Cette thèse porte sur l'étude du rayonnement radio auroral kilométrique de Saturne (SKR pour Saturn Kilo- metric Radiation) observé de façon quasi-continue par les antennes radio de la sonde Cassini depuis son entrée en orbite autour de Saturne en juillet 2004. Comme les rayonnements radio auroraux des autres planètes magnétisées, le SKR est généré sur des lignes de champ magnétique de haute latitude près des pôles magnétiques. Tirant parti de plusieurs années d'observations, les propriétés macroscopiques du SKR (spectre, polarisation, conjuguaison des sources de chaque hémisphère, mode d'émission) sont déduites par une analyse statistique. Elles montrent en particulier que les caractéristiques de l'émission dépendent fortement de la position de l'observateur. Ceci est une conséquence directe de l'anisotropie du SKR qui engendre de forts effets de visibilité, visibles dans les cartes d'intensité temps-fréquence (arcs, régions d'invisibilité de l'émission). La simulation de ces effets de visibilité apporte de nouvelles contraintes sur les propriétés microscopiques des sources (énergie et distribution des électrons auroraux). Le SKR est connu pour être modulé à une période variable. Une analyse de la variation de cette période radio sur plusieurs années révèle des oscillations à court terme de l'ordre de 20-30 jours dont l'origine est attribuée à la variation de la vitesse caractéristique du vent solaire au niveau de Saturne. Une étude parallèle du rayonnement auroral kilométrique terrestre (AKR), observé lors du survol de la Terre par Cassini en août 1999, met en évidence la découverte d'une modulation diurne semblable à celle du SKR. Enfin, la technique de goniopolarimétrie permet de faire de l'imagerie radio des sources du SKR. L'étude de leur distribution moyenne montre pour la première fois l'existence d'un ovale radio. La comparaison des images des sources du SKR avec celles des ovales auroraux (observés dans l'ultraviolet lointain par le télescope Hubble), ainsi que de leur puissance respective, montre une association étroite entre ces deux processus d'émission.

Cette thèse porte tout d'abord sur la dynamique des satellites co-orbitaux. En généralisant le problème des points de Lagrange, des résultats sur l'existence de configurations stationnaires ont été obtenus. Pour N co-orbitaux de masses arbitraires et négligeables devant celle du corps central, l'existence de points d'équilibre dépend de la parité de N. Si N est impair, alors quelles que soient les séparations angulaires entre les satellites, il existe toujours un ensemble de masses qui réalise un équilibre. L'ensemble des solutions physiquement réalistes (masses positives) se restreint à un sous-domaine de séparations angulaires. Pour N pair, des conditions supplémentaires sont à vérfier. Le cas N = 3 est traité globalement, en donnant l'ensemble des solutions d'équilibre et leur stabilité. Pour N > 3, des méthodes numériques sont présentées. Ces résultats ont permis d'élaborer un modèle de confinement des arcs de Neptune compatible avec les dernières observations (Dumas et al., 1999; Sicardy et al., 1999b; de Pater et al., 2004) : les arcs sont piégés entre des petits satellites co-orbitaux (de rayons inférieurs à environ 5 km) en équilibre stable dans l'anneau Adams. La stabilité du système, soumis aux perturbations du satellite Galatéa, a été testée numériquement avec succès. Un scénario de l'origine et de l'évolution d'un tel système est proposé. Dans un deuxième volet, la dynamique de Prométhée et Pandore est examinée. Des observations HST récentes (French et al., 2003) ont révélé des variations brutales et anti-corrélées en moyen mouvement, qui proviennent d'une interaction chaotique entre les deux satellites (Goldreich et Rappaport, 2003a), et qui sont causées par la superposition de 4 résonances de moyen mouvement 121 :118 (Goldreich et Rappaport, 2003b). Nous confirmons ici numériquement le mouvement chaotique en incluant les perturbations des satellites principaux de Saturne. Les masses de Prométhée et Pandore ont été déterminées par ajustement des simulations numériques aux données HST, et correspondent à des masses volumiques moyennes de l'ordre de 0.5 g/cm3. Des éphémérides pour Prométhée et Pandore, durant la mission Cassini autour de Saturne, sont déduites de ces ajustements. Finalement, des simulations à long terme semblent indiquer que Prométhée et Pandore transfèrent du moment cinétique aux satellites co-orbitaux Janus et Epiméthée, augmentant ainsi le temps de vie du système Prométhée-Pandore.

