On sait aujourd'hui que les processus stratosphériques jouent un rôle important dans le système climatique et leur étude est donc de grande importance pour la communauté scientifique. Les changements à long terme observés dans la stratosphère comprennent l'augmentation des gaz à effet de serre, de la vapeur d'eau, la diminution de l'ozone et un refroidissement systématique de cette région de l'atmosphère pendant les deux dernières décennies (1980-2000). Cette recherche est dédiée à la quantification des changements à long terme de la structure thermique et dynamique de la stratosphère et à l'attribution des causes des changements observés, et en particulier l'effet de la diminution de l'ozone stratosphérique. Le travail a été mené pour les vingt dernières années, où des mesures globales de la stratosphère existent; les analyses effectuées ont été ensuite couplées avec des simulations GCM pour quantifier le rôle de la diminution de l'ozone sur les changements à long terme observés. Trois bases de données (températures mensuelles) résultant d'analyses de données satellitaires et/ou de radiosondages ont été considérées : la base TOVS/3I fournit une description de la basse stratosphère à haute résolution spatiale pour une période de 8 ans; la base FUB a une résolution spatiale moins bonne mais est disponible pour une période plus longue; enfin, la base SSU/MSU couvre les vingt dernières années et surtout la totalité de la stratosphère, mais avec une résolution verticale plus faible. Un modèle de régression linéaire multiparamétrique, qui permet de séparer l'effet de la variabilité naturelle de la tendance à long terme, a été utilisé. Dans un premier temps, une analyse détaillée de l'impact des différents facteurs de variabilité de la température stratosphérique été réalisée. Les forçages considérés sont: l'Oscillation Quasi-Biennale (QBO), l'ENSO, la variabilité de 11 ans associée au cycle solaire, et le mode de variabilité extratropicale connu sous le nom d'Oscillation Arctique (AO). Nous montrons tout d'abord que l'amplitude de la réponse de la température à ces forçages peut être du même ordre de grandeur que les tendances calculées. Ensuite, les tendances de la température sont décrites en fonction de l'altitude, de la latitude et de la saison; elles montrent un refroidissement général de la stratosphère, avec une amplitude maximale en moyenne globale dans la haute stratosphère de l'hémisphère nord (de l'ordre de 3 K/décennie); le refroidissement se réduit dans la moyenne stratosphère pour atteindre 1 K/décennie en moyenne globale dans la basse stratosphère (mais avec une structure fortement dépendante de la latitude). L'analyse des températures nous permet aussi de mettre en évidence, de façon indirecte, un affaiblissement de la circulation moyenne de la stratosphère. Pour étudier le rôle de la diminution d'ozone stratosphérique sur les champs dynamiques et thermiques, nous avons enfin considéré deux ensembles de simulations GCM de type « transitoire »; en entrée des simulations, le premier ensemble considère les conditions prévalant avant la diminution de l'ozone, alors que le deuxième inclut les tendances d'ozone observées en moyenne zonale et mensuelle (dite « simulation ozone »). Les tendances de température simulées ont été comparées entre elles. Les résultats indiquent que la diminution de l'ozone stratosphérique est responsable du refroidissement observé à hauteur de 60% dans la haute stratosphère et de 30% dans la basse stratosphère. Si le refroidissement de la haute et moyenne stratosphère est bien reproduit par les simulations ozone, dans la basse stratosphère il est sous-estimé, très probablement à cause de l'effet des tendances de vapeur d'eau, qui n'ont pas été prises en compte dans les simulations. Le refroidissement pendant le printemps Arctique dans la basse stratosphère est observé, mais non complètement reproduit. Enfin, les simulations ozone indiquent une modification dans l'activité des ondes qui se propagent dans la basse stratosphère, observée à travers l'étude de la composante verticale du flux d'Eliassen-Palm.

