L'émission et la propagation de la lumière dans les paysages terrestres (i.e. le Transfert Radiatif (TR)) conditionne leur fonctionnement et leur observation par télédétection satellite (radiomètres, Lidar). Les signaux mesurés dépendent de multiples facteurs, à la fois et. La modélisation du TR est potentiellement l'outil idéal pour relier les mesures de télédétection à certaines caractéristiques biophysiques (occupation du sol, biomasse, etc.) des paysages observés, afin d'étudier les surfaces terrestres à partir de mesures satellites, mais aussi pour la préparation des futures missions spatiales dédiées à l'observation de la Terre. Cette thèse présente le modèle Discrete Anisotropic Radiative Transfer (DART) et les améliorations récentes apportées. Ce modèle simule la propagation du rayonnement dans le système "Terre - Atmosphère" à partir de la méthode de suivi de flux ou de la méthode de suivi de photons selon un nombre fini de directions discrètes dans un paysage 3D. Les améliorations que j'ai apportées au modèle DART sont de différents types : j'ai fortement amélioré la modélisation du TR dans l'atmosphère, j'ai introduit la modélisation Lidar à partir d'une modélisation Monte-Carlo pré-existante et j'ai introduit une approche pour modéliser les couverts végétaux avec différents degrés de réalisme. En plus de ces travaux théoriques, j'ai aussi fortement contribué à l'amélioration du code, avec en particulier le passage de code en C++. Finalement, DART est devenu un modèle plus performant et donc plus efficace pour l'étude des surfaces terrestres par télédétection.

Une peinture est un matériau complexe composé de plusieurs couches picturales. Ce travail de recherche poursuit un double but : comprendre et modéliser l'aspect visuel d'un tel milieu stratifié et développer des méthodes non destructives permettant d'identifier les différents constituants présents dans une œuvre d'art. L'équation de transfert radiatif, résolue par la méthode de la fonction auxiliaire, permet de modéliser l'aspect visuel des couches picturales stratifiées. Cette modélisation est validée par comparaison avec des spectres expérimentaux de réflexion diffuse. Expérimentalement, la reconnaissance des pigments et des colorants à partir d'un appareil déjà opérationnel au laboratoire a été étendue à celle des constituants d'un mélange de pigments. De plus, la tomographie optique cohérente (OCT), développée au cours de cette thèse, permet d'imager les pigments et d'obtenir une information spectrale permettant d'envisager une identification non destructive des composants de couches picturales stratifiées.

Dans les régions de haute biodiversité, caractérisées par des paysages dynamiques, la cartographie détaillée de l'utilisation des sols et du couvert végétal est communément obtenue par la classification d'images satellite. Cependant, les cadres conceptuels d'estimation d'erreurs sur les cartes sont éprouvés pour les zones tempérées et hautement industrialisées.<br />Une nouvelle méthode est proposée pour l'évaluation de la fiabilité des cartes et une autre méthode pour l'estimation des erreurs de classification par ambiguïtés entre classes sur images satellites. La première méthode comprend un nouveau mode d'échantillonnage et une estimation par ensembles flous des incertitudes positionnelles et thématiques. Elle a été testée sur l'Inventaire Forestier Mexicain de l'an 2000. La deuxième méthode s'appuie sur la simulation d'images satellites avec le modèle de transfert radiatif DART et a été testée sur des images IKONOS de six types de forêts au Mexique, sur terrain plat et en forte pente

Pour interpréter les observations astrophysiques, il est nécessaire de connaître les taux d'excitation collisionnelle des molécules par les espèces les plus abondantes (He, H2). Cette thèse présente des taux de collisions ro-vibrationnelle de SO ainsi que de CS pour des températures allant de 5 à 1500K. Des potentiels d'interaction à 2 et 3 dimensions pour les systèmes SOHe et CSHe ont été calculés par des méthodes ``Clusters Couplés". Une approche hybride combinant Close-Coupling et méthodes IOS a été utilisée pour l'excitation rotationnelle. Les nouveaux taux de collisions présentent des différences par rapport à ceux précédemment publiées. Les taux d'excitation ro-vibrationnelle de SO et CS ont aussi été calculés : ils sont très inférieurs à ceux rotationnelle. Enfin, ces nouveaux taux de collisions ont été introduits dans des codes de transfert radiatif : leur utilisation peut changer de façon significative l'interprétation de l'abondance interstellaire de SO et CS.

Thèse doctorat : Lasers, molécules et rayonnement atmosphérique : Lille 1 : 2003. / 2 articles en anglais reproduits en annnexe. N° d'ordre (Lille 1) : 3389. Bibliogr. p. 201-215.

Thèse doctorat : Lasers, molécules et rayonnement atmosphérique : Lille 1 : 2003. / N° d'ordre (Lille 1) : 3389. Les 2 articles en anglais en annnexe ont été retirés. Bibliogr. p. 201-215.

