L'objectif était d'utiliser le cytomètre en flux (Cytosense, CytoBuoy b.v., NL) afin de comprendre l'influence des paramètres structurels et morphologiques des cellules phytoplanctoniques sur la rétrodiffusion. Nous avons analysé les propriétés optiques des cellules sur différentes phases de croissance. Une expérience en microcosme a été réalisée sur deux espèces (Thalassiosira pseudonana et Chlamydomonas Concordia) durant 20 jours. Les efficacités de diffusion avant et de côté de Thalassiosira pseudonana étaient respectivement 2,2 et 1,6 fois plus importantes que celles de Chlamydomonas Concordia. Les variations intra- et inter-espèces ont été expliquées par des simulations théoriques et des mesures in situ (biogéochimiques et observations au microscope à balayage électronique). Les mesures in situ ont permis d'obtenur des informations sur la structure des cellules (e.g. épaisseur de la frustule). L'efficacité de diffusion avant est impactée par l'agrégation et la taille des cellules. L'indice de réfraction réel du chloroplaste est un paramètre clé pouvant expliquer les variations de l'efficacité de côté. À l'avenir, nous recommandons d'utiliser un modèle à deux couches (cytoplasmes-chloroplaste) pour simuler les propriétés optiques des cellules phytoplanctoniques. Une analyse de la relation entre la concentration en carbone organique particulaire (POC) et le coefficient de rétrodiffusion a été effectuée. Des relations linéaires fortes ont été observées uniquement durant la phase exponentielle. Une reconstruction du coefficient de rétrodiffusion a permis de mettre en évidence que le POC était d'origine phytoplanctonique pour une espèce et d'origine bactérienne pour l'autre. / The objective was to use the flow cytometer (Cytosense, CityBuoy B.V., NL) to understand the influence of structural and morphological parameters of phytoplankton cells on the backscattering. We have analyzed the optical properties of the cells over different growth phases. A microcosm experiment was performed on two species (Thalassiosira pseudonana and Chlamydomonas Concordia) during 20 days. The forward and sideward efficiencies of Thalassiosira pseudonana were, respectively, 2.2 and 1.6 times higher than the efficiencies Chlamydomonas Concordia. The inter- and intra-species variations were explained by theoretical simulations and in situ measurements (biogeochemical and observations from scanning electron microscope). In situ measurements were used to obtain informations about the cell structure (e.g. thickness of the frustule). The forward efficiency was impacted by the aggregation and the cell size. The real refractive index of the chloroplast is a key parameter that could explain variations of the sideward efficiency. In the future, we recommend to use a two-layered sphere model (cytoplasm-chloroplast) to simulate the optical properties of phytoplankton cells. An analysis of the relationship between the particulate organic carbon concentration (POC) and the backscattering coefficient was performed. Strong linear relationships were observed only during the exponential phase. A reconstruction of the backscattering coefficient permitted to highlight that the POC was from phytoplankton cells origin for a species and bacterial origin for the other one.

L’imagerie hyperspectrale aéroportée constitue un candidat potentiel pour la cartographie et le suivi des récifs coralliens à large échelle et à forte résolution spatiale. Dans cette thèse, nous présentons tout d’abord les traitements à appliquer au signal hyperspectral afin d’en extraire des informations sur la nature du fond marin, la bathymétrie et les propriétés optiques de l’eau, et nous les mettons en perspectives devant deux principaux verrous : (i) le faible rapport signal sur bruit du signal mesuré, (ii) le nombre et la variabilité des interactions onde-matière ayant lieu entre l’entrée des rayons lumineux dans l’atmosphère et leur mesure par le capteur hyperspectral. En considérant ces limitations, nous examinons les performances d’une des méthodes existantes de traitement de la colonne d’eau : l’inversion de modèle semi-analytique par optimisation. Nous évaluons d’abord la robustesse des estimations des types de fond et de la bathymétrie pour six paramétrisations du schéma d’inversion. Les résultats sur des images hyperspectrales acquises à l’île de La Réunion en 2009 montrent que la paramétrisation de l’inversion joue un rôle crucial sur la qualité des estimations et que la paramétrisation la plus communément utilisée ne présente pas toujours les meilleures performances. Nous évaluons par la suite l’importance de la précision de la paramétrisation du modèle semi-analytique direct à travers une analyse de sensibilité réalisée sur des données hyperspectrales synthétiques puis sur des données réelles que nous avons acquises en 2015 à La Réunion. L’analyse est en outre effectuée pour toutes les paramétrisations de l’inversion précédemment étudiées. Cette étude montre qu’en milieu récifal l’importance de la précision de la paramétrisation du modèle direct est faible devant le choix de la paramétrisation de l’inversion. Nous montrons en outre qu’il n’est pas possible d’identifier le(s) paramètre(s) du modèle direct le(s) plus influent(s) car cela dépend des concentrations relatives de chacun des éléments optiquement actifs de l’eau. / Airborne hyperspectral imaging is a potential candidate for mapping and monitoring coral reefs at large scale and with high spatial resolution. In this thesis, we first present the processing steps to be applied to hyperspectral signals for extracting information about seabed types, bathymetry and water optical properties, and we discuss their efficiency with respect to two main confounding factors: (i) low signal to noise ratio of the measured signals, and (ii) large number and variability of physical interactions occurring between the entrance of sunlight into the atmosphere and its measurement by the hyperspectral sensor. Considering these limitations, we examine the performance of an already existing water column processing method: semi-analytical model inversion by optimization. We first evaluate the robustness of seabed type and bathymetry estimation for six different inversion setups. The results on hyperspectral images acquired over Réunion Island reefs in 2009 show that the choice of the inversion setup plays an important role on the quality of the estimations and that the most widely used inversion setup does not always produce the best results. We then evaluate the importance of the accuracy of the parameterization of the direct semi-analytical model. This is done through a sensitivity analysis performed on both simulated and real hyperspectral data acquired in Réunion Island in 2015. The analysis is performed for each inversion setup previously studied. This study shows that in coral reef context the accuracy of the parameterization of the direct model is less important than the choice of the inversion setup. We also demonstrate that it is not possible to identify the most influent parameters of the direct model because it depends on the relative concentration of each optically active constituent.

Le suivi des variables biophysiques à l’échelle globale sur de longues périodes de temps est essentiellepour répondre aux nouveaux enjeux que constituent le changement climatique et la sécurité alimentaire. L’indice foliaire (LAI) est une variable de structure définissant la surface d’interception du rayonnement incident et d’échanges gazeux avec l’atmosphère. Le LAI est donc une variable importante des modèles d’écosystèmes et a d’ailleurs été reconnue comme variable climatique essentielle (ECV). Cette thèse a pour objectif de fournir des estimations globales et continues de LAI à partir d’observations satellitaires en temps quasi-réel en réponse aux besoins des utilisateurs pour fournir des diagnostiques et pronostiques de l’état et du fonctionnement de la végétation. Quelques produits LAI sont déjà disponibles mais montrent des désaccords et des limitations en termes de cohérence et de continuité. Cette thèse a pour objectif de lever ces limitations. Dans un premier temps, on essaiera de mieux définir la nature des estimations de LAI à partir d’observations satellitaires. Puis, différentes méthodes de lissage te bouchage des séries temporelles ont été analysées pour réduire le bruit et les discontinuités principalement liées à la couverture nuageuse. Finalement quelques méthodes d’estimation temps quasi réel ont été évaluées en considérant le niveau de bruit et les données manquantes.Les résultats obtenus dans la première partie de cette thèse montrent que la LAI effectif et bien mieux estimé que la valeur réelle de LAI du fait de l’agrégation des feuilles observée au niveau du couvert. L’utilisation d’observations multidirectionnelles n’améliore que marginalement les performances d’estimation. L’étude montre également que les performances d’estimation optimales sont obtenues quand les solutions sont recherchées à l’intérieur d’une enveloppe définie par l’incertitude associée aux mesures radiométriques. Dans la deuxième partie consacrée à l’amélioration de la continuité et la cohérence des séries temporelles, les méthodes basées sur une fenêtre temporelle locale mais de largeur dépendant du nombre d’observations présentes, et utilisant la climatologie comme information a priori s’avèrent les plus intéressantes autorisant également l’estimation en temps quasi réel. / Monitoring biophysical variables at a global scale over long time periods is vital to address the climatechange and food security challenges. Leaf Area Index (LAI) is a structure variable giving a measure of the canopysurface for radiation interception and canopy-atmosphere interactions. LAI is an important variable in manyecosystem models and it has been recognized as an Essential Climate Variable. This thesis aims to provide globaland continuous estimates of LAI from satellite observations in near-real time according to user requirements to beused for diagnostic and prognostic evaluations of vegetation state and functioning. There are already someavailable LAI products which show however some important discrepancies in terms of magnitude and somelimitations in terms of continuity and consistency. This thesis addresses these important issues. First, the nature ofthe LAI estimated from these satellite observations was investigated to address the existing differences in thedefinition of products. Then, different temporal smoothing and gap filling methods were analyzed to reduce noiseand discontinuities in the time series mainly due to cloud cover. Finally, different methods for near real timeestimation of LAI were evaluated. Such comparison assessment as a function of the level of noise and gaps werelacking for LAI.Results achieved within the first part of the thesis show that the effective LAI is more accurately retrievedfrom satellite data than the actual LAI due to leaf clumping in the canopies. Further, the study has demonstratedthat multi-view observations provide only marginal improvements on LAI retrieval. The study also found that foroptimal retrievals the size of the uncertainty envelope over a set of possible solutions to be approximately equal tothat in the reflectance measurements. The results achieved in the second part of the thesis found the method withlocally adaptive temporal window, depending on amount of available observations and Climatology as backgroundestimation to be more robust to noise and missing data for smoothing, gap-filling and near real time estimationswith satellite time series.