Cette thèse a pour but de préparer un travail d’extrapolation de l’impact des overshoots stratosphériques (SOC) sur le bilan de vapeur d’eau (VE) dans la couche de la tropopause tropicale (TTL) et dans la basse stratosphère à l’échelle continentale.Pour ce faire, nous profitons des mesures de la campagne de terrain TRO-Pico tenue à Bauru, au Brésil, pendant deux saisons convectives/humides en 2012 et 2013, et de plusieurs simulations numériques de la TTL sur un domaine englobant une grande partie de l’Amérique du Sud avec le modèle méso-échelle BRAMS.Premièrement, nous effectuer une simulation d’une une saison humide complète sans tenir compte des SOC. Cette simulation est ensuite évaluée pour d’autres caractéristiques clés typiques (température de la TTL, VE, sommets de nuages et ondes de gravité) dans la TTL. En l’absence de SOC et avant d’extrapoler son leur impact, nous démontrons que le modèle reproduit correctement les caractéristiques principales de la TTL. L’importance de l’ascension lente à grande échelle par rapport aux processus convectifs profonds à échelle finie est ensuite discutée.Deuxièmement, à partir de simulations BRAMS à fine à échelle de cas de SOC observés pendant TRO-Pico, nous déduisons des quantités physiques (flux de glace, bilan de masse de glace, tailles des SOCs), qui serviront à définir un forçage de l’impact des overshoots dans des simulations à grande échelle. Nous montrons un impact maximum d’environ 2 kt en VE et 6 kt de glace par SOC. Ces chiffres sont 30% nférieurs pour un autre réglage microphysique du modèle. Nous montrons que seul trois types d’hydrométéores du modèle contribuent à cette hydratation. / This dissertation aims at laying a foundation on upscaling work of the impact of stratospheric overshooting convection (SOC) on the water vapor budget in the tropical tropopause layer (TTL) and lower stratosphere at a continental scale.To do so, we take advantage of the TRO-Pico field campaign measurements held at Bauru, Brazil, during two wet/convective seasons in 2012 and 2013, and perform accordingly several numerical simulations of the TTL which encompass through a large part of south America using the BRAMS mesoscale model.Firstly, we adopt a strategy of simulating a full wet season without considering SOC. This simulation is then evaluated for other typical key features (e.g., TTL temperature, convective clouds, gravity wave) of the TTL. In the absence of SOC and before upscaling its impact, we demonstrate that the model has a fair enough ability to reproduce a typical TTL. The importance of large-scale upwelling in comparison to the finite-scale deep convective processes is then discussed.Secondly, from fine scale BRAMS simulations of an observational case of SOC during TRO-Pico, we deduce physical parameters (mass flux, ice mass budget, SOC size) that will be used to set a nudging of the SOC impact in large-scale simulations. A typical maximum impact of about 2kt of water vapor, and 6kt of ice per SOC cell is computed. This estimation is 30% lower for another microphysical setup of the model. We also show that the stratospheric hydration by SOC is mainly due to two types of hydrometeors in the model.

Nous avons développé un détecteur intégré à base d'une diode pour être embarqué dans un ballon stratosphérique afin de caractériser l'environnement radiatif atmosphérique. Le détecteur a été calibré avec une source Californium, et il a été pleinement caractérisé lors de tests sous faisceaux de neutrons qui produisent diverses particules ionisantes secondaires. Les sections efficaces différentielles de détection pour différentes énergies de faisceaux de neutrons sont avérées être en bon accord avec les simulations effectuées avec le code MC-Oracle. Nous avons effectué un certain nombre de vols en ballon stratosphériques (avec l'ESA et le CNES) et confirmé la corrélation entre le taux de comptage et de l'altitude. En outre, nous avons observé que l'environnement radiatif n'est pas isotrope et démontré le potentiel de notre outil pour étudier l'environnement radiatif atmosphérique. Ces résultats sont utiles pour estimer le flux de particules qui affecte appareils et systèmes électroniques à bord des appareils. / We developed an integrated silicon detector to be embedded in a stratospheric balloon in order to investigate the radiative atmospheric environment. The detector was calibrated with a Californium source, and it was fully characterized under neutron beams which produced various secondary ionizing particles. Differential detection cross sections for different neutron beam energies were shown to be in good agreement with simulations performed with the MC-Oracle code. We performed four stratospheric balloon flights (with ESA and CNES) and confirmed the correlation between the count rate and the altitude. Moreover, we observed that the radiative environment is not isotropic and demonstrated the potential of our tool for investigating the radiative atmospheric environment. These results are useful for estimating the particle flux that affects electronic devices and onboard aircraft systems.

