A l'heure actuelle les énergies fossiles traditionnelles (pétrole, charbon...) commencent à s'épuiser, ce qui pousse l'humanité à chercher d'autres sources d'énergie pour subvenir à ses besoins. La nature recèle beaucoup de sources d'énergie inépuisables et non polluantes comme l'énergie solaire, la biomasse et l'énergie éolienne. La disponibilité de l'énergie solaire, sa gratuité et son renouvellement encouragent sa collecte et son exploitation. L'énergie solaire peut être collectée pour diverses utilisations comme la réalisation d'une réaction chimique endothermique ou la production de l'électricité. La production de l'électricité solaire est opérée soit par des procédés photovoltaïques, soit par des procédés thermodynamiques. Ceux ci ont un rendement déjà intéressants, mais sont actuellement limités par la température des cycles à vapeur. Pour améliorer l'efficacité énergétique de ces procédés, une des solutions est de chauffer un gaz à très hautes températures en entrée d'une turbine à gaz. Le travail présenté dans ce mémoire décrit un procédé de collecte d'énergie solaire concentrée basé sur un lit fluidisé à changement de section. La collecte de l'énergie solaire se fait directement au travers d'une fenêtre transparente en quartz. La conception de notre récepteur solaire est basée sur deux études. La première consiste à tester plusieurs colonnes transparentes à froid de géométries et de dimensions différentes pour optimiser la distribution des particules lors de la fluidisation. Elle nous a permis de choisir les dimensions et la géométrie du récepteur solaire. En parallèle, nous avons réalisé un premier récepteur avec éclairement artificiel par des lampes infrarouges, au laboratoire RAPSODEE de l'Ecole des Mines d'Albi. Il nous a permis de vérifier la faisabilité du procédé et d'avoir les premiers résultats de la fluidisation à chaud. Le récepteur solaire a été ensuite testé au four solaire de 4,6 m du PROMES-CNRS à Odeillo. Durant notre travail nous avons étudié expérimentalement et numériquement les transferts thermiques dans le lit fluidisé et l'influence des divers paramètres physiques sur l'efficacité du récepteur. Un modèle mathématique des transferts radiatifs basé sur la méthode de Monte Carlo en 1 D a été réalisé. Ce modèle permet de déterminer la distribution des densités de flux thermiques dans les différentes couches du lit fluidisé ainsi que les pertes radiatives. Nous concluons sur la pertinence de nos choix dans ce travail et sur les perspectives.

Les travaux réalisés durant la thèse s'inscrivent dans une problématique scientifique liée à l'étude des transferts radiatifs. Plus particulièrement, l'application de cette étude est la télédétection infrarouge d'un écoulement diphasique réactif et turbulent à haute température. Cette étude a pour objectif la modélisation et la simulation du rayonnement infrarouge émis par cet écoulement et re¸cu par un détecteur. Pour développer un outil de simulation numérique de la signature infrarouge d'un jet de gaz et de particules à haute température, les espèces majoritaires qui sont responsables de l'émission du rayonnement ont été identifiées lors d'expérimentations. Les campagnes expérimentales ont permis la construction de bases de données concernant les gaz (CO2-CO-H2O) et les particules (oxydes métalliques) présents dans le jet. Connaissant la nature des gaz et des particules, le calcul de leurs propriétés radiatives doit être réalisé. Cette étape est nécessaire puisque ces propriétés caractérisent l'émission de rayonnement par le jet et elles doivent être connues pour résoudre l'équation de transfert radiatif. Pour les gaz, un code de calcul raie par raie de spectres synthétiques a été développé. De plus, pour diminuer le temps de calcul d'une signature infrarouge, il est préférable d'utiliser des modèles spectraux de bandes étroites. Le modèle de télédétection infrarouge est un modèle spectral utilisant des k(coefficient d'absorption)-distributions sous l'hypothèse des k-corrélés avec l'approximation d'un gaz unique pour le mélange associée à l'hypothèse des gaz fictifs. Les paramètres de ce modèle (CKFG-SMG), ont été tabulés et validés dans l'étude. En ce qui concerne les propriétés radiatives des nuages de particules sphériques, le modèle de Mie est utilisé car il est valable pour les gammes de fractions volumiques rencontrées. Pour tester l'influence de la diffusion, une étude de sensibilité à la diffusion a été réalisée. En effet, nous avons quantifié l'erreur commise sur le flux émis par différentes couches si les processus de diffusion du rayonnement sont négligés. Cette étude a montré que l'influence de la diffusion peut être négligée dans le cadre de notre étude. La modélisation de la signature infrarouge du jet diphasique réactif issu de la combustion du matériau pyrotechnique, nécessite la connaissance des températures et des concentrations en gaz et particules, en tous les points du jet. Ce jet diphasique réactif a été simulé à l'aide du logiciel Fluent. De plus, une interface graphique a été développée qui recrée la scène optronique en se servant des profils aérothermochimiques du jet diphasique et des données concernant la position du détecteur. De cette fa¸con, un outil de simulation numérique de la signature infrarouge du jet (SIRJET) a été développé qui inclue un modèle de transfert radiatif (lancer de rayon) ainsi que les paramètres tabulés (gaz et particules) du modèle spectral de télédétection infrarouge (CK, CKFG, CK-SMG, CKFG-SMG). Enfin, une confrontation est présentée entre une mesure et le résultat d'une simulation de la signature infrarouge d'un jet diphasique à haute température.

