Les observations satellitaires contribuent désormais à la surveillance de la composition troposphérique et à la prévision de la qualité de l'air, en fournissant une information quantitative sur l'ozone et ses précurseurs. L'objectif de ces travaux de thèse a été d'exploiter le couplage entre les observations satellitaires IASI, qui a été lancé à bord du satellite MetOp en octobre 2006, et le modèle CHIMERE, afin de documenter l'amélioration de la prévision de la qualité de l'air. Ces travaux s'appuient d'abord sur l'inversion des concentrations d'ozone à partir des spectres infrarouges mesurés par l'instrument IASI pour restituer des colonnes totales d'ozone et des colonnes partielles d'ozone notamment dans la troposphère. Ces mesures ont été validées par des observations indépendantes : les colonnes totales sont comparées à des mesures ultra-violettes fournies par l'instrument satellitaire GOME-2 (également à bord du satellite MetOp) et les instruments au sol du réseau Brewer-Dobson mais également des mesures infrarouges (TES et AIRS). Les colonnes partielles sont, elles, comparées à des mesures de ballons sonde. Un autre volet de mes travaux de thèse consiste à préparer l'assimilation des données IASI dans le modèle CHIMERE, en utilisant un Filtre de Kalman d'Ensemble. Cette méthode permet d'établir les covariances des erreurs du modèle à partir d'un ensemble de différentes configurations du modèle. Dans ce contexte, un travail sur la construction d'un ensemble reflétant au mieux la réalité a été entrepris. La qualité de l'ensemble a été évaluée, dans la dimension verticale et en surface, à partir de différents outils, qui reposent tous sur des comparaisons aux observations.

C'est à l'intersection des domaines de recherches qu'il y a aujourd'hui le plus de chance de participer à une découverte majeure. Les domaines eux-même sont très bien couverts et c'est vrai qu'il faut parfois tant se spécialiser que les aspects marginaux nous échappent. Voila une motivation qui sort des motivations scientifiques actuelles telles que la compréhension de la destruction de l'ozone polaire, l'évolution de notre climat, ou la recherche d'une vie en dehors de notre planète. C'est pourtant également une motivation qui permet d'être simultanément sur plusieurs sujets brûlants du moment. Ainsi, mon travail passé, actuel et probablement futur sur les atmosphères et les climats de la Terre en particulier et en planétologie en général montrent bien le fil conducteur de mes recherches. La spectroscopie et la mod ́elisation radiative étaient mes outils qui jusqu'à présent marquaient les limites de ces recherches.

La concentration microbienne des nuages collectés depuis le sommet du puy de Dôme se situe, en bruit de fond, autour de 5x10puissance 4 cell.mL-1 pour les bactéries, et 5x10puissance3 cell.mL-1 pour les champignons. La plus grande partie d'entres elles est viable, comme le montrent les mesures de concentration en ATP. Les souches isolées présentent des propriétés physiologiques d'intérêt pour la survie dans le nuage (pigments, capacité de se développer à basse température). Ils sont capables de dégrader, même à basse température, des composés organiques présents en quantité importante dans l'eau des nuages , comme le formiate, l'acétate, le lactate, le succinate, le méthanol et le formaldéhyde. Enfin, plusieurs souches ont une capacité élevée à agir comme noyau glaçogène. Cette étude suggère que les microorganismes pourraient être impliqués dans les processus chimiques et physiques qui se déroulent dans les nuages, et leur importance est à ce titre, à reconsidérer de façon globale.

Dans le cadre du présent travail de recherche, deux nouveaux mécanismes de soulèvements d'aérosols désertiques en Afrique de l'Ouest, durant la saison de mousson, ont été identifiés: 1- Le premier étant lié aux forts vents turbulents au niveau du front de mousson dans la région du front intertropical, très actif durant la nuit et les premières heures de la journée (Bou Karam et al., 2008). 2- Le deuxième est lié à la formation de cyclones dans la région du front intertropical, phénomène mis en évidence au cours de cette thèse, comme étant la réponse: (a) Au blocage orographique exercé par les massifs du Hoggar et de l'Air sur les masses d'air froides advectées au dessus du continent Nord Africain depuis la Méditerranée et (b) au cisaillement horizontal caractérisant le front intertropical (Bou Karam et al., 2009a). Les mécanismes identifiés, en plus de leur efficacité en termes d'émissions d'aérosols, offrent des conditions dynamiques nécessaires pour l'injection des aérosols mobilisés à des hautes altitudes, leurs donnant ainsi le potentiel pour contribuer au transport à grandes échelles spatiales et temporelles. La représentativité dans le modèle atmosphérique MesoNH de trois mécanismes forçant les émissions d'aérosols a été examinée. Ainsi, le modèle était capable de reproduire d'une manière très satisfaisante les soulèvements associés: Aux jets de basses couches (Todd et al., 2009), au front de mousson (Bou Karam et al., 2009b) et aux cyclones sahéliens (Bou Karam et al., 2009a). Par ailleurs, les études numériques ont permis de quantifier les émissions associées à chacun des mécanismes, les résultats du modèle ont suggéré que les émissions dans la région du front intertropical, durant la saison de mousson quand le front est positionné au-dessus des hot-spots de l'Afrique de l'Ouest, sont du même ordre (0.8 Tg en moyenne par jour) que celles estimées dans la région de Bodélé au Tchad, connue pour être la région source la plus importante de l'Afrique au nord de l'Equateur