Le rôle joué par la stratosphère sur le climat est aujourd'hui avéré. Le couplage du système troposphère-stratosphère implique que les processus dynamiques de grande amplitude de la moyenne atmosphère perturbent l'équilibre atmosphérique et l'écoulement dans les plus basses couches. Parmi ces phénomènes dynamiques, les échauffements stratosphériques soudains sont les plus emblématiques. Cette étude s'intéresse à l'impact de ces événements sur la variabilité de la moyenne atmosphère et sur l'estimation des tendances de température. Nous cherchons également à mieux caractériser l'évolution spatio-temporelle des échauffements stratosphériques, depuis leurs causes jusqu'à leurs conséquences. Tout d'abord, une méthodologie novatrice d'analyse statistique de séries temporelles est développée et testée sur des mesures lidar de l'Observatoire de Haute-Provence. L'impact des événements dynamiques les plus importants peut ainsi être efficacement isolé de la contribution radiative de fond, ce qui explique les différences observées entre l'été et l'hiver. Ensuite, une simulation du Canadian Middle Atmosphere Model nous permet de valider la méthodologie et d'étendre notre étude à l'ensemble du globe. On montre que les variations spatiales sont elles aussi majoritairement causées par l'activité dynamique. Les conditions de formation d'un échauffement stratosphérique sont également étudiées, à l'aide de tests de sensibilité du modèle RACCORD. On prouve l'importance du rappel vers la météorologie pour produire un échauffement majeur, particulièrement dans le cas d'une rupture du vortex. Enfin, la méthode et nos résultats sont mis à profit dans une analyse de l'hiver 2012-2013.

Measuring the composition of the stratosphere, and understanding the processes regulating it, have become,in the last few decades, top priorities in the scientific community, particularly since the discovery ofthe ozone hole in the 1980s. While a lot has indeed been done in monitoring ozone, other constituents also influence the stratosphere’s composition, and interfere namely with ozone, affecting its chemical and dynamical balance. Among these is nitric acid (HNO3 ) which is a reservoir for ozone depleting NOx ,but also a key player in the formation of polar stratospheric clouds which, by turning inert species into active radicals, enhance the ozone depletion further. The nadir-viewing IASI instrument is a very good means of obtaining simultaneous data of nitric acid and ozone. Indeed, it measures the radiation of the Earth’s atmosphere in the thermal infrared spectral range, which allows it to measure even at night. This is crucial to the study of polar processes, since they occur mostly during the polar winter, when no light reaches these latitudes. Thanks to its design and its technical characteristics, the IASI instrument provides data all-year round, for every location on the Earth. The purpose of this work is to use this unique set of IASI data to understand what drives the variability of HNO3 in the stratosphere. No study so far has focused on the factors affecting the time and spatial distributions of nitric acid to the extent and scale we propose here. We aim to identify and quantify these factors, and to compare them with the drivers of ozone variability. Nitric acid data are thus obtained for the 10 years of IASI observation (2008 − 2017), and vertical profiles are retrieved in near-real time thanks to the FORLI algorithm developed at ULB. The first part of the present work provides a detailed characterization of the IASI FORLI-HNO3 data set in terms of vertical sensitivity and errors. We show that the HNO3 maximum is found around 20 km altitude, where we also find the maximum sensitivity of the measurements to the vertical profile. The analysis of the averaging kernels shows us that only one level of information can be extracted from the vertical profile, which constrains the rest of our analyses to the use of a total (or almost total) column. We also find that the IASI measurements tend to overestimate slightly the HNO3 column in the upper troposphere/lower stratosphere region of the profile. The data set is validated