La simulation de la combustion turbulente connait un nouvel essor avec l'introduction de la Simulation aux Grandes Échelles (SGE) qui permet de prédire l'évolution in stationnaire de l'écoulement réactif turbulent. Dans ce contexte la prise en compte du rayonnement soulève des questions d'ordre a la fois fondamental et pratique. En effet les processus physiques du rayonnement et de la combustion sont de nature radicalement différente : la combustion est contrôlée par des échanges locaux sur une durée finie, alors que le rayonnement est instantané et fait intervenir des échanges a distance. En premier lieu il convient de s'interroger sur l'impact de la modélisation SGE de la combustion turbulente sur le rayonnement. Cette question est traitée dans le cadre plus général de l'interaction rayonnement-turbulence. A partir d'études théoriques et numériques, il est montre que cette interaction est faible et qu'une solution SGE peut être directement utilisée pour un calcul radiatif, sans modélisation supplémentaire. Il s'agit ensuite de mettre en place de façon pratique le couplage in stationnaire rayonnement-combustion turbulente. Un point clé est la réduction du temps de calcul pour le rayonnement, et diverses stratégies sont proposées. En particulier un nouveau modèle spectral est introduit, utilisant une technique de tabulation et garantissant un niveau de précision suffisant. Le temps de calcul radiatif a ainsi été réduit de deux ordres de grandeur, permettant la réalisation d'un calcul couple sur une configuration de flamme pré-melangée turbulente. / Simulation of turbulent combustion has gained high potential with the Large Eddy Simulation (LES) approach, allowing to predict unsteady turbulent reactive flows. In this context, taking into account radiation rises new fundamental and practical questions. Indeed the physics involved in radiation and in combustion are completely different : combustion is controlled by local exchanges and finite times whereas radiation is instantaneous and is based on non-local exchanges. In a first step, the impact of LES modelling of turbulent combustion on radiation is regarded. This question is treated in the more general frame of the turbulence-radiation interaction. From theoretical and numerical studies, it is shown that this interaction is weak in the LES context so that LES solutions can be directly coupled to radiative calculations, without further modelling. Then the unsteady coupling of radiation and turbulent combustion is realised. A key point is the reduction of calculation time of radiation, and several strategies are proposed. In particular a new global spectral model is introduced, using a tabulation technique and ensuring a sufficient level of accuracy. The radiative time calculation is finally decreased by two orders of magnitude, enabling the realization of a coupled calculation of a turbulent premixed flame

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Depuis les années quarante, la consommation énergétique mondiale n'a cessé d'augmenter. Cette énergie étant majoritairement d'origine fossile, il en résulte une augmentation globale de température terrestre. De ce fait, il est devenu urgent de réduire les émissions de gaz à effet de serre pour stopper le changement climatique. Dans ce contexte, le développement de la production d'électricité à partir d'énergie solaire concentrée par voie thermodynamique est une solution prometteuse. Les efforts de recherche visent à rendre cette technologie plus efficace et plus compétitive économiquement. Dans ce but, ce manuscrit présente une méthode de conception optimale pour les centrales solaires à récepteur central. Elle tire parti des méthodes développées depuis de nombreuses années par le groupe de recherche StaRWest, regroupant notamment des chercheurs des laboratoires RAPSODEE (Albi), LAPLACE (Toulouse) et PROMES (Odeillo). Couplant des algorithmes de Monte Carlo à hautes performances et des algorithmes stochastiques d'optimisation, le code de calcul implémentant cette méthode permet la conception et l'optimisation d'installations solaires. Il est utilisé pour mettre en évidence les potentialités d'un type de centrales à récepteur central peu répandu : les centrales à réflecteur secondaire, également appelées centrales de type "beam down". / Since the early 40's, world energy consumption has grown steadly. While this energy mainly came from fossil fuel, its use has included an increase in temperatures. It has become urgent to reduce greenhouse gas emissions to halt climate change. In this context, the development of concentrated solar power (CSP) is a promising solution. The scientific community related to this topic has to focus on efficiency enhancement and economic competitiveness of CSP technologies. To this end, this thesis aims at providing an optimal design method applied to central receiver power plants. It takes advantage of methods developed over many years by the research group StaRWest. Both RAPSODEE (Albi), LAPLACE (Toulouse) and PROMES (Odeillo) researchers take an active part in this group. Coupling high performance Monte Carlo algorithms and stochastic optimization methods, the code we developed allows an optimal design of concentrated solar systems. This code is used to highlight the potential of an uncommon type of central receiver plants: reflective towers, also called "beam down" central receiver systems.