Le sondeur hyperspectral infrarouge IASI, dont le premier modèle vole depuis 2006 sur le satellite défilant météorologique Metop-A, a déjà conduit a des retombées scientifiques très spectaculaires, en prévision météorologie et pour l’étude de la composition atmosphérique et du climat. Les mesures du sondeurs sont toutefois largement sous exploitées en grande partie du a la présence des nuages dans l’atmosphère. Ces derniers interagissent avec le rayonnement incident de façon hautement non-linéaire rendant le traitement de la mesure du sondeur bien plus complexe, voire parfois rédhibitoire pour accéder depuis l’espace aux propriétés des couches atmosphériques situées au-dessus du nuage, mais également en dessous dans le cas de semi-transparence. Cependant, au vue de la quantité d’informations potentielles qu’offre les sondeurs, la communauté scientifique s’intéresse de près a l’exploitation des radiances nuageuse, c’est dans ce cadre que s’inscrivent les travaux de recherche de cette thèse. Nous proposons d’étudier deux schémas nuageux radicalement différents : la clarification nuageuse et un schéma permettant de simuler la radiance nuageuse en utilisant les propriétés optique et microphysique des nuages. La première de ces méthodes, initiée par Smith et al. (1968), permet sous certaines conditions, de faire abstraction du nuage dans le pixel IASI. La méthode est basée sur l’algorithme du logiciel Scenes Heterogenes du CNES. Apres une première étape de validation, les performances de la méthode sont évaluées a travers la quantité d’information indépendante qu’offre la clarification par rapport a une chaine de traitement des radiances nuageuses mise en place au CMS. Les résultats sont favorables à la méthode testée permettant de traiter les couches atmosphériques situées sous le nuage, possédant donc une quantité plus importante. Cependant la clarification repose a la fois sur une hypothèse forte d’homogénéité atmosphérique et ne s’applique qu’à 15% des situations nuageuses. La seconde méthode est une simulation de la radiance nuageuse par des modèles de transfert radiatif rapides utilisant les propriétés optique et microphysique du nuage. Cette méthode présente l’avantage majeur d’utiliser les mêmes profils nuageux que ceux produits par les modèles de prévision numérique, laissant entrevoir l’assimilation de ces profils à partir de la mesure IASI. Cependant, l’utilisation de ces modèles de transfert radiatif rapide dans le cadre d’une assimilation de données n’en est encore qu’à ces prémices, très peu d’études ont été menées sur ce sujet. Nous proposons une étude en trois étapes permettant une utilisation en opérationnel de ces modèles de transfert radiatif. La première étape est une compréhension des modèles et de leur validité en réalisant quelques études de cas s’appuyant sur la campagne de mesures de Lindenberg. Ensuite, dans le cadre de la campagne ConcordIasi, une statistique est réalisée mettant en place des filtrage pour sélectionner uniquement les profils nuageux cohérent avec l’observation IASI. La dernière étape est une application en global, les statistiques révèlent une nette amélioration des écarts a l’ébauche grâce aux filtres, passant de 8K a 2K. Nous proposons tout au long de l’étude une discussion sur les modèles utilises (RTTOV et HISCRTM), leurs points forts et leurs défaillances. Enfin l’ultime étape, permet d’évaluer les performances des profils nuageux issus des modèles de prévision numérique. / The IASI hyperspectral infrared sounding interferometer, the first model of which has been flown on board the meteorological polar orbiting satellite MetOp-A since 2006, has already led to spectacular scientific breakthroughs in both weather forecasting and research into atmospheric composition and the climate. Measurements from the sounders are however largely underutilised, mainly because of the presence of clouds in the atmosphere. The highly non-linear way in which the clouds interact with incident radiation makes analysis of the readings much more complex, and can sometimes even prohibit access from space to the properties of not only the atmospheric layers located above the cloud, but also below them in the case of semi-transparency. However, in view of the potential amount of information offered by the sounders, the scientific community is very interested in exploiting cloud radiance. The research for this thesis stems from this interest. We plan to study two radically different cloud schemes: cloud clarification and a scheme which allows for simulation of cloud radiance by using the optical and microphysical properties of clouds. The first of these methods, initiated by Smith et al. (1968), allows us under certain conditions to disregard the cloud in the IASI pixel. This method is based on the CNES Heterogeneous Scenes software algorithm. After a first validation step, method performance is evaluated by the amount of independent information offered by the clarification, compared