Les ceintures de radiations provoquent des dégâts irréversibles sur les satellites les traversant, détériorant ainsi les instruments de mesures embarqués. Les étudier est utile au développement de matériaux adaptés et résistants. Depuis les années 90, l'ONERA-DESP étudie les ceintures de radiations des planètes magnétisées, telle que la Terre ou Jupiter, grâce au modèle Salammbô. Salammbô prend en compte les processus physiques de l'environnement radiatif pour recréer les populations d'électrons peuplant les ceintures. Dans cette étude, il s'agit de développer un modèle des ceintures de radiations internes de Saturne, basé sur les travaux précédents. Avant les années 2000, Pioneer 11 et Voyager 2 ne permettaient pas un développement suffisamment avancé d'un modèle de ceintures de radiations de Saturne. La mission Cassini apporte ensuite quantités d'observations et de données pour mener une étude plus approfondie de ces ceintures. Cette thèse débute par l'analyse de la magnétosphère interne de Saturne : anneaux, satellites, nuage de neutres... L'interaction des particules des ceintures de radiations avec ces différents paramètres se traduit par le calcul de coefficients de diffusion. Ces coefficients sont intégrés à l'équation de transport et permettent de comprendre les mécanismes perturbant la distribution des électrons au sein des ceintures de radiation. Les résultats obtenus sont comparés aux mesures faites par les sondes Pioneer 11, Voyager 2 et Cassini.

Les anneaux planétaires représentent une fabuleuse opportunité d'étudier à portée de main une majorité de phénomènes ayant lieu dans les disques fins. Que ce soient les disques galactiques, les disques circumstellaires ou les disques d'accrétion, on retrouve à tous les redshifts et à toutes les échelles de l'Univers des disques.<br /><br />Depuis l'arrivée de l'orbiteur spatial Cassini autour de Saturne en juillet 2004, notre connaissance des disques planétaires s'est considérablement accrue et un long travail s'amorce pour comprendre tous les phénomènes qui y sont observés en temps réel. Ceci est dû aux observations effectuées par Cassini qui sont inédites et uniques en termes de résolution spatiale, sensibilité, variété des géométries d'illumination et suivi temporel.<br />Parmi ces phénomènes, deux tout à fait exceptionnels ont été choisis pour l'élaboration de la thèse que je vais vous présenter.<br /><br />Une première partie porte sur un anneau à l'activité dynamique particulièrement importante : l'anneau F. Cet anneau, depuis sa découverte en 1979 par la sonde interplanétaire Pioneer 11, a suscité les théories dynamiques les plus diverses pour expliquer sa structure multi-radiale complexe et sa structure azimutale variable. <br />J'ai montré que la structure multi-radiale de cet anneau pouvait être comprise par l'existence d'une spirale qui s'enroule autour d'une région centrale, brillante, excentrique et inclinée : le cœur. La durée de vie de cette spirale n'est pas la même que le cœur, suggérant que les processus qui créent la spirale sont périodiques. <br />De plus, la structure du cœur est stable à grande échelle sur près d'un an, mais est très instable sur une plus courte échelle spatiale et temporelle, ce qui s'explique par des interactions multiples avec le satellite Prométhée et des satellites éphémères. Grâce à la meilleure caractérisation de la géométrie du cœur, j'ai pu montrer que ces satellites éphémères croisent plusieurs fois par an l'orbite du cœur, ce qui pourrait expliquer la courte durée de vie de ces petits objets (~ 10 km) d'une part et leur rôle dans la création de la structure spiralée d'autre part.<br /><br />La seconde partie est consacrée à la photométrie des anneaux de Saturne et à une surbrillance particulière observée lorsque le Soleil et l'observateur sont alignés : l'effet d'opposition. Cette surbrillance a été observée dans les anneaux principaux pour la première fois en 1878 par Müller, et est demeurée jusqu'à présent profondément mystérieuse. L'utilisation de modèles préexistants couplant l'optique géométrique et l'optique quantique (grâce à la théorie de la rétro-diffusion cohérente qui a valu à Philip Anderson le Prix Nobel de Physique en 1977) a permis de comprendre une partie de l'effet d'opposition dans les anneaux de Saturne. J'ai pu toutefois démontrer que cinq hypothèses généralement admises sur le masquage des ombres et la rétro-diffusion cohérente sont inexactes, ce qui souligne les insuffisances des modèles actuels de l'effet d'opposition. <br />Enfin, grâce à la qualité et la diversité des observations de Cassini, j'ai pu obtenir des informations sur la nature et l'état de surface des particules des anneaux. Pour la première fois, à l'aide d'inversion des courbes de phase avec des modèles photométriques analytiques, l'albédo, l'anisotropie, la rugosité macroscopique, la taille effective des grains et des particules ont pu être déterminées et corrélées avec la profondeur optique des anneaux. Ces valeurs montrent d'une part que les anneaux de Saturne possèdent une gamme de comportements photométriques plus large que celle de tous les objets planétaires réunis. D'autre part, la perspective d'expliquer ces comportements photométrique via la dynamique semble être une issue incontournable. Des simulations photométriques et dynamiques futures devraient permettre d'aller dans ce sens.

