Les glacis sont des couches picturales translucides volontairement colorées utilisées dès le XVe siècle par les Primitifs Flamands. Constituée de pigments dispersés dans un liant à base d'huile de lin cuite, une couche de glacis donne à un tableau un caractère saisissant car la couleur se construit à l'intérieur du volume constitué par la couche. Pour comprendre cet effet visuel particulier et le décrire quantitativement, nous étudions la répartition angulaire et spectrale de la lumière diffusée par des glacis : expérimentalement, par des mesures goniospectrophotométriques en rétrodiffusion et bidirectionnelles sur des échantillons réalisés par un peintre contemporain ; en proposant une modélisation de la diffusion multiple incohérente de la lumière au sein de la matière ; ceci amène à résoudre l'équation de transfert radiatif (ETR) et à déterminer les propriétés physiques du glacis. Une nouvelle méthode de résolution de l'ETR, la méthode de la fonction auxiliaire, permet d'exprimer les flux lumineux diffusés en fonction des angles d'incidence et d'observation. Contrairement à la première et seule modélisation appliquée aux œuvres d'art existant et datant de 1931, nous obtenons une modélisation bidirectionnelle validée par comparaison avec les résultats expérimentaux. Dans le cas particulier des vernis, couches non diffusantes, une expression analytique du facteur de réflectance est obtenue. Les flux lumineux mesurés et simulés permettent de chiffrer l'apparence visuelle des glacis. Il est alors possible de quantifier la modulation de leur couleur en fonction du nombre de couches superposées ou bien le brillant favorisé par la surface externe lisse des fines couches de glacis. Des applications sont alors envisageables pour la conservation et la restauration des œuvres d'art comme, par exemple, la prédiction de l'aspect visuel d'une restauration.

Cette thèse est vouée principalement à l'étude des enveloppes circumstellaires des étoiles de la fin de la branche asymptotique des géantes rouges (AGB), ou dans la courte phase de transition des nébuleuses planétaires. L'attention a été portée sur les sources ayant une photosphère riche en carbone qui étaient jusqu'à présent moins étudiées que celles riches en oxygène. La thèse comporte trois aspects, des observations millimétriques des transitions rotationelles de CO et HCN, des modélisations de l'émission infrarouge des poussières, et des études systématiques des données du satellite IRAS. Le dernier point est le support observationel fondamental de ce mémoire sans lequel ce travail ne pourrait exister. Il est omni-présent dans la plupart des chapitres . La première partie de la thèse regroupe les observations millimétriques. Alors que la plupart des étoiles AGB riches en carbone sont facilement identifiables grâce à l'émission de SiC, celles qui sont proches de la fin de l'AGB, ou qui sont des PPN, n'ont souvent plus cette caractéristique. Le chapitre 1 présente une analyse d'un échantillon de ~ 230 de telles sources, propose des critères permettant de déterminer la richesse en carbone basés à la fois sur les données IRAS et des observations de CO et HCN, et déduit les proportions d'étoiles oxygénées et d'étoiles carbonées. Le chapitre 2 est une recherche de l'émission de CO dans des sources de l'hémisphère sud pouvant être des PPN; neuf d'entre elles ont pu être détectées, dont l'une présente des propriétés tout à fait remarquables et inhabituelles. Le chapitre 3 ne présente pas nos observations en particulier, mais est une compilation de toutes les enveloppes circumstellaires ayant une (ou plusieurs) détections de CO ou/et HCN publiées dans la littérature depuis 1985. Ceci constitue le premier catalogue des observations millimétriques des étoiles AGB, PPN, et PN ; il recense ~ 400 sources et ~ 1200 observations venant de plus de soixante dix références. Le chapitre 4 présente des cartographies soignées de l'émission de CO dans les transitions rotation elles (1- 0) et (2-1) de cinq sources pouvant être considérées comme des prototypes, et pour lesquelles nous sommes en mesure de donner une estimation de l'étendue de CO dans l'enveloppe. La deuxième partie de la thèse est consacrée à la modélisation de l'émission infrarouge des poussières. Nous y décrivons d'abord la mise au point d'un programme numérique de transfert radiatif dans le chapitre 5. Le chapitre 6 est une étude particulièrement détaillée de l'une des sources riches en carbone les plus optiquement épaisses connues, proche de la fin de l'AGB, RAFGL 3068. Les observations infrarouges disponibles, ainsi que les cartographies du chapitre 4, nous ont permis de contraindre la valeur de l'exposant de la loi d'émissivité des grains dans l'infrarouge. Le chapitre 7 est voué à l'étude des objets riches en carbone en transition entre la fin de l'AGB et le stade de nébuleuse planétaire. En reprenant l'échantillon de sources du chapitre 1, que nous avons élargi jusqu'à ~ 1000 sources, nous avons pu reconstituer l'évolution spectrale de ces PPN. Cette évolution est bien reproduite par les modélisations qui s'appuient sur le travail du chapitre précédent. L'un des problèmes les plus intéressant de l'évolution des étoiles AGB à l'heure actuelle est la transition entre les étoiles riches en oxygène et celles riches en carbone. Le chapitre 8 est un travail préparatoire à l'analyse d'observations de CN et HCN dans plusieurs objets différents, réalisées dans le but de tenter d'éclaircir un peu ce problème. Nous y analysons les propriétés IRAS (PSC) d'un échantillon de sources restreint, mais ayant des densités de flux IRAS fi ables, et en déduisons, pour cet échantillon, le pourcentage d'étoiles riches en carbone ayant une enveloppe fossile . Nous terminerons par la présentation des conclusions les plus importantes de la thèse.

