Les acides organiques (principalement l'acide formique (HCOOH) et l'acide acétique (CH3COOH) jouent un rôle clef dans la chimie de la troposphère. L'archivage glaciaire représente un moyen privilégié pour obtenir des informations permettant une meilleure compréhension globale du cycle de ces acides carboxyliques. Cependant, la méconnaissance des mécanismes d'incorporation de ces gaz dans la précipitation limite encore l'interprétation de ces archives en terme de variabilité de l'atmosphère passée. Cette étude a montré qu'il était possible d'utiliser la technique de la chambre à nébuliser pour collecter HCOOH et CH3COOH présents à l'état de traces gazeuses dans l'atmosphère des régions de bruit de fond. Cette technique de prélèvement a été utilisé dans deux campagnes de terrain, l'une réalisé à Sönnblick (3106 mètres d'altitude) en Autriche au printemps 1993 , l'autre en été au Groenland. L'étude des équilibres entre la phase gazeuse et l'eau en surfusion à Sönnblick (en particulier pour HCOOH) a montré que l'application de la loi de Henry dans les problèmes de chimie atmosphérique pouvait conduire à des erreurs. Les collectes atmosphériques réalisées au Groenland révèlent que les acides formique et acétique sont les gaz acides majoritaires dans la troposphère de Summit, les concentrations mesurées pour ces deux composés remettant en question les résultats de la seule étude antérieure disponible pour cette région. Notre étude montre également que le mode d'incorporation des acides faibles (HCOOH, CH3COOH) dans les cristaux de neige est différent de celui des acidès forts (HCl, HN03). Une première approche quantitative des différents processus suggère que dans le cas des acides organiques, le givrage des cristaux est susceptible d'expliquer les teneurs mesurées dans la neige fraîche. En revanche, c'est par un processus de co-condensation que l'acide chlorhydrique semble s'incorporer majoritairement dans le cristal de glace. Enfin, la diffusion de l'acide nitrique paraît suffisamment rapide pour permettre à ce composé d'atteindre l'équilibre thermodynamique entre l'air et la neige. Cette étude a contribué à une meilleure connaissance de la fonction de transfert "air-neige" pour les gaz acides.

De nombreux travaux indiquent qu'il est important d'étudier les impacts physico-chimiques de la convection profonde tropicale. Nous avons utilisé le modèle méso-échelle 3D non-hydrostatique CATT-BRAMS pour étudier le transport de traceurs dans la troposphère tropicale au-dessus de l'Amérique du Sud. J'ai effectué une validation de l'outil en complément d'une étude en saison sèche et dans les basses couches menée au CPTEC (Brésil). Les résultats obtenus dans ces travaux indiquent un comportement météorologique globalement correct. Le transport en résultant montre une sur-estimation du transport d'espèces chimiques dans la moyenne troposphère et une sous-estimation dans la haute troposphère. Cela vient d'un déclenchement trop fréquent de la convection restreinte, de la paramétrisation de la convection profonde et de la représentation de leurs interactions. Une adaptation du modèle pour la saison humide est nécessaire. A l'échelle locale des difficultés venant d'une sensibilité importante de la paramétrisation au relief sont rencontrées. Le CATT-BRAMS évolue vers un modèle avec chimie, le C-CATT-BRAMS. Les premiers résultats obtenus indiquent un fort impact de l'initialisation et des conditions aux limites pour les espèces NO et O3. Quelques soient l'initialisation ou les conditions aux limites utilisées, on observe une augmentation du rapport de mélange de ces espèces au cours du temps. Cela peut provenir d'une sur-estimation des émissions 'a la surface dans le modèle, en particulier pour les méga-cités. Il est important de poursuivre la validation de cet outil afin de pouvoir étudier l'impact physico-chimique de la convection profonde tropicale avec ce modèle.

