Cette thèse porte sur la mesure du protoxyde d'azote (N2O) à partir de capteurs spatiaux. Dans un premier temps, nous avons étudié les processus d'émissions et de transport de N2O depuis l'Asie jusqu'au bassin méditerranéen. Pour cette étude, nous avons utilisé des sorties du modèle de chimie-transport LMDz-Or-INCA ansi que des profils de N2O estimés à partir d'observations du capteur spatial TANSO-FTS (Thermal And Near infrared Sensor for carbon Observation Fourier Transform Spectrometer) de la plateforme GOSAT (Greenhouses gases Observing SATellite). Ensuite, nous avons mis en place un système de restitution des profils troposphériques de N2O à partir des mesures du capteur spatial infrarouge IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer) des plateformes MetOp. Ce système a ensuite été validé en utilisant les mesures in-situ des campagnes aéroportées HIPPO (High performance Instrumented airborne platform for environmental research Pole-to-Pole Observations). Enfin, nous avons étudié l'apport théorique du capteur IASI-NG (IASI-New Generation) par rapport à IASI pour la mesure du N2O troposphérique. / This thesis focuses on the measurement of nitrous oxide (N2O) from space sensors. Firstly, we studied the transport and emission processes of N2O from Asia to the Mediterranean Basin (MB). For this study, we used N2O profiles over the period 2010-2013 retrieved from TANSO-FTS (Thermal And Near infrared Sensor for carbon Observation Fourier Transform Spectrometer) observations onboard the platform GOSAT (Greenhouses gases Observing SATellite) . We also used outputs of the chemistry-transport model LMDz-Or-INCA over the same period. Secondly, we built an algorithm to retrieve N2O profiles using observations from IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer) onboard the MetOp platforms. This algorithm was validated by comparing the retrieved profiles with in-situ measurements from HIPPO (High performance Instrumented airborne platform for environmental research Pole-to-Pole Observations) airborne campaigns. Finally, we performed a theoretical intercomparison between IASI-NG (IASI-New Generation) and IASI concerning the tropospheric N2O measurements.

Les données satellitaires représentent aujourd'hui la vaste majorité des observations assimilées dans les modèles de prévision numérique du temps. Leur exploitation reste cependant sous-optimale, seulement 10% du volume total est assimilé en opérationnel. Environ 80% des données infrarouges étant affectées par les nuages, il est primordial de développer l'assimilation des observations satellitaires dans les zones nuageuses. L'exploitation du sondeur hyperspectral infrarouge IASI a déjà permis une amélioration des prévisions météorologiques grâce à sa précision et son contenu en information jamais inégalés. Son utilisation dans les zones nuageuses reste cependant très complexe à cause de la forte non-linéarité des processus nuageux dans l'infrarouge. Cette thèse propose donc une méthode permettant d'exploiter au mieux les observations nuageuses du sondeur IASI. Un modèle de transfert radiatif avancé utilisant les propriétés microphysiques du nuage a été évalué. Cette méthode présente l'avantage majeur d'utiliser les profils de condensats nuageux produits par les modèles de prévision. Grâce à ce nouveau schéma, les profils de contenus en eau nuageuse ont pu être inversés avec succès à partir des observations IASI et d'un schéma d'assimilation variationnelle uni-dimensionnel (1D-Var). L'impact de ces observations en termes d'analyse et d'évolution des variables nuageuses dans le modèle de prévision a aussi été évalué. Cette étude est une première évaluation du choix des variables de contrôle utilisées lors des inversions. Un modèle simplifié uni-colonne du modèle de prévision AROME a permis de faire évoluer les profils analysés par le 1D-Var sur une période de trois heures. Des résultats prometteurs ont montré la bonne conservation de l'incrément d'analyse pendant plus d'une heure et demie de prévision. La formation des systèmes fortement précipitants étant fortement liée aux contenus en eau nuageuse, ces résultats encourageants laissent entrevoir des retombées majeures pour la prévision des évènements de pluie intense et les applications de prévision numérique à très courte échéance. / Nowadays, most data assimilated in numerical weather prediction come from satellite observations. However, the exploitation of satellite data is still sub-optimal with only 10 to 15% of these data assimilated operationally. Keeping in mind that about 80% of infrared data are affected by clouds, it is a priority to develop the assimilation of cloud-affected satellite data. The hyperspectral infrared sounder IASI has already contributed to the improvement of weather forecasts thanks to its far better spectral resolution and information content compared to previous instruments. The use of cloud-affected IASI radiances is still very complicated due to the high non-linearity of clouds in the infrared. This PhD work suggests an innovative way to take advantage of cloud-affected radiances observed by IASI. An advanced radiative transfer model using cloud microphysical properties has been evaluated. This method has the advantage of using cloud water content profiles directly produced by numerical weather prediction models. Thanks to this new scheme, profiles of cloud water contents have been successfully retrieved from IASI cloud-affected radiances with a one dimensional variational assimilation scheme (1D-Var). The impact of these data in terms of analysis and evolution of cloud variables has been evaluated in a numerical weather prediction model. This study is the first step in evaluating the choice that has been made for the control variables used during the retrievals. A simplified one-dimensional version of the AROME model was used to run three-hour forecasts from the 1D-Var analysed profiles. Promising results have shown a good maintenance of the analysis increment during more than one hour and a half of forecast. In regard to these encouraging results, a positive impact on nearcasting applications and forecasts of heavy rainfall events, which are highly coupled to cloud variables, can be expected in the future.