La présence d'obstacles rencontrés en milieu naturel par l'écoulement, influence la dispersion des polluants qu'il transporte. Cette thèse, fondée sur des mesures micro-météorologiques spatio-temporelles en région tropicale, vise à étudier la dispersion de composés émis par l'écosystème mangrove en fonction des conditions météorologiques. A l'échelle journalière, l'analyse météorologique révèle, outre la présence des Alizés, l'existence d'écoulements thermiques dont des paramètres thermodynamiques nocturnes ont été définis. L'observation terrain nous a montré que la faible intensité du vent défavorise la dispersion des composés émis durant la nuit. A une échelle plus fine, l'existence d'un trou spectral séparant les phénomènes de grande échelle de ceux liés à la turbulence a été mise en évidence. Ces derniers ont été traités par des approches spectrale et statistique pour quantifier les flux turbulents de quantité de mouvement et de chaleur sensible, pendant la nuit, pour une durée de moyenne de l'ordre de 13 minutes. L'état de stratification de la couche de surface a été pris en compte et déterminé par la théorie de similitude de Monin-Obukhov. Les mesures nocturnes effectuées et l'application de la théorie de Kolmogorov ont permis de déduire les taux de dissipation de l'énergie et la taille des tourbillons à 5,5 m d'altitude. Ce travail a également conduit, par l'analyse chromatographique en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse, à l'identification, en mangrove, de composés organiques volatils soufrés, des organohalogénés, des BTEX, ... L'ensemble de ces résultats servira ultérieurement à alimenter les modèles de dispersion spécifiques liés aux écosystèmes étudiés.

De nombreux travaux indiquent qu'il est important d'étudier les impacts physico-chimiques de la convection profonde tropicale. Nous avons utilisé le modèle méso-échelle 3D non-hydrostatique CATT-BRAMS pour étudier le transport de traceurs dans la troposphère tropicale au-dessus de l'Amérique du Sud. J'ai effectué une validation de l'outil en complément d'une étude en saison sèche et dans les basses couches menée au CPTEC (Brésil). Les résultats obtenus dans ces travaux indiquent un comportement météorologique globalement correct. Le transport en résultant montre une sur-estimation du transport d'espèces chimiques dans la moyenne troposphère et une sous-estimation dans la haute troposphère. Cela vient d'un déclenchement trop fréquent de la convection restreinte, de la paramétrisation de la convection profonde et de la représentation de leurs interactions. Une adaptation du modèle pour la saison humide est nécessaire. A l'échelle locale des difficultés venant d'une sensibilité importante de la paramétrisation au relief sont rencontrées. Le CATT-BRAMS évolue vers un modèle avec chimie, le C-CATT-BRAMS. Les premiers résultats obtenus indiquent un fort impact de l'initialisation et des conditions aux limites pour les espèces NO et O3. Quelques soient l'initialisation ou les conditions aux limites utilisées, on observe une augmentation du rapport de mélange de ces espèces au cours du temps. Cela peut provenir d'une sur-estimation des émissions 'a la surface dans le modèle, en particulier pour les méga-cités. Il est important de poursuivre la validation de cet outil afin de pouvoir étudier l'impact physico-chimique de la convection profonde tropicale avec ce modèle.

Les performances des systèmes de veille IR aéroportés pour la detection de missiles balistiques sont limitées par les fluctuations spatiales de la luminance du fond de ciel. Cette thèse propose un nouveau code, FACLUM-2D, capable de calculer la fonction d'autocorrélation (FAC) 2D des fluctuations de la luminance atmosphérique, observées en visée quasi-horizontale depuis la stratosphere et spécifique à l'IR thermique. Les fluctuations du fond atmosphérique sont, dans ce cas, essentiellement dues aux fluctuations spatiales de la température et de la fraction massique de la vapeur d'eau. La prise en compte de ces dernières dans FACLUM-2D constitue la contribution majeure de ce travail de thèse. De plus, la détermination de la FAC de la luminance requiert la connaissance du coefficient d'absorption et de sa dérivée par rapport à la température et de la fraction massique de la vapeur d'eau. Pour cela, j'ai développé un code raie par raie pour l'IR thermique (RPR-IRT), permettant de tabuler la dérivée du coefficient d'absorption par rapport à la température et par rapport à la fraction massique de la vapeur d'eau avec une résolution spectrale de 10-4 cm-1. Faute de mesures expérimentales, le code FACLUM-2D a été validé avec des solutions analytiques pour un milieu homogène gris et comparé, dans la mesure du possible, à des codes de transfert radiatif standards. Les premiers résultats montrent, pour la première fois, l'impact significatif des fluctuations de la fraction massique de vapeur d'eau sur les fluctuations de la luminance. Une des perspectives majeures est d'étendre FACLUM-2D à une bande spectrale plus large, afin de couvrir tout l'IR.