to a cloud radiance process chain established at CMS. The results are favorable to the tested method allowing us to deal with atmospheric layers under the cloud, which have therefore larger quantities. However clarification is based on a strong assumption of atmospheric homogeneity and only applies to 15% of cloud situations. The second method is a simulation of cloud radiance by fast radiative transfer models using the optical and microphysical properties of the cloud. The major advantage of this method is that it uses the same cloud profiles as those produced by numerical weather prediction models, allowing assimilation of these profiles from the IASI measurement. However, the use of these fast radiative transfer models in the context of data assimilation is still in the early stages, very few studies have been conducted on this topic. We are proposing a three-phase study which will allow for an operational use of these radiative transfer models. The first step is validation. This is done by conducting several case studies based on Lindenberg’s measurement campaign. Then, within the framework of the ConcordIasi campaign, a statistical analysis will be carried out by introducing filtering, to select cloud profiles which are consistent with the IASI observations. The last step is an overall application, the statistics showing a clear improvement in deviation from the draft thanks to the filters, going from 8K to 2K. Throughout the study we will discuss the models used (RTTOV and HISCRTM), their strengths and weaknesses. Finally the last step allows us to evaluate the performance of the cloud profiles obtained by the digital forecasting models

Le sondeur infrarouge hyperspectral IASI (Interféromètre Atmosphérique de Sondage Infrarouge), développé conjointement par le CNES et EUMETSAT à bord du satellite européen Metop, permet, entre autres, le sondage de la température, de l'humidité ainsi que la restitution de paramètres de surface. Bien que l'on tire le meilleur parti de ces données sur la mer, leur utilisation est encore limitée au-dessus des terres dans le contexte de la prévision numérique du temps, à cause de l'incertitude plus grande sur l'émissivité et la température de surface (Ts). Ces erreurs se répercutent sur la qualité des simulations de transfert radiatif et empêche l'utilisation de ces mesures dans les modèles de prévision numérique du temps. Seuls les canaux non sensibles à la surface terrestre sont assimilés de façon opérationnelle, limitant ainsi le potentiel de sondage aux couches atmosphériques les plus élevées. Cette thèse a pour but l'amélioration de la description des paramètres de surface dans le modèle global ARPEGE de Météo-France en vue de l'assimilation des données du sondeur IASI sur les continents. Nous avons d'abord cherché à améliorer la modélisation de la surface (émissivité et Ts) sur les continents dans le modèle ARPEGE. Pour cela, différents atlas d'émissivité ont été intégrés dans ce modèle : l'un a été calculé à partir des données MODIS (Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer) par l'Université du Wisconsin et le second a été construit à partir des produits IASI de niveau 2 (L2) développés par EUMETSAT. La Ts a ensuite été restituée à partir de canaux de surface IASI en profitant d'une meilleure connaissance de l'émissivité de surface donnée par ces atlas. Ces Ts ont été évaluées par comparaison avec les produits MODIS de la NASA et les produits IASI L2 d'EUMETSAT. Ces comparaisons nous ont permis de sélectionner une combinaison de canaux qui fournit les meilleures estimations de Ts. L'utilisation d'une modélisation de surface réaliste a contribué à l'amélioration de la qualité des simulations de transfert radiatif pour les canaux sensibles à la surface. Les radiances IASI sensibles à la surface ont alors pu être assimilées sur les continents dans le modèle ARPEGE en ciel clair et en utilisant la paramétrisation de surface définie précédemment. Les impacts sur la qualité des analyses et des prévisions ont été étudiés. La prise en compte d'une émissivité et d'une Ts précises a permis d'augmenter significativement le nombre d'observations assimilées. Les principales améliorations concernent les prévisions de géopotentiel et de température pour des pressions inférieures à 400~hPa (en dehors des tropiques). Enfin, dans un cadre plus spécifique et climatologique, nous nous sommes intéressés à la validation de l'utilisation des données IASI en Antarctique durant la campagne Concordiasi. Cette étude a permis d'améliorer les profils inversés de température et de vapeur d'eau par comparaison avec les profils provenant du modèle. L'amélioration est particulièrement importante pour la température de surface. Dans ce cadre, les Ts restituées dans cette thèse ont été comparées à Concordia et au Pôle Sud avec des mesures in-situ et se sont révélées particulièrement précises à Concordia. / The Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI), on-board