Thèse de doctorat : Chimie et science des matériaux : Paris 12 : 2007. / Thèse uniquement consultable au sein de l'Université Paris 12 (Intranet). Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. : 221 réf.

Thèse de doctorat : Sciences de l'univers et de l'environnement : Paris 12 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. : 188 réf.

Le but de la thèse est de comprendre l'influence dynamique des effets diabatiques, comme la convection humide, sur les instabilités des vortex atmosphériques terrestres et planétaires. Un modèle verticalement intégré, avec les paramétrisations type relaxation des transitions de phase et de dégagement de la chaleur latente, le modèle de St-Venant avec la convection humide, a été utilisé. La version précédente du modèle a été améliorée pour inclure l'eau précipitable, sa vaporisation et son entrainement. L'approche consiste en 1) analyse détaillée de stabilité des profils idéalisés, ou extraits des données, des vortex, 2) étude de saturation non-linéaire des instabilités à l'aide de schéma numérique de haute résolution aux volumes finis. Les résultats principaux de la thèse sont : 1. Démonstration et quantification d'une forte influence des effets humides sur les instabilités des vortex synoptiques, y compris asymétrie cyclone-anticyclone des vortex de faible intensité aux latitudes moyennes, et de l'intensification des vortex type cyclones tropicaux, avec formation des nuages caractéristiques. 2. Explication de l'origine dynamique de l'hexagone au pôle Nord de Saturne, et de l'absence de structure similaire au pôle Sud, en termes d'instabilité du système vortex polaire - jet circumpolaire, et sa saturation non-linéaire. 3. Explication de la structure observée du vortex polaire hivernal sur Mars en termes d'instabilité et sa saturation en présence de réchauffement /refroidissement radiatif et de déposition de CO2 (transition de phase gaz - solide). Une nouvelle paramétrisation simple a été proposée pour ce processus, incluant l'influence des noyaux de déposition. / The thesis is devoted to understanding dynamical influence of diabatic effects, like moist convection, on instabilities of vortices in Earth and planetary atmospheres. A vertically integrated atmospheric model with relaxational parameterisation of phase transitions and related heat release, and with convective fluxes included in mass and momentum equations, the moist-convective rotating shallow water model, was used for this purpose. The previous version of the model was improved to include precipitable water and its vaporisation and entrainment. The approach consists in 1)detailed stability analysis of idealised, or extracted from the data, vortex profiles, 2)study of nonlinear saturation of the instabilities with the help of finite-volume high-resolution numerical code. The main results of the thesis are: 1. Demonstration and quantification of strong influence of moist effects upon instabilities of synoptic vortices, including cyclone-anticyclone asymmetry of mid-latitude vortices of weak intensity, and intensification of tropical-cyclone like vortices with formation of typical cloud patterns. 2. Explanation of the dynamical origin of the Saturn's North Polar hexagon, and of the lack of similar structure at the South Pole, in terms of instability of the coupled polar vortex and circumpolar jet, and their nonlinear saturation.3. Explanation of the observed structure of Mars' winter polar vortex in terms of instability of the latter, and its saturation in the presence of radiative heating/cooling and CO2 deposition (gas-solid phase transition). A new simple parameterisation of the latter process, including the influence of deposition nuclei, was developed in the thesis.