L'hétérogénéité des nuages de couche limite est la somme de la variabilité 3D de l'eau nuageuse et de la variabilité microphysique décrivant les distributions dimensionnelles locales des gouttelettes. L'impact radiatif de ces variabilités est étudié d'une part sur le calcul de l'albédo d'une maille de modèle de grande échelle (GCM), et d'autre part sur la restitution des paramètres nuageux par satellite. La méthode employée utilise conjointement des simulations LES, 2 schémas extrêmes d'entraînement/mélange et un modèle de transfert radiatif 3D. Les résultats sont contraints par comparaison à des mesures in-situ et de télédétection. Il est montré que la variabilité microphysique est la source principale d'incertitude tant pour le calcul de l'albédo dans les GCM que pour la restitution des paramètres nuageux microphysiques. Elle peut conduire à une surestimation importante de l'effet indirect des aérosols dans les GCM et une sous-estimation importante de sa mesure par télédétection.

Cette thèse a pour but d'évaluer l'hétérogénéité crustale et de comprendre son effet sur la propagation des ondes sismiques. Nous étudions l'énergie de la coda de sismograrnrnes courte période. Pour cela, nous simulons la propagation des ondes en milieu hétérogène en résolvant l'équation de transfert radiatif (ETR) par des méthodes Monte Carlo, La première partie de cette thèse est effectuée dans l'approximation acoustique. Nous résolvons l'ETR dans un milieu composé d'un guide d'ondes hétérogène (la croûte) et d'un demi espace transparent (le manteau). Ces simulations sont comparées aux observations de la coda de séismes régionaux français, Cette étude nous permet de définir un modèle simple pouvant expliquer l'atténuation des ondes Lg directes et de leur coda en temps et en distance. Nous montrons qu 'en France l'atténuation produite par les diffracteurs est de l'ordre de l'absorption anélastique, Dans un deuxième temps, nous étudions la possibilité d'imager un contraste latéral d 'hétérogénéité dans les volcans, Avec des simulations numériques, des analyses de données et des expériences en laboratoire, nous montrons qu'un contraste latéral d'hétérogénéité influence fortement la répartition spatio-temporelle de l'énergie de la coda. La seconde partie est consacrée à la diffusion multiple des ondes élastiques dans un milieu stratifié composé d'un guide d'onde hétérogène d'épaisseur H (croûte) et d'un demi espace homogène (manteau).Une étude de coda-Q montre que la fuite vers le manteau est gouvernée par le libre parcours moyen de transport. L , et cela même si L > > H . Nous montrons également que les valeurs de coda-Q obtenues sont, pour un L donné, identiques à celles mesurées en acoustique. Enfin, nous étudions le phénomène d'équipartition (stabilisation du rapport entre l'énergie des ondes S et P) . Nous montrons que la valeur de stabllisation du rapport dépend de l'anisotropie de scattering et de L.