against ground-based FTIR measurements at different latitudes: we find good agreement between IASI and the FTIR data, which confirms that IASI manages to reproduce the HNO3 columns and their seasonality accurately. Comparisons with a state of the art atmospheric model data are also shown, and suggest that improvement is still largely needed in models to represent the HNO3 distributions accurately. The use of a data-assimilated model (BASCOE) shows a much better agreement with the IASI observations. The next part of the work describes the geophysical analyses carried out, and details the first time series and global distributions of HNO3 from IASI. After describing the various (mostly polar) processes at play observed in the time series, the question of the formation of the polar stratospheric clouds is raised, and further results are shown about the temperature at which these form. While a fixed threshold (195 K) is usually used for geophysical analyses, we find from the observational IASI data set that this fixed temperature can vary substantially depending on local conditions and on altitude. The last sections use multivariate linear regressions to fit the HNO3 and O3 time series, featuring various chemical and dynamical variables in order to identify what factors are responsible for their respective variability. We include the variables most commonly used in such kind of study, i.e. a linear trend, harmonical terms to account for the annual seasonality, and proxies for the quasi-biennial oscillation, the multivariate ENSO index, and the Arctic and Antarctic oscillations. The novelty of our work resides in the addition of a proxy for the volume of polar stratospheric clouds to account for the strong denitrification observed in the HNO3 time series in polar regions. We find that the annual cycle, encompassing the solar seasonality and the Brewer-Dobson circulation, is the factor explaining most of the variability of both HNO3 and O3 ,at almost all latitudes. In the polar regions, however, the volume of polar stratospheric clouds is a key factor contributing the most to their variability. Globally, the same factors explain the same portion of both HNO3 and O3 variability. In the last part of the thesis, we conclude and provide a preliminary co-analysis of HNO3 and O3 from the 10-year IASI data. The results are encouraging and highlight the potential of the IASI measurements to monitor the polar processes on various scales. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Au cours de ce travail, nous avons étudié les cinétiques et mécanismes de plusieurs réactions de radicaux bromés et chlorés d'intérêt pour la chimie atmosphérique : d'une part, des réactions des radicaux halogénés BrOx (Br, BrO) et ClOx (Cl, ClO) avec les radicaux hydroxy-oxygénés (OH, HO2), afin d'évaluer leur impact sur la répartition des composés halogénés dans la stratosphère globale entre espèces actives et réservoirs de ces espèces, en lien avec la diminution de l'ozone stratosphérique ; d'autre part, des réactions entre ces mêmes radicaux halogénés et le diméthylsulfoxyde (DMSO), intermédiaire d'oxydation du sulfure de diméthyle (DMS) émis par les océans, afin d'évaluer la contribution possible de ces réactions à l'oxydation du DMSO. Les réactions ont été étudiées par la technique du réacteur à écoulement couplé à la spectrométrie de masse, à une pression de 1 torr d'hélium.<br /><br />Pour les réactions entre les radicaux halogénés et hydro-oxygénés, les résultats obtenus montrent que les réactions étudiées constituent des sources supplémentaires de l'espèce réservoir HX (X = Br, Cl) dans la stratosphère globale. Toutefois, les valeurs des constantes de vitesse obtenues semblent insuffisantes pour expliquer totalement l'écart entre observations et modélisations des concentrations de HX dans la stratosphère, et donc le partage des composés halogénés entre espèces actives et réservoirs.<br /><br />Concernant le DMSO, ce travail confirme que les réactions avec les radicaux chlorés et bromés ne contribuent pas de manière significative à son oxydation, celle-ci étant amorcée principalement en phase gazeuse par le radical OH.