Le contrôle de la qualité de l'eau est fondé naturellement et traditionnellement sur des mesures et des prélèvements in situ. Des images satellites étalonnées à partir des données mesurées in situ fournissent une information quantitative et continue sur le milieu aquatique et peuvent être employées pour estimer, avec une approximation raisonnable, les facteurs affectant la qualité de l'eau L'objectif de ce travail consiste à modéliser les propriétés optiques de l'eau de mer et les paramètres physico-chimiques qui caractérisent les eaux côtières. L'application est basée sur le développement d'un Système d'Information Marin caractérisant un système de gestion de base de données géoréférencié POlGIS dédié à la gestion de l'information marine dans le cas de contrôle, suivi et surveillance de la pollution. Nous présentons des modèles exprimant les variables indicatrices de la qualité des eaux du littoral Algérois et la réflectance calculée de chaque pixel à partir d'un modèle physique de correction radiométrique. Les mesures in- situ sont effectuées pour des zones de différentes qualités d'eaux et leurs réflectances sont calculées à partir des images satellites SPOT, Landsat TM, MSS, IRS1C et Seawifs Finalement, des modèles sont établies avec les réflectances permettent d'obtenir des images satellites indicatrices de la pollution et de la bathymétrie des zones côtières à partir du logiciel de traitement d'image PCSATWIN développé afin d'estimer pour chaque pixel le degré de pollution du milieu

L'aléa sismique d'un site donné peut être largement influencé par des effets de site. Afin d'évaluer ces effets, la structure locale du sous-sol ainsi que les propriétés du champ d'onde doivent être étudiées. Les ondes de surface (ondes de Love et de Rayleigh) s'avèrent utiles, leurs propriétés (courbes de dispersion, ellipticité des ondes de Rayleigh) étant directement liées à la structure du sous-sol. Le paramètre clé pour l'identification du type d'onde est la polarisation. Dans la première partie de la thèse, de nouvelles méthodes pour l'estimation de paramètres de polarisation d'ondes de surface sont développées. Deux méthodes, DELFI et RayDec, estiment l'ellipticité des ondes de Rayleigh à partir d'enregistrements d'un seul capteur sismique. La troisième méthode, MUSIQUE, est basée sur la méthode MUSIC et utilise les enregistrements multi-composantes de réseaux sismiques afin de distinguer ondes de Love et ondes de Rayleigh et d'estimer leurs propriétés. Dans la deuxième partie de la thèse, une étude théorique de l'inversion de courbes d'ellipticité montre quelles parties de ces courbes véhiculent les informations importantes sur la structure du sol et comment l'inversion peut être améliorée. Le schéma d'inversion résultant est alors testé en l'appliquant à des données réelles mesurées pour 14 sites européens. Finalement, 22 séismes enregistrés par un réseau de capteurs dans la vallée de Santa Clara en Californie sont analysés par MUSIQUE. La répartition azimutale, les courbes de dispersion, la courbe d'ellipticité et les énergies des différents types d'ondes sont analysées et soulignent l'importance des ondes de surface diffractées dans le champ d'ondes enregistré.

Les phénomènes météorologiques d'échelle synoptique peuvent s'expliquer par les interactions non linéaires entre structures d'amplitude finie, et leur environnement. Ce cadre d'étude, qui ne repose pas sur les hypothèses difficilement justifiables des théories d'instabilité, nécessite de pouvoir représenter de façon objective ces structures cohérentes, nommées ainsi par analogie avec les écoulements turbulents.<br />L'objectif principal de cette thèse est de bâtir et d'évaluer un algorithme d'extraction des structures cohérentes d'échelle synoptique. Elles sont recherchées dans le seul champ de tourbillon potentiel, qui est inversible dans l'atmosphère sèche. L'attribution des autres champs dynamiques à la structure est ainsi rendue possible après inversion. L'extraction repose sur la projection des champs bidimensionnels sur un ensemble de bases d'ondelettes orthogonales. Une base optimale est associée à chaque structure ; pour éviter la redondance entre les structures, une technique d'orthogonalisation a été mise au point. La comparaison de l'extraction avec une méthode non objective est possible grâce à un nouveau critère de cohérence temporelle, qui repose sur l'indépendance de l'évolution de l'environnement.<br />L'extraction est appliquée à plusieurs phénomènes d'échelle synoptique : un précurseur d'altitude haute-fréquence, un rapide de courant-jet et des champs d'altitude associés à des épisodes précipitants en Méditerranée. Ces études montrent la pertinence dynamique des structures extraites et dégagent des perspectives d'utilisation de l'algorithme. On aborde aussi sa possible application à la mise en place d'une prévision d'ensemble à courte échéance des tempêtes.