L'indice foliaire (LAI) est une variable clé pour l'étude du fonctionnement des surfaces végétales car elle conditionne les échanges de carbone et d'eau avec l'atmosphère. Les méthodes de mesures indirectes fournissent des estimations de LAI à partir de mesures de la fraction de trou in situ. Les méthodes d'estimation du LAI par inversion de modèle de réflectance à partir de données satellitaires utilisent généralement des modèles unidimensionnels car ils nécessitent peu de paramètres d'entrée. Dans les deux cas, les modèles reposent sur l'hypothèse que les éléments sont distribués de façon aléatoire au sein du couvert, ce qui est rarement le cas en réalité.<br />Dans ce contexte, le travail réalisé a pour objectif principal d'évaluer l'apport de l'utilisation d'un coefficient d'agrégation dans la simulation du transfert radiatif de couverts végétaux hétérogènes, en vue d'améliorer les estimations de LAI par inversion de modèles turbides.<br />Dans la première partie du travail, nous avons évalué les estimations de LAI fournies par le logiciel de traitement de photographies hémisphériques CAN_EYE, dont l'intérêt principal est d'estimer le LAI avec ou sans prise en compte de l'agrégation des feuilles. L'évaluation a été réalisée par comparaison avec des mesures destructives effectuées sur des cultures de blé, maïs et tournesol. Les résultats montrent que l'utilisation d'un coefficient d‘agrégation permet d'améliorer sensiblement les estimations de LAI. Toutefois, l'analyse suggère que le calcul du coefficient d'agrégation dans CAN_EYE avec la méthode de Lang et Xiang (1986) doit être amélioré.<br />Dans la deuxième partie du travail, nous avons analysé si l'introduction d'un coefficient d'agrégation dans un modèle de réflectance unidimensionnel permettait d'améliorer les simulations de la réflectance bidirectionnelle (FDRB), à l'échelle de la parcelle et du paysage. Pour cela, nous avons pris comme référence des simulations de FDRB issues d'un modèle 3D, le modèle DART (Gastellu et al., 1996). A l'échelle de la parcelle, nous avons montré l'intérêt du coefficient d'agrégation pour simuler la FDRB d'une parcelle de maïs dans la bande spectrale du rouge. Dans le PIR, l'utilisation d'un modèle unidimensionnel donne de meilleurs résultats. A l'échelle d'un paysage agricole, l'hétérogénéité sub-parcellaire semble être le facteur primordial et sa prise en compte avec un coefficient d'agrégation dans le rouge permet d'améliorer les simulations de la FDRB avec un modèle unidimensionnel. Une étude préliminaire a permis de mettre en évidence que les estimations de LAI par inversion pourraient être sensiblement améliorées si ce coefficient est introduit pour simuler la FDRB dans le visible.

En télédétection optique, les modèles de transfert radiatif (T-R) ont pour but de simuler la mesure radiométrique des capteurs spatiaux qui observent le système "Terre - Atmosphère". La modélisation des mesures de couverts végétaux est en général limitée au niveau de la représentation du paysage et du T-R associé. Cette thèse a permis de transformer le modèle 3-D de T-R DART (brevet : PCT/FR 02/01181) en un modèle multispectral simulant les images de télédétection optique (thermique inclus) de tout paysage urbain et naturel, avec relief et atmosphère, pour tout capteur spatial/aéroporté. Ce nouveau modèle a été validé par comparaison avec d'autres modèles (expérience RAMI-3, Centre Commun de Recherche, Italie) et avec des mesures in situ et aéroportées (République Tchèque). In fine, une méthode d'inversion a été développée. Elle a permis d'utiliser DART pour évaluer l'impact de la modélisation sur l'extraction du LAI d'une forêt de conifères avec des images hyperspectrales THR.

Plusieurs méthodes existent pour évaluer de manière opérationnelle l'éclairement solaire au sol à partir d'images acquises par satellite. Durant sa thèse soutenue en 2009 à MINES ParisTech, Oumbe a conçu une nouvelle méthode, Heliosat-4, faisant appel à des modèles numériques du transfert radiatif et à des approximations d'exécution rapide. La présente thèse vise à consolider ces résultats et à effectuer la validation complète de la méthode Heliosat-4. Elle s'inscrit dans une collaboration scientifique internationale dans les projets européens MACC (Monitoring Atmosphere Composition and Climate) et MACC-II.Oumbe a proposé une approximation de l'équation de transfert radiatif s'écrivant alors comme un produit de l'éclairement par ciel clair par un terme d'extinction dû aux nuages. Nous avons établi que les erreurs liées à cette approximation sont très faibles dans les conditions usuelles et qu'elle peut donc être utilisée dans Heliosat-4, ce qui en facilitera l'implémentation informatique ainsi que son fonctionnement opérationnelle.La méthode Heliosat-4 est donc ainsi composé de deux modèles composés d'abaques : McClear pour l'éclairement par ciel clair et McCloud pour l'extinction cet éclairement due aux nuages. A l'aide de mesures in-situ d'éclairements direct et diffus de référence, nous avons analysé finement les performances de Heliosat-4 selon différentes conditions. La qualité de la première version pré-opérationnelle de Heliosat-4 est jugée satisfaisante car elle permet des estimations d'éclairement global avec une précision de l'ordre de celles des méthodes existantes mais des estimations des composantes directe et diffuse sensiblement de meilleure qualité.