Ce sujet concerne un travail pluridisciplinaire mathématique et astrophysique. Le but de cette thèse est l'étude des modèles d'hydrodynamique radiative dont l'application est bien évidemment très vaste en physique et astrophysique. Les modèles M1-multigroupes sont explorés pour décrire le transfert radiatif sans faire à priori d'hypothèse sur la profondeur optique du milieu. L'intérêt qui découle directement de ce travail est le développement du code d'hydrodynamique radiative HADES 2D permettant le calcul massivement parallèle. Il autorise des simulations dans des configurations astrophysiques réalistes en termes de nombre de Mach et de contraste de densité et de température entre les différents milieux. Nous nous sommes concentrés sur deux applications intéressantes : les jets d'étoiles jeunes et les chocs radiatifs dont les premières simulations seront présentées. / This topic is a multidisciplinary work between mathematics and astrophysics. The aim of this thesis is the study of radiation hydrodynamic models of which application is obviously very broad in physics and astrophysics. M1-multigroup models are explored to describe the radiative transfer without a priori assumption on the optical depth of the medium. The interest ensuing directly from this work is the development of a radiation hydrodynamic code, namely HADES 2D, for massively parallel computing. It allows simulations in realistic astrophysical configurations in terms of Mach number, density and temperature contrasts between different environments. We focused on two interesting applications: the jets from young stars and the radiative shocks of which first simulations will be presented.

Encore jamais été observé, le rayonnement infrarouge moyen et lointain consécutif aux sprites a été prédit et serait lié à l’excitation des états vibrationnels de CO2. En sciences de l’atmosphère, la composition chimique peut être retrouvée par des méthodes de télédétection infrarouge. Pour la Défense, les émissions infrarouges naturelles peuvent causer de fausses alarmes à travers les systèmes de veille optronique satellitaires ou aéroportés. C’est pourquoi il est nécessaire de caractériser les émissions infrarouges des sprites. Pour cela, un modèle de cinétique plasma-vibrationnelle a été développé et couplé à un modèle de transfert radiatif atmosphérique. Celui-ci permet de simuler les effets énergétiques et chimiques consécutifs à la perturbation électrique des streamers, éléments constitutifs des sprites. Les signatures infrarouges évaluées devraient être détectables pour un observateur situé dans la stratosphère ou dans l’espace. Par ailleurs, les effets des incertitudes sur les principaux paramètres du modèle ont été quantifiés à travers une étude de sensibilité. Enfin, ces travaux ont permis de définir certaines spécifications instrumentales pour la mission HALESIS (High Altitude Luminous Events Studied by Infrared Spectro-imagery), qui aura pour but d’observer les sprites et autres phénomènes lumineux de moyenne atmosphère dans l’infrarouge. / Even if it hasn’t been observed yet, the existence of emissions in the middle and far infrared following a sprite is suspected and could be related to vibrational excitation of CO2. In atmospheric sciences, the chemical composition can be retrieved through different remote sensing methods. For the Defense, natural infrared emissions could cause false alarms through airborne and spaceborne optronic detection systems. That is why it is necessary to characterize the infrared emissions of sprites. To do so, a plasma-vibrational kinetic model has been developed and coupled to an atmospheric radiative transfer model. This model allows evaluating the energetic and chemical effects following the electrical perturbation caused by the propagation of streamers, main constituent elements of sprites. The evaluated signatures could be detectable for an observer situated in the stratosphere or in space. Otherwise, the effects of the uncertainties on the principal parameters of the model have been quantified through a sensitivity analysis. Finally, this work allowed defining instrumental specifications for the future mission HALESIS (High Altitude Luminous Events Studied by Infrared Spectro-imagery), which will record hyperspectral infrared images of sprites and other middle atmosphere luminous events.