the EUMETSAT Polar System Metop satellite, is developed by CNES in the framework of a co-operation agreement with EUMETSAT. IASI enables, amongst other, infrared soundings of temperature, moisture and retrievals of surface parameters. However in the numerical weather prediction context, these observations are not as intensively used over land as they are over sea because of larger uncertainties about land emissivity and land surface temperature (LST). These uncertainties have an impact on the quality of radiative transfer simulation and hinder the use of these measurements in numerical weather prediction models. Only channels that are not sensitive to the surface are currently assimilated in operations, which limits the potential of sounding instruments to the highest atmospheric layers. This PhD aims to improve the description of land surface parameters in the ARPEGE global model of Météo-France to assimilate IASI data over land. First of all, we tried to improve the surface modelling (surface emissivity and LST) over land in the ARPEGE model. To this end, two emissivity atlases were integrated in this model. The first one is the emissivity climatology computed from the IASI Level-2 products from EUMETSAT and the second one is the global high spectral resolution infrared land surface emissivity database (called UWIREMIS) developed by the Space Science and Engineering Center at University of Wisconsin. Hence, the LST was retrieved from IASI surface channels using these atlases as input parameters in the radiative transfer model. These LSTs were compared to land LST products: the MODIS (Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer) products from the NASA and the IASI Level-2 products from EUMETSAT. These comparisons enabled us to choose the IASI channel combination that provided the best LST estimates. The use of a realistic surface modelling contributed to improve the quality of radiative transfer simulations for surface sensitive channels. Then, surface sensitive IASI radiances were assimilated over land in ARPEGE in clear sky conditions using the surface parameters as previously defined. The impact on analysis and forecast quality was studied. The use of good estimates of surface emissivity and LST significantly increased the number of assimilated observations. The main improvements are for geopotential and temperature forecasts for pressure levels lower than 400~hPa (except in the tropics and in the stratosphere). Finally, from a climatological point of view and within the more specific framework of the Concordiasi campaign, we assessed and validated the use of IASI data in Antarctica. The temperature and humidity retrieved in this particular study proved of better quality than the model profiles, as assessed against the sonde measurements. The improvement is particularly striking for surface temperature. In this framework, the LST retrieved in this PhD were compared with in situ measurements at Concordia and at South Pole station. These estimates are of a great accuracy at Concordia.

L’océan Arctique est marqué par une forte saisonnalité qui se manifeste par la présence d’une banquise permanente dont l’extension varie entre 6 et 15 millions de kilomètres carré. Interface plus ou moins perméable, la banquise limite les échanges atmosphère - océan et affecte le budget énergétique global en réfléchissant une part importante du rayonnement incident. Le manteau neigeux qui se forme à sa surface est un élément essentiel notamment parce qu’il contribue fortement aux propriétés optiques de la banquise. D’une part par son albédo, proche de l’unité dans le visible, qui retarde sensiblement la fonte estivale de la glace. Et d’autre part, il est majoritairement responsable de l’extinction verticale de l’éclairement dans la banquise. Or, la faible intensité lumineuse transmise à la colonne d’eau constitue un facteur limitant important à l’accumulation de biomasse des producteurs primaires souvent des micro-algues, à la base des réseaux trophiques. Le manteau neigeux en surface, par ces propriétés physiques et leurs évolutions temporelles, joue donc un rôle essentiel en impactant directement l’initiation et l’amplitude de la floraison phytoplanctonique printanière. Dans le cadre du réchauffement climatique actuel, les mutations que subit la banquise : amincissement, réduction de son extension estivale et variations des épaisseurs du manteau neigeux bouleversent d’ores et déjà la production primaire arctique à l’échelle globale et régionale.Cette thèse vise à mieux comprendre la contribution du manteau neigeux au transfert radiatif global de la banquise, afin de mieux estimer son impact sur la production primaire arctique. Elle s’appuie sur un jeu de données collecté lors de deux campagnes de mesures sur la banquise en période de fonte. Les propriétés physiques de la neige, SSA et densité, permettent une modélisation précise du transfert radiatif de la neige qui est