L’étude du transfert radiatif dans les gaz (atmosphères planétaires, chambres de combustion, etc.) se heurte à deux principales difficultés : les hétérogénéités et la dépendance spectrale des propriétés radiatives du milieu d’intérêt. Les travaux présentés dans ce manuscrit proposent, au travers d’une approche statistique du rayonnement, une solution à ces deux limites qui ne nécessite aucune approximation de modèle physique ou numérique. Cette approche conduira au développement d’algorithmes de Monte-Carlo considérés à l’heure actuelle comme méthodes de référence dans la communauté du transfert radiatif. La difficulté liée aux hétérogénéités du milieu participant sera traitée par une technique empruntée à d’autres disciplines de la physique du transport : les algorithmes à collisions nulles. Leur application au rayonnement consiste à ajouter arbitrairement aux évènements d’absorption et de diffusion, un troisième type de collision n’ayant aucun effet sur le transport de photons : les collisions nulles. Ainsi, le coefficient d’extinction résultant de ces trois types de collision pourra être assumé comme homogène. Ensuite, il sera montré comment cette même technique lève un second verrou permettant de repenser de façon statistique l’idée de coefficient d’absorption. Cela ouvrira la voie à des algorithmes de Monte-Carlo qui estiment directement une observable radiative à partir de paramètres de transitions répertoriés dans des bases de données spectroscopiques, sans avoir à précalculer rigoureusement le coefficient d’absorption. / Two major challenges are encountered when studying radiative transfer in gases (e.g. combustion chambers or planetary atmospheres): heterogeneity and spectral dependence of radiative properties. The work introduced in this manuscript, addresses this problem through a statistical approach of radiation that requires no model or numerical approximation. This approach leads to the development of Monte-Carlo methods, currently considered as reference solutions in the community of radiative transfer. The difficulty related to heterogeneity is handled by a technique borrowed from other fields of transport physics: null-collision algorithms. Their application to radiation consists in adding to the events of absorption and scattering a third arbitrary type of collision that has no effect on the photon transport. Thus, the extinction coefficient resulting from these three types of collisions can be assumed to be homogeneous. Then, it is shown how this very same technique opens the door to rethinking statistically the concept of absorption coefficient. This leads to Monte-Carlo algorithms that directly estimate radiative observables from transition parameters indexed in molecular spectroscopic databases, without the need of rigorously precomputing absorption coefficients.

L'étude de la propagation de la lumière à travers un milieu diffusant est un sujet de recherche d'une portée à la fois fondamentale et appliquée : - fondamentale pour l'étude des phénomènes de transport en général; - et appliquée par exemple pour évaluer les propriétés radiatives de revêtements (comme des peintures diffusantes), pour faire de l'imagerie à travers un milieu diffusant (tissus vivants) etc... De manière générale, la lumière est diffusée (scattered en anglais) lorsqu'elle se propage dans un milieu hétérogène. Du point de vue de la théorie électromagnétique, un milieu est dit hétérogène quand l'indice de réfraction varie spatialement. En principe, la solution exacte du problème s'obtient par la résolution numérique des équations de Maxwell, mais si le système hétérogène étudié dépasse en taille quelques longueurs d'onde, alors le nombre d'inconnues est beaucoup trop important pour que l'on puisse résoudre exactement le problème. Il est nécessaire de moyenner les propriétés de diffusion du système. Pour un milieu fortement diffusant, et de taille macroscopique, on peut décrire phénoménologiquement le transport de la lumière au moyen d'une équation de diffusion (diffusion en anglais) tout comme est décrit le transport de chaleur ou de masse. On peut aussi décrire le transport de la lumière au moyen d'une Equation de Transfert Radiatif (ETR) plus générale que l'équation de la diffusion. Cette équation, une fois résolue, donne des résultats qui sont en très bon accord avec l'expérience si les paramètres de cette équation sont correctement évalués.<br /><br />La majeure partie de cette thèse est consacrée à cet aspect : la détermination des paramètres de l'ETR pour un milieu contenant des particules de taille comparable à la longueur d'onde, aléatoirement disposées dans un milieu absorbant. Alors que les modèles pour l'obtention de ces paramètres décrits dans la littérature en présence d'absorption sont tous phénoménologiques, nous présentons une méthode basée sur une théorie de champ rigoureuse et qui permet de définir sans ambiguïté ces paramètres. Nous analysons par ailleurs le rôle des corrélations en milieu absorbant (diffusion dépendante).<br /><br />Nous nous intéressons aux milieux fortement chargés pour lesquels les corrélations sur les positions des diffuseurs jouent un rôle fondamental et rendent le calcul très complexe. Nous présentons les premiers pas d'une méthode numérique capable de prendre en compte toutes les corrélations entre les paires de particules, ce qui permet de calculer le coefficient d'extinction au delà de l'approximation de la diffusion indépendante.<br /><br />Enfin, nous cherchons à évaluer les propriétés radiatives d'un système couramment rencontré : celui d'une couche diffusante a la fois en surface et en volume. Nous étudions en particulier le rôle de la diffusion multiple entre l'interface rugueuse et le volume chargé.