L'époque de la réionisation, qui s'étend pendant le premier milliard d'années de l'Univers, correspond à la période où les premières étoiles et galaxies apparaissent. Dans ce contexte, l'enjeu majeur de cette thèse est d'étudier la formation de ces premières structures et leur rétroaction radiative sur leur environnement. Pour cela, j'utilise différentes méthodes de simulations numériques permettant de modéliser le transfert radiatif dans les galaxies, dans un cadre cosmologique.En particulier, les plus petites galaxies seraient celles qui apportent la majorité des photons nécessaires à ioniser l'Univers. J'explore cette hypothèse dans une première partie à l'aide de simulations radio-hydrodynamiques avec le code RAMSES-RT, ciblant trois petites galaxies avec une très haute résolution spatiale et temporelle. Je me suis d'abord intéressé aux mécanismes régulant la production et le transfert de photons ionisants dans les galaxies, et j'ai montré que les explosions de supernovae en sont un facteur essentiel. Ensuite, j'ai exploré les propriétés observables dérivées à partir de ces simulations.Dans un second temps, j'ai développé une extension au code Monte Carlo de transfert radiatif MCLya prenant en compte la polarisation du rayonnement et l'émission diffuse dans une simulation. J'ai utilisé ce code pour post-traiter une simulation d'un blob Lyman-alpha, une source étendue d'émission Lyman-alpha, et étudier ses propriétés de polarisation à l'aide de pseudo-observations. Contrairement à ce qui était proposé précédemment, j'ai pu montrer que la polarisation n'était pas un indicateur aussi utile qu'espéré pour tracer l'origine des photons Lyman-alpha / The Epoch of Reionisation, which spans during the first billion year of te Universe, corresponds to the period during which the first stars and galaxy form. In this context, the main topic of this thesis is to study the formation of those early structures and their radiative feedback to their environment. For this purpose, I use various numerical simulations tools designed to model the radiative transfer in galaxies in a cosmological framework.More specifically, I look at very small galaxies, which are believed to contribute the bulk of the photons required to reionise the Universe. I explore this idea using radiative hydrodynamics simulations performed with RAMSES-RT, focusing on three small galaxies with a very high spatial and temporal resolution. I first detail the mechanism that regulate te production and escape of ionising photons in galaxies, and I show that supernovae explosions are a crucial element for this regulation. I then started to investigate the observable properties of those galaxies.In a second part of my thesis, I developped an extension to the Monte Carlo radiative transfer code MCLya to take light polarisation into account and to model the diffuse emission. I applied this code to post-process the simulation of a Lyman-alpha blob (an extended Lyman-alpha source), and to study its polarisation properties with mock observations. Contrary to what was suggested before, I showed that polarisation is not a strong tracer of the origin of Lyman-alpha photons

On s'intéresse dans ce travail à différents modèles de transfert radiatif, décrivant les interactions entre la matière et les photons. Les radiations sont décrites en termes d'énergie et flux d'énergie, dans le cas macroscopique, le flfluide environnant est quant à lui décrit par les équations d'Euler (modèle d'hydrodynamique radiative). Dans le cas microscopique, le champ radiatif est vu comme une collection des photons interagissant avec la matière par des mécanismes d'absorption-émission. Ces mécanismes dépendent des états d'excitation interne et d'ionisation de la matière. On commence par monter l'existence locale de solutions régulières pour un système couplant les équations d'Euler et l'équation du transfert radiatif. Ce système est obtenu à partir du bilan d'énergie et d'impulsion totale. Puis on fait une discussion asymptotique pour ce modèle dans le régime hors équilibre et on obtient un système simple couplant les équations d'Euler et une équation elliptique. On montre l'existence des profifils de choc (réguliers) pour ce système, et la régularité de ces profils en fonction de l'amplitude du choc. Puis on étudie la stabilité asymptotique de ces profifils. Enfifin, on présente une étude d'un système décrivant le champ radiatif et les états internes de la matière. On montre l'existence de solutions pour ce système et on établit rigoureusement la convergence vers l'équilibre statistique. Les résultats théoriques sont illustrés par des simulations numériques.