validée, ensuite, par les propriétés optiques comprenant : albédo, profils verticaux d’éclairement dans le manteau neigeux et transmittance à travers la banquise.Au printemps, la neige marine, marquée par une importante hétérogénéité spatiale, évolue suivant quatre phases distinctes. La fonte, d’abord surfacique puis étendue à toute l’épaisseur du manteau, se caractérise par une baisse de la SSA de 25-60 m2kg-1 à moins de 3 m2kg-1 provoquant une diminution de l’albédo dans le proche infrarouge puis à toute longueur d’onde ainsi qu'une augmentation de l’éclairement transmis à la colonne d’eau. Cette période est chaotique, et marquée par une forte variabilité temporelle des propriétés optiques causées par la succession d’épisodes de fonte et de chutes de neige. Les propriétés physiques de la neige sont utilisées par un modèle de transfert radiatif afin de simuler les profils verticaux d'éclairement, l’albédo et la transmittance de la banquise. La comparaison entre ces simulations et les profils d’éclairement mesurés met en évidence la présence d’impuretés dans la neige dont leurs natures et leurs concentrations sont estimées. En moyenne, la neige échantillonnée contenait 600 ngg-1 de poussières minérales et 10 nng-1 de suies qui réduisaient par deux l’éclairement transmis à la colonne d’eau. Enfin, la modélisation de l’éclairement à toute profondeur de la banquise, représentée de manière innovante par des isolumes, est mise en relation avec l’évolution temporelle de la biomasse dans la glace. Il apparaît que la croissance des algues de glace est systématiquement corrélée avec une augmentation de l’éclairement, et ce, jusqu’à des niveaux d’intensité de l’ordre de 0.4 uEm-2s-2. Ces variations d’éclairement sont causées par le métamorphisme et la fonte de la neige en surface. / The Arctic ocean shows a very strong seasonality trough the permanent presence of sea ice whose extent varies from 6 to 15 millions km2. As an interface, sea ice limits ocean - atmosphere interactions and impacts the global energy budget by reflecting most of the short-wave incoming radiations. The snow cover, at the surface, is a key element contributing to the optical properties of sea ice. Snow enhances further the surface albedo and thus delays the onset of the ice melt. In addition, snow is the main responsible for the vertical light extinction in sea ice. However, after the polar night, this low light transmitted to the water column is a limiting factor for primary production at the base of the oceanic food web. The snow cover, through the temporal evolution of its physical properties, plays a key role controlling the magnitude and the timing of the phytoplanktonic bloom. In the actual global warming context, sea ice undergoes radical changes including summer extent reduction, thinning and shifts in snow thickness, all of which already alter Arctic primary production on a regional and global scale.This PhD thesis aims to better constrain the snow cover contributions to the radiative transfer of sea ice and its impact on Arctic primary production. It is based on a dataset collected during two sampling campaigns on landfast sea ice. Physical properties of snow such as snow specific surface area (SSA) and density allow a precise modeling of the radiative transfer which is then validated by optical measurements including albedo, transmittance through sea ice and vertical profiles of irradiance in the snow.During the melt season, marine snow which shows strong spatial heterogeneity evolves fol- lowing four distinctive phases. The melting, which first appears at the surface and gradually propagates to the entire snowpack, is characterized by a decrease in SSA from 25-60 m2kg-1 to less than 3 m2kg-1 resulting in a decrease in albedo and an increase in sea ice transmittance. This is a chaotic period, where optical properties show a very strong temporal variability induced by alternative episodes of surface melting and snowfalls. The physical properties of snow are used in a radiative transfer model in order to calculate albedo, transmittance through sea ice and vertical profiles of irradiance at all depths. The comparison between these simulations and measured vertical profiles of irradiance in snow highlights the presence of snow absorbing impurities which were subsequently qualitatively and quantitatively studied. In average, impurities were composed of 660 ngg-1 of mineral dust and 10 ngg-1 of black carbon. They were responsible for a two-fold reduction in light transmitted through sea ice. The light extinction, calculated at all depths in sea ice, and represented by isolums, was compared to the temporal evolution of ice algae biomass. The results show that every significant growth in ice algae population is related to an increase of light in the ice. These growths were observed even at very low light intensities of 0.4 uEm-2s-2. Light variations in the ice were linked by snow metamorphism and snow melting at the surface.