De nombreux travaux indiquent qu’il est important d’étudier les impacts physico-chimiques de la convection profonde tropicale. Nous avons utilisé le modèle méso-échelle 3D non-hydrostatique CATT-BRAMS pour étudier le transport de traceurs dans la troposphère tropicale au-dessus de l’Amérique du Sud. J’ai effectué une validation de l’outil en complément d’une étude en saison sèche et dans les basses couches menée au CPTEC (Brésil). Les résultats obtenus dans ces travaux indiquent un comportement météorologique globalement correct. Le transport en résultant montre une sur-estimation du transport d’espèces chimiques dans la moyenne troposphère et une sous-estimation dans la haute troposphère. Cela vient d’un déclenchement trop fréquent de la convection restreinte, de la paramétrisation de la convection profonde et de la représentation de leurs interactions. Une adaptation du modèle pour la saison humide est nécessaire. A l’échelle locale des difficultés venant d’une sensibilité importante de la paramétrisation au relief sont rencontrées. Le CATT-BRAMS évolue vers un modèle avec chimie, le C-CATT-BRAMS. Les premiers résultats obtenus indiquent un fort impact de l’initialisation et des conditions aux limites pour les espèces NO et O3. Quelques soient l’initialisation ou les conditions aux limites utilisées, on observe une augmentation du rapport de mélange de ces espèces au cours du temps. Cela peut provenir d’une sur-estimation des émissions `a la surface dans le modèle, en particulier pour les méga-cités. Il est important de poursuivre la validation de cet outil afin de pouvoir étudier l’impact physico-chimique de la convection profonde tropicale avec ce modèle. / Many works show it is important to study the phyical and chemical impacts of tropical deep convection. We used the 3D mesoscale non-hydrostatic model CATT-BRAMS to study the tracers transport in the tropical troposphere above South America. I validated the tool parallel to a study done in CPTEC (Brazil) for the dry season and in the lower troposphere. The results obtained in this work indicate a globaly correct meteorological behaviour. The associated transport show an over estimation of the chemical species transport in mid-troposphere and an under estimation in the upper troposphere.This comes from a to frequent triggering of shallow convection, from the deep convection scheme and from the representation of their interactions. An adaptation of the model for the wet season is necessary. At local scale, difficulties because of a high deep convection scheme sensitivity to the orography are encountered. The CATT-BRAMS model evolve to a model with chemistry, the C-CATT-BRAMS. The first results obtained indicate a strong impact of initialisation and boudary conditions on species NO and O3. Whatever be the initialisation or the boundary conditions, we observe an increase of the mixing ratio along time for these species. This can come from an over estimation of surface emissions in the model, especialy for megacities. It is important to continue the validation of this tool in order to be able to study the physical and chemical impacts of tropical deep convection with this model.

Au cours de ce travail, nous avons étudié les cinétiques et mécanismes de plusieurs réactions de radicaux bromés et chlorés d'intérêt pour la chimie atmosphérique : d'une part, des réactions des radicaux halogénés BrOx (Br, BrO) et ClOx (Cl, ClO) avec les radicaux hydroxy-oxygénés (OH, HO2), afin d'évaluer leur impact sur la répartition des composés halogénés dans la stratosphère globale entre espèces actives et réservoirs de ces espèces, en lien avec la diminution de l'ozone stratosphérique ; d'autre part, des réactions entre ces mêmes radicaux halogénés et le diméthylsulfoxyde (DMSO), intermédiaire d'oxydation du sulfure de diméthyle (DMS) émis par les océans, afin d'évaluer la contribution possible de ces réactions à l'oxydation du DMSO. Les réactions ont été étudiées par la technique du réacteur à écoulement couplé à la spectrométrie de masse, à une pression de 1 torr d'hélium.<br /><br />Pour les réactions entre les radicaux halogénés et hydro-oxygénés, les résultats obtenus montrent que les réactions étudiées constituent des sources supplémentaires de l'espèce réservoir HX (X = Br, Cl) dans la stratosphère globale. Toutefois, les valeurs des constantes de vitesse obtenues semblent insuffisantes pour expliquer totalement l'écart entre observations et modélisations des concentrations de HX dans la stratosphère, et donc le partage des composés halogénés entre espèces actives et réservoirs.<br /><br />Concernant le DMSO, ce travail confirme que les réactions avec les radicaux chlorés et bromés ne contribuent pas de manière significative à son oxydation, celle-ci étant amorcée principalement en phase gazeuse par le radical OH.