La première partie de cette thèse est centrée sur la mission ECLAIRs, dédiée à l'étude de l'émission prompte multi-longueurs d'onde des sursauts γ. Les performances de la caméra X/γ d'imagerie grand champ d'ECLAIRs sont estimées par des simulations Monte-Carlo. La sensibilité de détection des sursauts γ dépend principalement du bruit de fond sur la caméra. En prenant en compte les principales composantes de l'environnement spatial (le fond diffus X extra-galactique, les protons du rayonnement cosmique et atmosphériques, les neutrons atmosphériques, et les photons X-γ de l'albédo terrestre) pour une orbite d'ECLAIRs à 600 km d'altitude et à 20o d'inclinaison, le bruit de fond dans la bande d'imagerie de 4 à 50 keV est estimé à 7,1 coups cm-2 s-1. La sensibilité limite pour un seuil de détection de 5,5 σ de fluctuations du bruit de fond est estimée à 530 milli-Crabe sur une seconde d'intégration dans la bande d'énergie de 4 à 50 keV. Compte tenu des niveaux de bruit de fond, le taux de sursauts γ détectables par an, dans la bande 4-300 keV, est estimé entre 50 et 90 sursauts γ suivant la dureté du sursaut. Pour un échantillon d'une centaine de sursauts détectés, 47% seront localisés à mieux que 10' et 61% à mieux 20' pour un temps d'intégration de 1,024 secondes. Par ailleurs, avec un champ de vue de 105o x 105o et une sensibilité limite de 10 milli-Crabe sur 10 h d'intégration dans la bande 20-200 keV et 3 milli-Crabe dans la bande 4-10 keV, la caméra X-γ fera également un balayage de la sphère céleste, à la recherche de noyaux actifs de galaxies (NAG), de novae X, et de Soft Gamma Repeaters.<br /><br />Dans la seconde partie de cette thèse, nous nous intéressons à l'apport du code de photo-ionisation, Titan, dans l'interprétation des spectres de haute résolution des NAG, obtenus en X avec les satellites XMM-Newton et Chandra. Nous montrons que les formalismes approchés utilisés pour résoudre le transfert radiatif induisent des interprétations imprécises des spectres des NAG en X, car les flux de raies calculées (notamment les raies de résonance) sont systématiquement surestimés par 30% pour des milieux avec une densité de colonne totale CD < 1021 cm-2 à un ordre de grandeur pour des milieux avec CD > 1024 cm-2. A partir d'une étude théorique du triplet de raies des ions héliumoïdes, nous mettons également en évidence un jeu de diagnostics spectroscopiques. Ces diagnostics permettent de déterminer la densité, la densité de colonne totale et le paramètre d'ionisation des milieux photo-ionisés observés, à partir de la mesure des flux de raies et de la température des continus de recombinaison radiative.

La prise en compte des nuages est essentielle dans l'étude du climat, en particulier leur rôle radiatif. A cause de ses aspects non-linéaire et multiéchelle, une des difficultées du transfert radiatif tient à la prise en compte des hétérogénéitées spatiales des propriétées microphysiques (variabilité horizontale, hétérogénéitée géométrique, ...), tant d'un point de vue théorique que numérique. Afin de répondre à cette problématique, nous utilisons ici l'analyse multirésolution de type ondelette dans une méthode de Galerkin appliquée à l'Equation du Transfert Radiatif. Cette méthode permet de formaliser le problème du transfert radiatif en milieu hétérogène en distinguant les processus élémentaires d'interaction entre le champ de rayonnement et le milieu nuageux, décrits par des coefficients de connexion. Cette réécriture a conduit à la mise au point d'un code de calcul, conçu comme un "modèle instrument", un outil d'analyse des problèmes d'échelle en transfert radiatif. Les résultats ont été validés par rapport aux codes Monte Carlo et SHDOM. Des premières simulations ont montré l'intérêt de cette approche pour quantifier les sources radiatives additionnelles à l'échelle de pixels dits d'approximation dues aux couplages locaux entre les echelles, et étudier les effets radiatifs 3D. Cette nouvelle approche ouvre des possibilités d'application aux études en cours sur les limitations des codes de calcul existants et des techniques d'inversion de mesures satellites, et peut amener à la définition de paramétrisation multichelle des hétérogénéités nuageuses.