L'objet de cette thèse est l'étude des répartitions spatiales des abondances chimiques de la troposphère de Jupiter. Le cas du NH3 est particulièrement étudié. Deux types de données ont été utilisées : des observations au sol via l'instrument TEXES monté sur le télescope IRTF, et des observations spatiales via l'instrument JIRAM embarqué sur la sonde JUNO. Les données sont analysées par un code parallélisé développé au cours de la thèse, combinant un transfert radiatif raie-par-raie et une méthode d'inversion non-linéaire optimale. Les données TEXES ont permis d'établir une carte du NH3 troposphérique (entre 1 et 4 bar) à une précision de l'ordre de 20% sur environ trois quarts de la surface de Jupiter à une résolution spatiale d'environ 1200 km (1,4"). Cette carte met en évidence d'importantes variations latitudinales de l'abondance de NH3 troposphérique, qui peut varier de 60 ppmv dans la NEB à proximité des "hotspots", à plus de 500 ppmv dans les zones. Les résultats dans les zones souffrent toutefois d'un faible rapport signal-sur-bruit, ce qui augmente leur incertitude. La carte met également en évidence des variations longitudinale, en particulier dans la SEB. Ces résultats sont en bon accord avec ceux de JIRAM et de MWR (un autre instrument de JUNO), avec toutefois pour ce dernier une différence importante au niveau la NEZ. / The goal of this thesis is the study of the Jupiter's troposphic chemical species spatial repartition, with an emphasis on NH3. Two types of data were used: ground-based observations with the TEXES instrument mounted on the IRTF, and space-based observations with the JIRAM instrument mounted on the JUNO spacecraft. The data were analysed by a parallelised code developped during this thesis, combining a line-by-line radiative transfer and an optimal non-linear retrieval method.The TEXES data were used to draw a map of the tropospheric NH3 (between 1 and 4 bar) with an uncertainty of 20% on three quarters of Jupiter's surface with a spatial reslution of approximately 1200 km (1.4"). This map highlight important latitudinal variations of the tropospheric NH3, which can vary from 60 ppmv near the hotspots of the NEB, to more than 500 ppmv into the zones. However, the results in the zone have a low signal-to-noise ratio, increasing their uncertainties. The map also highlight longitudinal variations, particularly in the SEB. These results are in good agreement with those of JIRAM and MWR (another instrument of JUNO), albeit an important discrepancy with MWR's results in the NEZ.

L'altimétrie spatiale contribue majoritairement à la compréhension de la circulation océanique régionale et globale. Elle permet aujourd'hui de fournir une cartographie de la topographie océanique à des échelles spatiales et temporelles de plus en plus fines. Le passage du signal radar à travers la vapeur d'eau de l'atmosphère implique un retard de l'onde, qui nécessite d'être corrigé : c'est la correction troposphérique humide. Des méthodes statistiques sont actuellement utilisées pour estimer la correction troposphérique humide. Elles permettent d'inverser des mesures de températures de brillance fournies par un radiomètre couplé à l'altimètre sur une mission altimétrique, à deux ou trois fréquences proches de la bande d'absorption de la vapeur d'eau, à 22.235 GHz. Bien que ces algorithmes permettent d'estimer cette correction avec de faibles incertitudes en plein océan, des améliorations sont nécessaires pour réduire les erreurs dans les zones océaniques complexes, comme les régions d'upwelling, et sur les surfaces hétérogènes, comme en régions côtières, sur glace de mer, ou sur les eaux continentales. A ces fins, une approche variationnelle uni-dimensionnelle (1D-Var) est développée dans cette thèse. Elle permet de tenir compte de la physique de l'atmosphère et des variations de la surface dans l'environnement des mesures, pour estimer la correction troposphérique de manière globale, sur différents types de surface, dans le contexte des missions altimétriques actuelles, et futures, dont les technologies instrumentales évoluent. Une analyse fine des caractéristiques de l'approche 1D-Var, et de ses performances, permet de montrer l'apport et l'impact des différents paramètres en jeu sur les variables atmosphériques restituées, et la correction troposphérique humide estimée. Les performances du 1D-Var ainsi que ses limites sont évaluées pour l'estimation la correction troposphérique humide en plein océan, en conditions de ciel clair. L'apport des mesures de températures de brillance aux hautes fréquences, typiques des missions altimétriques futures, est également analysé. Leur potentiel est exploité dans le cadre de l'estimation de la correction troposphérique humide dans les régions côtières, où les mesures de températures de brillance sont contaminées par la présence de terre dans le signal. Enfin, une analyse des estimations des émissivités de surface, et de leurs variations sur la glace de mer, est proposée dans le cadre d'une étude préliminaire à l'estimation de la correction troposphérique humide, aux interfaces complexes mer/glace de mer, dans les régions polaires. / Space altimetry is one of the major contributors to the understanding of regional and global oceanic circulation. It currently enables to provide a map of ocean topography at higher temporal and spacial scales. A propagation delay of the altimeter signal along its path through atmospheric water vapor needs to be accounted for, and corresponds to the wet tropospheric correction. Statistical methods are currently used to estimate wet tropospheric correction. These methods are fed by brightness temperature measurements provided by a radiometer coupled to the altimeter, at two or three frequencies close to the water vapor absorption line, at 22.235 GHz. While these algorithms provide wet tropospheric correction with low uncertainties over open ocean, improvements are still needed to reduce higher uncertainties in complex oceanic areas, such as upwelling regions, and over heterogeneous surfaces, as coastal regions, sea ice or inland waters. To this end, a one-dimensional variational approach (1D-Var) is developed in the frame of this thesis. This approach accounts for atmospheric and surface variability in the surroundings of the measurements, to provide wet tropospheric correction estimates at a global scale, over various surfaces, in the context of both current and future altimetry missions, with improved instrumental technologies. We first analyze the characteristics of the 1D-Var approach and evaluate its performances. The contribution and impact of the different input parameters on retrieved atmospheric variables and wet tropospheric correction are shown through this analysis. The potential and limits of the 1D-Var approach to retrieve wet tropospheric correction over open ocean, for clear sky conditions, are evaluated. The contribution of high frequencies, typical to future altimetry missions, is also analyzed. It is fully exploited to retrieve wet tropospheric correction over coastal areas, where land contamination occurs within brightness temperature measurements. A preliminary analysis of surface emissivity estimates and their variability over sea ice is also undertaken, in the frame of the 1D-Var estimation of wet tropospheric correction over sea ice/open sea transition surfaces, in polar areas.