Le processus de formation d'étoiles se déroule selon plusieurs phases. Tout d'abord une phase à grande échelle, durant laquelle le nuage moléculaire se fragmente sous l'action de sa propre gravité et de la turbulence en coeurs denses gravitationnellement instables. Dans ces fragments le milieu est optiquement mince, l'énergie libérée par le travail de compression s'échappe sous forme de rayonnement, d'où un processus quasi isotherme. Lorsque le nuage devient optiquement épais à son propre rayonnement, la matière en effondrement forme un objet en équilibre hydrostatique appelé premier cœur dit de Larson. S'ensuit une phase d'accrétion, qui conduit ultimement à la dissociation du dihydrogène. Une partie du travail de compression est alors absorbée par l'énergie de dissociation de la molécule, et non plus convertie en énergie thermique, permettant à l'effondrement de recommencer. Lorsque que toutes les molécules de dihydrogene ont été dissociées, la phase adiabatique recommence et le second cœur de Larson (proto-étoile) est formé.L'ajout des éléments nécessaires au traitement de la magnétohydrodynamique (MHD) non-idéale dans le code à grille adaptative RAMSES constitue la première partie de la thèse. L'étude détaillée des stades ultimes (premier et second cœur de Larson) de la formation des étoiles constitue la seconde partie de la thèse. Cette étude a pu mettre en évidence des effets importants de la MHD non-idéale sur la répartition du champ magnétique et l'efficacité du transport de moment angulaire.

Plus d'un millier d'exoplanètes ont été découvertes depuis une dizaine d'années. Plus incroyable encore, nous pouvons maintenant caractériser les atmosphères de ces mondes lointains. Des spectres de Jupiter-chauds tels que HD 189733b et HD 209458b et de planètes similaires à Neptune telles que GJ1214b sont déjà disponibles et ceux de planètes plus petites le seront bientôt. La plupart des observations caractérisent l'état moyen de l'atmosphère. Pour les cas les plus favorables, l'observation des courbes de phase et la technique de cartographie par éclipse secondaire permettent d'obtenir une résolution en longitude et en latitude. Les planètes les plus proches de leurs étoiles sont aussi les plus faciles à observer. Ces mondes chauds sont radicalement différents des exemples que nous avons dans le système solaire. Modéliser correctement leurs atmosphères est un défi à relever pour comprendre les observations présentes et à venir. Durant cette thèse, j'ai développé des modèles de différente complexité pour comprendre les interactions entre la structure thermique, la composition, la circulation atmosphérique et l'évolution à long terme des exoplanètes irradiées. La forte luminosité de leur étoile hôte détermine le climat de ces planètes. Elle engendre une circulation atmosphérique qui maintient l'atmosphère dans un état de déséquilibre thermique et chimique, affectant son évolution. Avec les futurs instruments de nombreuses autres planètes vont être découvertes et caractérisées. Nos modèles seront testés sur une large diversité de planètes, ouvrant les portes de la climatologie aux exoplanètes.

L'essor des procédés de micro et nano-fabrications rend aujourd'hui accessible la synthèse contrôlée de nanoparticules métalliques (typiquement de 3 à 200nm) offrant de larges résonances d'absorption et de diffusion dont les fréquences peuvent être contrôlées finement en variant judicieusement leur géométrie et leur composition. Dans ce travail de thèse relevant de l'électrodynamique classique établit par Maxwell, nous étudions numériquement l'intérêt de ces particules pour la problématique du (dé)couplage de la lumière piégée dans un film mince diélectrique - une géométrie de référence permettant de rendre compte du phénomène de piégeage qui limite considérablement l'efficacité de dispositifs électroluminescents et de certaines cellules solaires. Pour ce faire, nous proposons quelques règles de conception de nanoparticules capables d'extraire efficacement la lumière piégée. Pour un émetteur seul, environ 20% de la lumière émise est rayonnée hors du guide (rad~0.2). L'ajout d'une monocouche (~50nm d'épaisseur) composée d'un ensemble de particules " optimisées " et aléatoirement positionnées autour de l'émetteur permet d'accroître cette efficacité jusqu'à 70% en moyenne statistique sur le désordre. D'intéressants effets de cohérences liés à la nature du désordre au sein de ladite couche sont également mis en évidence.