En télédétection optique, les modèles de transfert radiatif à l'intérieur du paysage terrestre et de l'atmosphère permettent de simuler et d'analyser la mesure radiométrique. Ces modèles, utilisés en mode "direct", reproduisent la mesure et aident à la spécification technique des futurs capteurs. De même, en mode "inverse", ils permettent d'estimer des paramètres de surface pour toute configuration d'observation et avec peu de mesures in situ. Actuellement, les principales limitations des modèles existants sont au niveau des hypothèses simplificatrices dans la représentation géométrique du paysage (spécialement pour la végétation). Ces simplifications affectent fortement les niveaux radiométriques et la texture des images à toute résolution spatiale. Ce-ci est particulièrement évident pour les images à très haute résolution spatiale (de l'ordre du mètre). Ainsi, il convient d'utiliser des modèles avec une représentation tridimensionnelle réaliste du paysage terrestre. L'objectif principal de cette thèse était d'améliorer la précision et la robustesse d'un modèle de transfert radiatif tridimensionnel (DART). Ce modèle simule la propagation du rayonnement avec les méthodes du suivi de rayons et des ordonnées discrètes à l'intérieur d'un milieu composé de cellules turbides (pour la végétation et l'air) et des cellules contenant des figures opaques (pour les murs, sol, troncs, etc.). La précision radiométrique a été améliorée avec l'introduction de nouvelles hypothèses simplificatrices concernant la modélisation du transfert radiatif appliquée aux cellules turbides et opaques. La robustesse a été fortement améliorée avec la modélisation intégrée du transfert radiatif atmosphérique et avec la possibilité de simuler tout type de paysage (naturel ou artificiel). DART a été validé en le comparant à d'autres modèles de transfert radiatif et des images aéroportées d'une zone urbaine. Le modèle a prouvé être efficient pour la spécification des caractéristiques techniques du futur capteur à très haute résolution spatiale de la constellation de satellites Plé iades. Finalement, DART a été appliqué pour l'estimation des paramètres biophysiques (indice foliaire, taux de couverture arborée et concentration en chlorophylle des feuilles) d'une forêt tempérée à partir d'images satellitaires SPOT (20 mètres de résolution) et Ikonos (résolution de l'ordre du mètre).

Dans certains regimes hypersoniques, le rayonnement peut enormement modifier l'ecoulement aerodynamique. Pour de telles applications, il est important d'avoir un modele qui realise un couplage fort entre l'hydrodynamique et le transfert radiatif afin d'avoir un bon comportement de la solution. Cependant, le couplage avec l'equation du transfert radiatif est en general extremement couteux et donc peu raisonnable pour des simulations multidimensionnelles instationnaires. Notre choix est d'utiliser un modele aux moments pour la partie rayonnement, ce qui est bien moins couteux. Celui-ci est base sur une fermeture entropique a la Levermore qui permet de conserver les principales proprietes de la physique. On developpe une version multigroupe de ce modele afin de pouvoir traiter des cas realistes tres dependants de la frequence. Le systeme couple resultant est hyperbolique et possede des proprietes interessantes qui sont etudiees. Ce modele radiatif est couple avec les equations de Navier-Stokes avec une approche totalement implicite et fortement couplee. De plus, pour gagner de la place memoire, on choisit d'utiliser une methode sans Jacobienne, en pratique une methode de type GMRes preconditionne. Cette methode se revele assez rapide pour pouvoir simuler des applications realistes a un cout de calcul raisonnable, ce qui n'est pas le cas de la plupart des modeles courament utilises dans la litterature. Plusieurs applications sont donnees pour illustrer le bon comportement du modele a la fois dans des configurations academiques simplifiees ou l'on peut faire des comparaisons et dans des configurations realistes comme l'ecoulement lors de l'entree atmospherique de sondes superorbitales.