Les Noyaux actifs de galaxie (AGN) incluent les sources quasi stables les plus énergétiques connues dans l'univers jusqu'à aujourd’hui. Du fait de leur distance, de leur haute luminosité et de leur petite taille, leurs régions intérieures ne sont pas directement résolvables avec les télescopes actuels. C’est pour ces raisons que nous avons besoin de techniques d’observation indirectes et de modèles théoriques pour discerner leur structure. Dans cette optique, le rôle de la polarimétrie est crucial. Elle a été ces dernières années la méthode clé qui a permis de développer le modèle unifié des AGN et pourrait, à l’avenir, nous offrir des nouveaux éléments pour sonder les régions des AGN irrésolues. Dans cette thèse, j’ai conduit des simulations sur les transferts radiatifs relatifs aux rayonnements continus émis des différentes régions intérieures des AGN en utilisant la nouvelle technique de cartographie de réverbération polarimétrique. Ce travail a été inspiré par les recherches de Gaskell et al. (2012). Le but de cette recherche est de fournir des modèles théoriques sur les différents composants des AGN en considérant le rayonnement polarisé en fonction du temps. La polarisation induite par la diffusion a été modélisée et différentes géométries de poussières circumnucléaires ont été testées. Les résultats incluent les effets de l’agrégation des poussières et différentes compositions de poussière. Pour étendre le modèle, les effets complémentaires des vents ionisés s’étirant en direction des pôles ont également été étudiés ainsi que ceux de l’anneau de diffusion équatorial théorique, avec pour postulat qu'il explique l’angle de polarisation observé dans les pôles des AGN. Les simulations ont été exécutées en utilisant une version du code STOKES incluant la dépendance temporelle. Il sera possible d'étendre ce travail à l'avenir. Les prochaines étapes suggérées incluront des raies d'émission aux modélisations ainsi que plus de complexité concernant la géométrie et la distribution de la poussière et/ou des électrons dans les régions de diffusion. Ce travail sera important pour profiter de futures données observationnelles systématiques avec un bon échantillonnage temporel. / Active galactic nuclei (AGN) include the most powerful quasi-steady sources of energy known to date in the universe. Due to their distance, high brightness and small size, their inner regions are not directly resolvable with current telescopes. This is the reason why indirect techniques and theoretical models are needed to discern their structure. In this scenario the role of polarimetry is crucial. In the past it was the key method that led to the development of the Unified Model of AGN and in the future, it may give us new clues to probe unresolved AGN regions. In this thesis, I conducted radiative transfer simulations for continuous radiation of different inner regions of the AGN using the new technique of polarimetric reverberation mapping. This work has been inspired by the work of Gaskell et al. (2012). The goal of this research is to provide theoretical models of the different components of the AGN considering time-dependent polarized radiation. Scattering induced polarization has been modeled and different circumnuclear dust geometries have been explored. The results include the effects of clumpiness and different dust compositions. To further extend the model, the effects of additional extended ionized winds along the polar direction have also been explored as well as the putative equatorial scattering ring postulated to explain the polarization angle observed in pole-on AGN. The simulations were run using a time-dependent version of the STOKES code. It will be possible to extend this work in the future. Suggested future steps are including emission lines in the models, as well as more complexity in the geometry and distribution of dust and/or electrons in the scattering regions. This work will be important for taking advantage of systematic future observational data with good temporal sampling.