La mission PILOT a pour objectif l'étude de l'émission polarisée des grains de poussières du milieu interstellaire dans le domaine submillimétrique, à 240 et 550 μm. L'instrument scientifique sera embarqué à bord d'un ballon stratosphérique à une altitude d'environ 40 km. Un champ de vue de 0.8°×1°, ainsi qu'une résolution de l'ordre de la minute d'arc sont requis pour atteindre les objectifs scientifiques. Pour cela, il est nécessaire d'utiliser à la fois un plan focal étendu, un miroir de grand diamètre ainsi qu'un système ré-imageur. Le télescope est de plus en configuration hors axe, une combinaison de forme et d'angle entre les miroirs primaire et secondaire doit donc être respectée de façon à optimiser la qualité image et à minimiser la polarisation instrumentale. L'objectif de mes travaux de thèse était d'estimer les performances de ce système optique, ainsi que leurs variations en fonction des conditions de vol. Tous les composants optiques seront refroidis à 3 K, à l'exception du miroirprimaire. Le contrôle des caractéristiques de ce miroir en fonction des conditions d'environnement est indispensable à l'obtention de performances optimales en vol. J'ai évalué les caractéristiques du miroir primaire en combinant des mesures tridimensionnelles, une caractérisation dans le domaine submillimétrique et des modélisations de déformées en température homogène, non homogène et en gravité. Les méthodes mise en place pour le miroir primaire ont également été appliquées aux lentilles du système ré-imageur. Les résultats obtenus sur le miroir primaire et les lentilles ont été intégrés à la modélisation du système optique. Il a ainsi été possible de valider l'adéquation entre les performances nominales et réelles et d'optimiser le positionnement de chaque composant optique pour l'intégration de l'instrument. Le degré de polarisation de l'émission polarisée des grains de poussières est de l'ordre de quelques pourcents. L'interprétation du signal mesuré par l'instrument nécessite donc une bonne connaissance de la polarisation instrumentale induite par l'instrument. J'ai estimé, par modélisation, les matrices de passage de l'instrument en fonction de la position du point du champ observé, de l'orientation du plan de polarisation de l'état de polarisation incident et de l'orientation de l'axe optique de la lame demi-onde. La campagne de tests de l'instrument intégré, me permettra de vérifier et d'optimiser ces matrices.

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.

Les rayons cosmiques ont été découverts il y a un siècle par Victor Hess à bord d'un vol scientifique en ballon. La physique des rayons cosmiques et les ballons stratosphériques ont partagé depuis lors une histoire commune, que ce soit pour d'authentiques découvertes ou en utilisant les ballons comme plateformes de test technologique pour de nouvelles missions satellites. Cette thèse, développée au sein de la collaboration JEM-EUSO, traite d'un démonstrateur en ballon stratosphérique. Notre but scientifique final est l'étude des Rayons Cosmiques de Ultra-Haute Energie (RCUHE), les particules les plus énergétiques connues dans l'Univers. Les RCUHES ont des énergies macroscopiques de plus de 10^20eV mais étant extrêmement rares, leurs origines sont encore inconnues. Ces derniers pénètrent notre atmosphère à une fréquence de un par km2 par siècle, produisant une gerbe atmosphérique géante, détectable notamment par la lumière de fluorescence ultraviolette qu'elle émet. Le principe de détection proposé par notre collaboration consiste dans l'utilisation d'un observatoire spatial, JEM-EUSO. Son objectif est d'observer un très grand volume d'atmosphère afin d'enregistrer un nombre significatif des événements ultra-violet de fluorescence initiés par les RCUHEs. Le démonstrateur EUSO-Ballon a été développé par la collaboration JEM-EUSO dans le but de démontrer les technologies et méthodes utilisées par le futur instrument spatial. Le 25 août 2014, EUSO-Ballon a été lâché