Le phénomène de jet apparaît couplé à l'accrétion, son rôle et son impact dans le contexte de la formation stellaire et planétaire restent des questions majeures. Nous explorons la possibilité que les jets moléculaires soient issus de vents de disque magnétocentrifuges contenant des grains, et possibilité qu'ils puissent expliquer les composantes larges observées dans les raies H2O avec Herschel/HIFI, ainsi que les observations à haute résolution au VLT. Notre modèle inclut : 1) Une solution MHD auto-similaire de vent de disque. 2) Une chimie ionisée hors équilibre le long des lignes d'écoulement. 3) Un chauffage dominé par la diffusion ambipolaire et une irradiation du gaz par les rayonnements X et UV de l'étoile. 4) Un auto-écrantage de H2 et de CO calculé globalement. 5) Les niveaux ro-vibrationnels et le transfert radiatif associé de H2, CO et H2O calculés hors équilibre. 6) Le pompage infrarouge des niveaux de CO et H2O par les poussières. 7) La projection de la probabilité d'échappement des photons non-isotrope sur la ligne de visée. Pour la première fois, un modèle dynamique de vent de disque permet de faire des prédictions synthétiques dans les raies moléculaires qui sont directement comparables aux observations de proto-étoiles. Nous proposons un outil puissant ouvert aux observations avec ALMA et le VTL.

Les progrès effectués dans le domaine des instruments optiques permettent d'envisager désormais de placer des capteurs à moyenne résolution spatiale et haute résolution spectrale sur des orbites géostationnaires ce qui permettrait d'observer la Terre à la fois avec une moyenne résolution spatiale, une bonne résolution spectrale et une haute résolution temporelle, ce que ne permettent pas les satellites héliosynchrones. L'objectif de cette thèse est donc de simuler les images en luminance qui seraient acquises par un capteur géostationnaire hypothétique dédié à l'observation de la couleur de l'océan, afin de caractériser les images qui seraient acquises, de spécifier les futurs instruments et de valider des algorithmes de traitement sur des images réalistes. Pour parvenir à simuler les luminances spectrales qui seraient mesurées par le capteur, nous avons combiné les modèles de transfert radiatif directs de l'eau (Hydrolight) et de l'atmosphère (MODTRAN). Les données d'entrée d'Hydrolight ont été déduites des données provenant des cartes climatologiques de GlobColour (chlorophylle, matières minérales et organiques en suspension) pour simuler des images de couverture globale (Global Area Coverage) d'un capteur géostationnaire à basse résolution spatiale, moyenne résolution spectrale et haute résolution temporelle. L'analyse de ces images permet de déterminer la gamme de luminances pour chaque bande spectrale et pour différentes acquisitions au cours de la journée. Les résultats indiquent aussi les limites angulaires pour éviter le phénomène du sunglint et pour assurer un niveau minimum de luminance provenant de l'eau, contenu dans le signal mesuré. Les images en luminance ainsi simulées ont permis d'évaluer aussi la performance d'un algorithme d'estimation de concentration en chlorophylle de rapport de bandes dans les eaux au large. Les résultats montrent que l'erreur d'estimation est moyennement sensible aux angles d'observation et d'éclairement, importants dans les images géostationnaires.

Les jeux vidéos et les effets spéciaux ont un besoin constant d'images plus réalistes de scènes naturelles, ce qui inclut les nuages. Les méthodes traditionnelles de synthèse d'images impliquent des calculs coûteux, ce qui qui limite leur réalisme. Dans cette thèse, nous proposons de nouvelles approches pour le rendu de nuages à la fois réalistes et rapides. Ces objectifs sont atteints via une méthodologie s'appuyant sur des approches à la fois physiques et phénoménologiques. Dans la première partie de cette thèse, nous étudions les nuages du point de vue d'un observateur humain, ce qui nous permet d'identifier les éléments visuels importants caractérisant les nuages. Ces éléments visuels sont ceux que nous cherchons à reproduire dans un but de réalisme. Dans la deuxième partie nous conduisons une étude expérimentale du transport de la lumière dans une dalle de nuage en utilisant les lois du transfert radiatif. Cette étude nous permet de mieux comprendre le transport de la lumière dans les nuages à des échelles mésoscopiques et macroscopiques, de trouver l'origine de ces éléments visuels, et de déduire de nouveaux modèles de transport de la lumière phénoménologiques efficaces. Dans la troisième partie nous proposons deux nouvelles méthodes permettant le rendu de nuages réaliste en temps-réel basées sur les résultats de notre étude. Ces méthodes sont optimisées pour le matériel graphique. La qualité de nos résultats est débattue et nous esquissons des axes de recherche future permettant d'améliorer à la fois la vitesse et le réalisme de nos méthodes.