Les travaux dont les résultats font l'objet de ce mémoire de doctorat s'inscrivent dans le cadre de l'étude expérimentale et théorique des processus d'absorption/émission de rayonnement infrarouge par des milieux moléculaires gazeux. Il a été motivé par des besoins de modélisation de la signature infrarouge d'aéronefs et de télédétection. Le problème posé est celui de l'élaboration, puis de la validation, d'une approche théorique et numérique permettant de prédire les spectres infrarouges des milieux gazeux rencontrés dans les applications de télédétection. Ces derniers ont la caractéristique de mettre en jeu des trajets optiques comprenant un long parcours froid (l'atmosphère) juxtaposé à une partie plus courte et chaude (gaz de combustion). En raison de la forte variabilité des conditions thermophysiques le long des rayons, du nombre considérable de ces rayons à prendre en compte pour l'intégration sur l'angle solide de visée, et de l'étendue du domaine spectral d'intérêt, le volume de calculs associés à la prédiction de la signature infrarouge est considérable. L'approche théorique se doit donc d'être très efficace et rapide tout en restant la plus précise possible. Ce problème a été abordé ici sur le plan théorique et expérimental. L'approche prédictive développée repose sur un modèle "raie par raie" dans lequel le spectre résulte de l'addition des contributions individuelles des transitions infrarouges des espèces moléculaires présentes. Cette approche est dans l'ensemble très précise mais aussi très coûteuse en temps de calcul en raison du nombre de raies à prendre en compte et de la forte dynamique spectrale aux pressions modérées des milieux considérés. Une fois posées les bases du modèle, un effort important a été consacré à l'optimisation des calculs qui a été faite à plusieurs niveaux en autorisant des erreurs contrôlées sur le résultat final. Nous avons ainsi développé : - une technique (la plus) rapide d'évaluation du profil (Voigt) des raies ; - un système de grilles spectrales de pas différents minimisant le nombre de points de calcul ; - une méthode efficace d'élimination des raies de contribution négligeable ; - une technique de coupure des ailes de raies associée à l'utilisation de continua. Ces concepts ont servi de base pour la construction d'un code informatique profitant des fonctionnalités (notamment la gestion dynamique de la mémoire) du langage Fortran 90. Ce code a été implanté à la SNECMA et à l'ONERA, avec une version parallélisée sous MPI. Ce travail a été un succès puisque l'outil développé a réduit le temps de calcul d'un facteur trente par rapport au code raie par raie déjà optimisé dont disposait la SNECMA. Ceci a permis de mener, pour la première fois, un calcul complet de signature infrarouge avec une approche raie par raie. En parallèle, des études expérimentales ont été menées afin de tester la qualité des prédictions obtenues avec le code développé. Deux dispositifs différents et complémentaires ont été utilisés afin de reproduire, en laboratoire, des milieux "représentatifs" de ceux mis en jeu par les applications de signature. Le premier, que nous avons conçu, construit, et exploité a été développé autour d'un spectromètre à réseau et d'une cuve multi-passages pré-existante de 50 m de base au GSMA (Groupe de Spectrométrie Moléculaire et Atmosphérique, Reims). Ce travail a permis (pour la première fois) la mesure de spectres de transmission dans le domaine 2-14 μm, à température ambiante mais pression variable, pour des trajets optiques supérieurs au kilomètre, schématisant ainsi les longs parcours atmosphériques rencontrés dans les applications pratiques considérées. Les résultats obtenus ont permis de valider les calculs, à quelques exceptions mineures et locales près. Le second dispositif a été développé, à notre suggestion, par une équipe du LPALMS (Laboratoire de Physique des Atomes, Lasers, Molécules et Surfaces, Rennes). Le montage repose sur la juxtaposition d'une courte cuve chaude et d'une longue cuve froide, schématisant ainsi l'aspect gaz chauds + gaz froids des milieux mis en jeu par les applications pratiques. Des spectres du CO2 ont été enregistrés à haute résolution spectrale, à l'aide d'un spectromètre à transformée de Fourier, dans les régions de 10 et 4 μm pour des températures allant jusqu'à 1000 K. Ces données ont confirmé la qualité des calculs prédictifs sous réserve que des bases de données spectroscopiques "chaudes" soient utilisées.

Ce travail a été réalisé dans le but de sonder des surfaces solides en utilisant la technique « LIPS » (Spectroscopie de plasmas induits par laser). Le comportement de ce type de plasmas est difficile à simuler étant donné la petitesse des échelles de temps et d'espace considérées. En plus du diagnostic classique de spectroscopie d'émission, nous avons mis en oeuvre une expérience originale d'absorption qui produit des valeurs fiables et de nombreuses informations sur la température et les densités constitutives du plasma. Cette étude, qui couple expérience et théorie dans le cadre de la résolution de l'équation de transfert radiatif, est basée sur la comparaison entre des spectres calculés et expérimentaux des raies à 308.21 et 396.15 nm de l'aluminium. Une attention spéciale a été portée à l'écriture de l'élargissement électronique et ionique par effet Stark et aux effets d'auto-absorption. Un écart important à l'équilibre a été mis en évidence tout au long de la relaxation du plasma. La mesure de la densité de l'état fondamental de l'aluminium, qui est de première importance pour valider un code collisionnel - radiatif consacré à cette situation complexe, a été menée à bien dans une large gamme de pression (5 à 1E5 Pa). La mesure des constantes de temps de relaxation met en évidence le rôle majeur joué par la diffusion dans la relaxation des espèces du plasma.