L'assimilation de données permet de combiner d'une manière optimale un modèle numérique décrivant l'évolution de la composition chimique de l'atmosphère et les mesures disponibles. Dans cette thèse, l'assimilation de données est utilisée afin de caractériser les distributions troposphériques et stratosphériques de l'ozone (O3) et du monoxyde de carbone (CO). Le Modèle de Chimie Transport (CTM) MOCAGE (MOdèle de Chimie Atmosphérique à Grande échelle) est utilisé dans une configuration à deux domaines imbriqués avec les résolutions de 2◦ (global) et de 0.2◦ (régional). La technique variationnelle du 3D-FGAT est utilisée pour toutes les études que constituent cette thèse. Nous avons évalué la complémentarité des mesures satellites au limbe et au nadir aujourd'hui disponibles pour la caractérisation de l'UTLS (Haute Troposphère Basse Stratosphère) en assimilant ces deux types de mesures simultanément. Nous nous sommes en particulier intéressé à la propagation de l'information provenant des mesures assimilés dans le modèle et plus particulièrement, aux impacts de l'assimilation de mesures stratosphérique d'ozone en troposphère aux moyennes latitudes. Les principaux objectifs de cette thèse ont été de montrer la valeur ajoutée de l'augmentation de la résolution modèle pour l'assimilation de données et les effets synergiques de l'assimilation combinée d'un sondeur au limbe et au nadir. Des développements au niveau du système d'assimilation en domaine imbriqué à 0.2◦ ont été effectués. L'assimilation des données dans le domaine global est maintenant prise en compte et les conditions aux bords provenant des champs assimilés montre un impact significatif sur le domaine imbriqué. Dans un premier temps, nous avons assimilé les profils d'ozone stratosphériques mesurés au limbe provenant de MLS (Microwave Limb Sounder) afin d'étudier deux cas d'échange entre la Stratosphère et la Troposphère (STE). / Data assimilation combines in an optimal way a numerical model describing the evolution of the atmospheric chemical composition and the available trace gases measurements. In this thesis, data assimilation is used to characterize the ozone (O3) and the carbon monoxide (CO) distributions in the stratosphere and in the troposphere. The Chemistry Transport Model (CTM) MOCAGE (MOdèle de Chimie Atmosphérique à Grande Echelle) is used in a configuration with two nested domains at 2◦ (global) and at 0.2◦ (regional). To perform the assimilation experiments a 3D-FGAT variational method is used. We evaluate the complementarity of limb and nadir measurements available at the present day at characterizing the UTLS (Upper Troposphere Lower Stratosphere) region by assimilating simultaneously the two type of measurements. We particularly focus on the impacts of data assimilation of stratospheric ozone measurements on troposphere and conversely of tropospheric data assimilation on stratosphere. Showing the added value of the increased horizontal resolution in the UTLS assimilated fields and the synergistic effects of limb and nadir assimilation were the main objectives of this work. Development in the assimilation system have been made in the assimilation system with the nested domain. Data assimilation in the global domain is now taken in account and the boundary condition from the assimilated fields show significant impacts on the regional domain. Firstly, we assimilate stratospheric ozone profiles from MLS (Microwave Limb Sounder) to investigate two Stratosphere-Troposphere Exchange (STE) case studies. .