depuis la base de ballons stratosphériques de Timmins (Ontario, Canada) par la division ballon du CNES. L'instrument a fonctionné pendant toute une nuit astronomique, observant depuis 38km d'altitude la lumière UV provenant de divers types de sols et de centaines de gerbes atmosphériques simulées. Ces dernières ont été produites par des flashers et un laser embarqués dans un hélicoptère volant sous EUSO-Ballon pendant deux heures. Ces résultats ont été rendus possibles par la restitution de l'attitude de l'instrument effectuée à l'IRAP, c'est-à-dire une analyse exhaustive des données du vol des différents appareils de mesure d'attitude de la nacelle du ballon. Une caractérisation précise de chaque sous-système était aussi indispensable à l'exploitation des données du vol. Le système optique innovant, composé de deux grandes lentilles de Fresnel, a été intégré et entièrement testé à l'IRAP. Face au large système réfractif de l'instrument, une nouvelle méthodologie de test a été développée. Les performances de l'optique, efficacité et spot focal, ont ainsi été mesurées et se sont révélées étonnamment différentes des prédictions des modèles numériques. Ces mesures sont utilisées pour l'analyse des données du premier vol et pour mieux comprendre le comportement de ces toutes nouvelles optiques, éléments clés dans la conception de l'instrument JEM-EUSO. / A century ago Cosmic Rays were discovered by Victor Hess during one of the very first scientific balloon flights. Ever since, Cosmic Ray physics and stratospheric balloons have shared a common history - either through genuine discoveries or by using balloon platforms as technology test beds for new satellite missions. This thesis, carried out within the JEM-EUSO collaboration, is about such a pathfinder balloon mission. Our ultimate science goal is the study of Ultra-High Energy Cosmic Rays (UHECR), the most energetic particles known in the Universe. Having macroscopic energies of over 10^20 eV, UHECRs are of yet unknown cosmic origin and are extremely rare. They penetrate our atmosphere at a rate of about one event per km2 and century, producing energetic atmospheric air showers, detectable through the ultraviolet fluorescence light they emit. The technique that our collaboration proposes for their detection consists of a spaceborne observatory, JEM-EUSO. Its objective is to monitor a very large volume of the Earth's nighttime atmosphere from above, recording a significant sample of ultraviolet light tracks initiated by UHECRs. In order to demonstrate the technologies and methods featured in the future space instrument, the EUSO-Balloon pathfinder has been developed by the JEM-EUSO collaboration. On August 25, 2014, EUSO-Balloon was launched from Timmins Stratospheric Balloon Base (Ontario, Canada) by the balloon division of the French Space Agency CNES. From a float altitude of 38 km, the instrument operated during the entire astronomical night, observing UV-light from a variety of groundcovers and from hundreds of simulated air showers, produced by flashers and a laser during a two-hour helicopter under-flight. These results have been made possible by the restitution of the instruments attitude carried out at IRAP, i.e. an exhaustive analysis of the flight data from various attitude sensors on board of the balloon gondola. Also, a precise understanding of the Fresnel optics was required to analyze the data of the first EUSO-balloon flight. The all new optical system, integrated and tested at IRAP, has been characterized during two measurement campaigns. To test this large refractive system, a new test method has been developed. The optics performance, i.e. the efficiency and point spread function, came as something of a surprise, since none of the numerical models had predicted the observed behavior. These measurements are used in the analysis of the flight data and for the deep understanding of these brand-new Fresnel optics, key element in the design of the JEM-EUSO instrument.