Par leur effet radiatif, les poussières atmosphériques et les nuages de glace d'eau jouent un rôle essentiel dans le climat de la planète Mars. Un module améliorant le calcul de l'extinction par les aérosols est implémenté dans le Modèle de Climat Global (GCM) martien du LMD, et permet de prendre en compte au cours de la simulation les variations 3D des propriétés radiatives des particules en fonction de leur évolution en taille. Le modèle est d'abord utilisé pour revisiter l'impact radiatif de la poussière atmosphérique. De nouvelles propriétés des poussières sont utilisées et couplées à un schéma de transport guidé par les opacités observées. Pour la première fois, les températures simulées sont en accord avec les observations sans que l'on ait besoin d'ajuster artificiellement l'opacité des poussières. Ce cycle des poussières est ensuite couplé au cycle de l'eau, et l'effet radiatif des nuages est ajouté. Pour mieux contraindre ces travaux, l'évolution diurne des nuages est d'abord cartographiée grâce au spectromètre imageur OMEGA, puis la taille des cristaux et l'opacité des nuages sont mesurées. Le cycle de l'eau du GCM est ensuite ajusté à ces observations, et l'effet radiatif des nuages est analysé. Un assèchement global du cycle de l'eau est observé, tandis que les derniers biais de température significatifs disparaissent. Le grand rôle joué par les poussières lors des changements climatiques récents est enfin mis en évidence dans un scénario expliquant l'origine des glaciations des moyennes latitudes Nord. La répartition longitudinale des dépôts est expliquée, et la sensibilité de la glaciation aux paramètres orbitaux et à l'inertie thermique de la glace est étudiée.

Cette thèse étudie les propriétés de l'opérateur de propagation des ondes ultrasonores en milieu aléatoire. Le dispositif expérimental consiste en un réseau multi-éléments placé en vis-à-vis d'un milieu désordonné. L'opérateur de propagation est donné par la matrice des réponses inter-éléments mesurées entre chaque couple de transducteurs. En s'appuyant sur la théorie des matrices aléatoires, le comportement statistique de cet opérateur a été étudié en régime de diffusion simple et multiple. Une cohérence déterministe des signaux est ainsi mise en évidence en régime de diffusion simple, cohérence qui disparaît dès que la diffusion multiple prédomine. Cette différence de comportement a permis la mise au point d'un radar intelligent séparant les échos simplement et multiplement diffusés. On peut ainsi extraire l'écho direct d'une cible échogène enfouie dans un milieu hautement diffusant, bien que ce dernier soit source de diffusion multiple et d'aberration. Une deuxième approche consiste, au contraire, à extraire une contribution de diffusion multiple noyée dans une contribution de diffusion simple largement prédominante. L'étude de l'intensité multiplement diffusée permet de mesurer des paramètres de transport (p.ex. la constante de diffusion D) caractérisant la propagation de l'onde multiplement diffusée. Un passage en champ lointain (ondes planes) permet d'obtenir une mesure fiable de D en étudiant le cône de rétrodiffusion cohérente. Un passage en champ proche, via l'utilisation de faisceaux gaussiens, permet d'effectuer des mesures locales de D en étudiant la croissance du halo diffusif. Cette approche a été appliquée au cas de l'os trabéculaire humain autour de 3 MHz.