Le bilan d'énergie de surface du Plateau Antarctique est essentiellement contrôlé par les propriétés physiques des premiers centimètres du manteau neigeux. Or l'évolution de cette neige de surface est complexe car elle dépend de processus fondamentalement imbriqués: vitesse de métamorphisme, profils de température, pénétration du rayonnement solaire, précipitations, transport de neige par le vent, etc. L'objectif de ces travaux de thèse est d'étudier ces diverses composantes et leur couplage afin de simuler l'évolution de la densité de la neige et de la taille de grain (surface spécifique) sur le Plateau Antarctique. Pour représenter de manière physique l'absorption de l'énergie solaire à l'intérieur du manteau, un modèle de transfert radiatif à fine résolution spectrale (TARTES) a été implémenté dans le modèle de manteau neigeux détaillé Crocus. TARTES permet de calculer le profil vertical d'absorption d'énergie dans un manteau stratifié dont les caractéristiques sont connues. Parmi elles, la forme des grains, explicitement prise en compte dans TARTES, a été peu étudiée jusqu'à présent. C'est pourquoi une méthode de détermination expérimentale de la forme optique des grains est proposée et appliquée à un grand nombre d'échantillons de neige. Cette méthode, basée sur des mesures optiques, des simulations TARTES, et l'inférence bayésienne, a permis de déterminer la forme la plus adéquate pour simuler les propriétés optiques de la neige, et a mis en évidence le fait que représenter la neige par un ensemble de particules sphériques conduisait à surestimer la profondeur de pénétration du rayonnement d'environ 30%. L'impact de l'absorption en profondeur du rayonnement sur les profils de température dans le manteau et son métamorphisme est ensuite étudié par des approches analytique et numérique, mettant en valeur la sensibilité des profils aux propriétés de la neige proche de la surface. En particulier, la densité de la neige sur les premiers centimètres est cruciale pour le bilan d'énergie du manteau car elle impacte à la fois la profondeur de pénétration du rayonnement et la conductivité thermique du manteau. Puisque le modèle Crocus tient compte de ce couplage entre propriétés optiques et physiques du manteau, il est utilisé pour estimer l'influence des conditions météorologiques sur la variabilité temporelle des propriétés physiques de la neige de surface à Dôme C. Ces simulations sont évaluées au regard d'un jeu de données collectées lors de missions de terrain et de mesures automatiques de l'albédo spectral et de la pénétration du rayonnement dans la neige. Ces observations mettent en évidence le rôle primordial des précipitations dans les variations rapides de taille de grain en surface et l'existence d'un cycle saisonnier de cette taille de grain. Ces variations sont bien simulées par Crocus lorsque le forçage atmosphérique qui lui est imposé est adéquat. En particulier, l'impact du vent sur l'évolution du manteau est fondamental car il contrôle la densité de surface par le biais du transport de neige. Ce transport est aussi à l'origine de la variabilité spatiale des propriétés de la neige observée à Dôme C. C'est pourquoi une modélisation stochastique de l'érosion et du transport de neige dans Crocus est proposée. En plus d'expliquer la variabilité spatiale de la densité et de la taille de grain, elle permet de reproduire celle de l'accumulation annuelle ainsi que les variations rapides de hauteur de neige liées à des épisodes de vent. Ces travaux ont permis une meilleure représentation des processus physiques qui contrôlent les variations des propriétés de la neige de surface à Dôme C, tout en soulignant le rôle primordial du vent, dont l'impact sur le manteau est particulièrement complexe à simuler. / The surface energy balance of the Antarctic Plateau is mainly governed by the physical properties of the snowpack in the topmost centimeters, whose evolution is driven by intricated processes such as: snow metamorphism, temperature profiles variations, solar radiation penetration, precipitation, snow drift, etc. This thesis focuses on the interactions between all these components and aims at simulating the evolution of snow density and snow grain size (specific surface area) on the Antarctic Plateau. To physically model the absorption of solar radiation within the snowpack, a radiative transfer model with high spectral resolution (TARTES) is implemented in the detailed snowpack model Crocus. TARTES calculates the vertical profile of absorbed radiation in a layered snowpack whose characteristics are given. These characteristics include snow grain shape, a parameter that has been seldom studied. For this reason, an experimental method to estimate the optical grain shape is proposed and applied to a large number of snow samples. This method, which combines optical measurements, TARTES simulations and Bayesian inference, is used to estimate the optimal shape to be used in snow optical models. In addition, it highlights that representing snow as a collection of spherical particles results in overestimation of the penetration depth of solar radiation. The influence of the penetration of solar radiation on the snow temperature profiles is then investigated with analytical and numerical tools. The results point out the high sensitivity of the temperature profiles to surface snow physical properties. In particular, the density of the topmost centimeters of the snowpack is critical for the energy budget of the snowpack because it impacts both the effective thermal conductivity and the penetration depth of light. To simulate the evolution of snow physical properties at Dome C by taking into account their interdependence with snow optical properties, the model Crocus is used, driven by meteorological data. These simulations are evaluated against a set of data collected during field missions as well as automatic measurements of snow spectral albedo and penetration depth. These observations highlight the influence of weather conditions on the temporal variability of surface snow properties. They show the existence of a slow decrease of snow grain size at the surface during summer. Rapid changes are also observed, essentially due to precipitation. These variations are well simulated by Crocus when forced by an appropriate atmospheric forcing. In particular, the impact of wind on the evolution of the snowpack is crucial because it controls the surface density through snow transport. This transport is also responsible for the spatial variability of snow properties observed at Dome C. That is why a stochastic representation of snow erosion and transport in Crocus is proposed. It explains well the observations of the spatial variability of density and grain size, and reproduces the variability of the annual accumulation as well as rapid changes in snow height resulting from drift events. This study improves our understanding of the physical processes which drive the properties of snow close to the surface on the Antarctic Plateau, and also points out the critical role of wind, the impact of which is very difficult to account for in models yet.