L'ozone joue un rôle primordial sur l'équilibre photochimique de l'atmosphère et participe au processus d'équilibrage radiatif entre les deux hémisphères (Mecke, 1931). Dans la troposphère, l'ozone détermine la capacité oxydante de la majorité des gaz et absorbe continuellement dans la stratosphère les radiations ultraviolettes nocives (McMicheal et al., 2003). D'où l'intérêt de surveiller la variation de la couche d'ozone de façon régulière. Il a été constaté au début des années 80, une diminution inquiétante et progressive de la colonne totale de l'ozone dûe aux émissions anthropiques des substances riches en chlore, brome et fluor. Ce constat a conduit au Protocole de Montréal en 1987 dont l'objectif est de mettre en place une politique internationale visant à réduire les émissions des substances appauvrissant l'ozone. Dix ans après la signature du dit Protocole, la concentration de ces substances commence à diminuer dans l'atmosphère et la prospection d'un recouvrement progressif de la couche d'ozone demeure aujourd'hui un sujet d'actualité (UNEP/PNUE, 2009 ; OMM, 2010 et 2014). Les besoins d'aujourd'hui sont de réaliser des mesures continues et fiables de l'ozone dont leurs exploitation dans des méthodes et/ ou des modèles bien adaptés à la problématique aideront la communauté à suivre l'évolution de l'ozone et d'estimer les tendances à long terme. Dans ce travail, une variété de produits d'ozone issue de différents instruments a été combinée pour construire des bases des données fiables et homogènes afin d'étudier sa variabilité et d'estimer la tendance de l'ozone dans les régions tropicale et subtropicale sud. L'application de ces bases de données sur les ondelettes a permis d'identifier les principaux forçages qui contrôlent la variabilité de l'ozone et la période de retour associée à chaque forçage. Il s'agit des variations saisonnières du climat, les oscillations quasi-biennales, les oscillations australes El-Niño et l'activité solaire dont le cycle moyen est évalué à 11ans. Le comportement et l'influence de chacun de ces paramètres sur la viabilité de l'ozone sont étudiés. Cette étude est faite en s'appuyant sur des méthodes statistiques et sur le modèle Trend-Run. Avec ce modèle, la part de contribution et la réponse de chaque paramètre sur la variabilité de l'ozone sont quantifiées. Les résultats sur les tendances montrent une augmentation de la couche d'ozone avec un taux variant entre 0 et 2.78% par décade (selon la région et le site) sur la période 1998-2012. Cette amélioration est bien observée au-dessus de 22km, surtout aux subtropiques par rapport à la région équatoriale. / Ozone plays an important role on photochemical equilibrium of atmosphere and participate on radiative balance process between hemispheres (Mecke, 1931). In the troposphere, ozone determines the oxidizing capacity of major species and absorbs continuously in the stratosphere the harmful ultraviolet radiation (McMichael et al, 2003). Based on the above facts, it is important to monitor ozone continuously with consistency and accuracy. Global total column ozone (TCO) has depleted gradually since 1980 with an increase of chlorofluorocarbon concentrations in the stratosphere due to anthropogenic activities. In 1987, the Montreal protocol was formulated in order to regulate the emissions of substances that deplete ozone. Concentrations of these substances are observed to decrease ten years after the Montreal protocol. Thus we have been expecting an increase in ozone by now (UNEP/PNUE, 2009; WMO, 2010 and 2014). The current needs are to achieve consistent and reliable measurements in which their exploitation on adapted methods/models can help scientists to follow the ozone evolution and to estimate long term ozone trend. In this work, a variety of ozone products from different instruments was combined in order to create reliable and homogenous dataset to study the ozone variability and trend over the southern tropics and subtropics. The dataset application on wavelets method allowed to identify the dynamic parameters that control ozone variability and their periodicities. These include seasonal variations of climate, the quasi-biennial oscillations, the El-Niño Southern Oscillation and the 11-years solar cycle. The behavior of each parameter and its influence on ozone variability were analysed based on statistical method and the Trend-Run model. The contribution and response of each variable on ozone variability were quantified from the model. The obtained trends results exhibit an increase of total ozone from 1998 to 2012 with a rate varying between 0 and 2.78% par decade (depending of the site and region). The ozone increase was observed mainly above 22 km and it is more important over the subtropical region with respect to equatorial zone.