues du modèle utilisant l'EESC, indiquant ainsi que d'autres paramètres contribuent à l'augmentation du contenu en ozone. Enfin, il a été constaté que les contenus intégrés élevés d'ozone observés ces dernières années étaient liés à l'influence de la QBO et des processus dynamiques. Ainsi la QBO, la NAO et le flux de chaleur turbulent expliquent environ 80 % de l'importante anomalie positive de 25 - 30 DU mesurée entre février et avril 2010.