In computational fluid dynamics (CFD), there are two widely-used methods for computing the near-wall regions of turbulent flows: high Reynolds number (HRN) models and low Reynolds number (LRN) models. HRN models do not resolve the near-wall region, but instead use wall functions to compute the required parameters over the near-wall region. In contrast, LRN models resolve the flow right down to the wall. Simulations with HRN models can take an order of magnitude less time than with LRN models, however the accuracy of the solution is reduced and certain requirements on the mesh must be met if the wall function is to be valid. It is often difficult or impossible to satisfy these requirements in industrial computations. In this thesis the near-wall domain decomposition (NDD) method of Utyuzhnikov (2006) is developed and implemented into the industrial code, Code_Saturne, for the first time. With the NDD approach, the near-wall regions of a fluid flow are removed from the main computational mesh. Instead, the mesh extends down to an interface boundary, which is located a short distance from the wall, denoted y*. A simplified boundary layer equation is used to calculate boundary conditions at the interface. When implemented with a turbulence model which can resolve down to the wall, there is no lower limit on the value of y*. There is a Reynolds number-dependent upper limit on y*, as there is with HRN models. Thus for large y*, the model functions as a HRN model and as y*→ 0 the LRN solution is recovered. NDD is implemented for the k−ε and Spalart-Allmaras turbulence models and is tested on five test cases: a channel flow at two different Reynolds numbers, an annular flow, an impinging jet flow and the flow in an asymmetric diffuser. The method is tested as a HRN and LRN model and it is found that the method behaves competitively with the scalable wall function (SWF) on simpler flows, and performs better on the asymmetric diffuser flow, where the NDD solution correctly captures the recirculation region whereas the SWF does not. The method is then tested on a ribbed channel flow. Particular focus is given to investigating how much of the rib can be excluded from the main computational mesh. It is found that it is possible to remove 90% of the rib from the mesh with less than 2% error in the friction factor compared to the LRN solution. The thesis then focuses on the industrial case of the flow in an annulus where the inner wall, referred to as the pin, has a rib on its surface that protrudes into the annulus. Comparison is made between CFD calculations, experimental data and empirical correlations. It is found that the experimental friction factors are significantly larger than those found with CFD, and that the trend in the friction factor with Reynolds number found in the experiments is different. Simulations are performed to quantify the effect that a non-smooth surface finish on the pin and rib surface has on the flow. This models the situation that occurs in an advanced gas-cooled nuclear reactor, when a carbon deposit forms on the fuel pins. The relationship between the friction factor and surface finish is plotted. It is demonstrated that surface roughness left over by the manufacturing process in the experiments is not the source of the discrepancy between the experimental and CFD results.

Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse porte sur l'effet que les bâtiments exercent sur l'atmosphère urbaine et notamment sur les échanges énergétiques qui s'opèrent entre les deux systèmes. Afin de modéliser plus finement les effets thermiques du bâtiment sur les écoulements atmosphériques lors de simulations réalisées par le logiciel de CFD Code_Saturne, nous procédons au couplage de cet outil avec le modèle de bâtiment BuildSysPro. Cette bibliothèque fonctionne sous Dymola et peut calculer des matrices descriptives du bâtiment utilisables ensuite en dehors du logiciel. Ce sont donc ces matrices qui sont utilisées pour le couplage par l'intermédiaire d'un code assurant l'échange de données entre les calculs de thermique du bâtiment et ceux de CFD. Après une revue des phénomènes physiques en lien avec l'atmosphère urbaine et des modèles existants, nous nous intéressons aux interactions entre l'atmosphère et le milieu urbain, notamment les bâtiments. Ceux-ci peuvent avoir un impact sur les écoulements aussi bien dynamique, en tant qu'obstacles, que thermique, via leurs températures de parois. Parallèlement à la mise en place du couplage entre les deux logiciels, nous étudions les données de la campagne de mesures EM2PAU que nous utilisons pour notre validation. EM2PAU, réalisée en 2011 à Nantes, représente une rue canyon idéalisée par deux rangées de conteneurs. La campagne a pour spécificité de prendre simultanément les mesures de températures d'air et de parois ainsi que les vitesses du vent de référence et des écoulements dans le canyon par un anémomètre sonique placé à 10 m d'altitude et six autres positionnés en six emplacements dans le canyon. Nous cherchons donc à mettre en évidence les effets dynamiques et thermiques des bâtiments sur les écoulements à partir des résultats de cette campagne, pour ensuite les simuler. Puis la modélisation numérique des écoulements sur le domaine de EM2PAU est réalisée. L'objectif de ce travail est de mettre en évidence l'influence des effets thermiques des parois sur les flux atmosphériques. Nous comparons des simulations avec différentes méthodes pour donner les valeurs des températures de surface des conteneurs. La première méthode consiste à imposer ces températures d'après les mesures ; ainsi la température de chaque paroi sera fixée à la température de surface mesurée lors de l'instrumentation de EM2PAU. Quant à la deuxième méthode, on impose la température de l'air extérieur mesurée à l'instant simulé à toutes les parois des conteneurs, afin de créer un cas où l'on n'observe que peu ou pas d'échanges de chaleur. Enfin la troisième méthode est la simulation couplée de Code_Saturne et BuildSysPro. Les résultats des différentes simulations sont alors comparés afin de distinguer les effets thermiques des parois des bâtiments sur les écoulements d'air. Nous observons que les effets dynamiques sont primordiaux et peuvent engendrer des vitesses verticales de l'écoulement dans le canyon de l'ordre plusieurs mètres par seconde, tandis que des écarts de températures de surface de l'ordre de 15°C peuvent modifier les vitesses verticales du vent de moins de 0, 5 mètres par seconde. Si ces effets thermiques sont difficiles à isoler sur des mesures en raison des autres phénomènes susceptibles d'influencer les écoulements atmosphériques, les études numériques peuvent toutefois mieux quantifier ces différences / This thesis work is about the effect of buildings on the urban atmosphere and more precisely the energetic exchanges that take place between these two systems. In order to model more finely the thermal effects of buildings on the atmospheric flows in simulations run under the CFD software Code_Saturne, we proceed to couple this tool with the building model BuildSysPro. This library is run under Dymola and can generate matrices describing the building thermal properties that can be used outside this software. In order to carry out the coupling, we use these matrices in a code that allows the building thermal calculations and the CFD to exchange their results. After a review about the physical phenomena and the existing models, we explain the interactions between the atmosphere and the urban elements, especially buildings. The latter can impact the air flows dynamically, as they act as obstacles, and thermally, through their surface temperatures. At first, we analyse the data obtained from the measurement campaign EM2PAU that we use in order to validate the coupled model. EM2PAU was carried out in Nantes in 2011 and represents a canyon street with two rows of four containers. Its distinctive feature lies in the simultaneous measurements of the air and wall temperatures as well as the wind speeds with anemometers located on a 10 m-high mast for the reference wind and on six locations in the canyon. This aims for studying the thermal influence of buildings on the air flows. Then the numerical simulations of the air flows in EM2PAU is carried out with different methods that allow us to calculate or impose the surface temperature we use, for each of the container walls. The first method consists in imposing their temperatures from the measurements. For each wall, we set the temperature to the surface temperature that was measured during the EM2PAU campaign. The second method involves imposing the outdoor air temperature that was measured at a given time to all the surfaces, reducing every heat exchange to almost zero. The third method at last is the coupled simulation of Code_Saturne and BuildSysPro where BuildSysPro calculates the wall temperature from the Code_Saturne data. . The results of these different ways of modelling the wall temperatures are then compared in order to show the thermal effects of building wall heating on the air flows. We notice that the dynamic effects are dominant and can generate vertical wind speed that can pass several meters per second. On the other hand, differences of surface temperatures higher than 15°C can influence the vertical wind speed for less than 0.5 meters per second. These thermal effects are not easily highlighted with measured data because of the other phenomena that can impact the air flows. However they can be quantified with numerical studies

La précision globale des éphémérides est déterminée à la fois par la précision du modèle dynamique (précision interne) et par la qualité (précision et distribution) des observations utilisées pour l'ajustement du modèle (précision externe). La précision interne est bien estimée et de bonne qualité. En revanche, la précision externe est mal connue et tend à dégrader la qualité globale de l'éphéméride. L'un des moyens d'estimer la précision d'une éphéméride est la comparaison aux observations (O-C) qui n'est toutefois valable que pendant une période d'observations. En dehors de ces périodes, l'estimation de la précision reste difficile. L'objectif de ce travail est donc de mettre en lumière des méthodes statistiques qui permettent d'estimer la précision d'une éphéméride au cours du temps. Notre étude porte en particulier sur deux des huit satellites principaux de Saturne mais le cas d'un astéroîde est également étudié. Nous montrons que l'une des méthodes, le bootstrap, possède une implémentation simple et permet cette estimation en utilisant des hypothèses minimales sur la distribution des erreurs d'observations. La détermination de cette précision permet de mieux appréhender la manière d'utiliser les observations pour ajuster des théories. L'impact de la mission Gaia sur la précision des éphémérides peut également être mesurée. Un catalogue d'observations des satellites de Saturne, dont l'utilisation ne s'est pas limitée à l'ajustement du modèle, a été compilé. La longue période couverte par cette base de données autorise ainsi une mesure des forces de marées de Saturne, à travers la détection de l'accélération séculaire de la longitude moyenne de certains satellites.