Le travail présenté dans ce manuscrit est consacré à la restitution et à l'interprétation des profils verticaux de rapports de mélange du chlorure d'hydrogène (HCl) et du formaldéhyde (H2CO) mesurés par l'instrument sous ballon SPIRALE (SPectroscopie InfraRouge par Absorption de Lasers Embarqués), au cours de deux vols effectués en région intertropicale depuis Teresina (Brésil, 5.1°S-42.9°S), le 22 Juin 2005 et le 9 Juin 2008. Les problématiques scientifiques liées à l'étude de ces composés, les caractéristiques de la haute troposphère et de la basse stratosphère intertropicale et enfin celles du spectromètre SPIRALE sont décrites. L'étude de faisabilité de la mesure de H2CO a permis de définir la position et l'intensité de la raie d'absorption la plus adéquate pour la mesure stratosphérique de ce composé (à 2912.1 et 1701.5 cm-1). Les profils verticaux de rapports de mélange de H2CO obtenus au cours de ces vols de SPIRALE sont présentés et comparés. Les mesures de HCl sont les premières à avoir été réalisées in situ dans la basse et moyenne stratosphère intertropicale. Dans la couche de transition intertropicale, celles-ci sont utilisées en lien avec des mesures récentes de composés à très courte durée de vie (VSLS), afin d'estimer la contribution de ceux-ci au bilan du chlore stratosphérique. Dans la moyenne stratosphère, les signatures visibles sur les profils verticaux de HCl et sur ceux d'ozone acquis simultanément sont étudiées en lien avec l'oscillation quasi-biennale. En outre, le bon accord entre SPIRALE et l'instrument MLS du satellite Aura a permis de conforter la fiabilité de celui-ci pour la mesure de HCl.

Le changement climatique est relié à l'évolution de la composition chimique de l'atmosphère et de sa capacité oxydante, impliquant le système COV-NOy-HOx-O3. La troposphère tropicale, de l'Afrique de l'Ouest en particulier, joue un rôle critique sur la composition atmosphérique globale pour trois raisons majeures : (1) l'existence d'importantes sources de précurseurs d'espèces photooxydantes, (2) une photochimie active, (3) une activité convective intense en période de mousson. Pour évaluer son rôle, il est nécessaire de bien caractériser ces différents processus et leur interaction. Cette question est au coeur du programme international AMMA (Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine) dans lequel s'inscrit cette thèse. Ce travail a pour objectif de caractériser et d'évaluer l'impact de la convection nuageuse profonde sur la chimie photooxydante de la troposphère libre en Afrique de l'Ouest, en particulier pour les composés organiques volatils (COV), qui sont d'importants précurseurs d'ozone. Ce travail s'appuie sur les données physico-chimiques recueillies sur les deux avions de recherche français au cours de la campagne d'observation intensive de l'été 2006 de AMMA. Afin de compléter le dispositif instrumental embarqué, une nouvelle instrumentation de mesure indirecte des COV a été d'abord développée. Puis, l'utilisation de traceurs physico-chimiques et la mise en place d'outils diagnostiques appliqués aux COV (profils verticaux de concentrations, rapport de concentration de COV ad hoc, horloge photochimique, réactivité totale vis-à-vis de OH) ont montré que la convection profonde assure un transport vertical rapide et efficace des espèces gazeuses réactives émises près de la surface vers la haute troposphère. Enfin, un modèle photochimique de boîte 0D a permis de renseigner l'évolution de la composition chimique des masses d'air post-convectives. Les simulations montrent que les espèces transportées par la convection participent activement à la chimie et conduisent à une production nette et significative d'ozone dans la haute troposphère. La sensibilité de la production d'ozone aux précurseurs gazeux (COV et NOx) a été également évaluée

Ce document constitue une synthèse de ma dizaine d'années d'activité scientifique passées sous les tropiques, en tant que physicien adjoint affecté à l'IPSL et détaché à la Réunion, au LPA qui devint LACY en s'associant à Météo-France. Ce document contient donc une présentation de l'essor instrumental de la station de l'OPAR et sa place dans les réseaux de recherche internationaux, qui reflète mon activité dans le cadre de ma mission de participation aux services d'observation. Une synthèse des principaux résultats obtenus par rapport au bilan de l'ozone troposphérique tropical est ensuite présentée. En effet, cette dizaine d'années d'observation de l'ozone troposphérique par lidar et radiosondages nous a permis d'approfondir des cas d'études pour détailler les mécanismes source de l'ozone troposphérique à la Réunion, d'établir la climatologie de l'ozone et de la tropopause et de dégager les premières estimations de tendances de l'ozone troposphérique.

Les échanges entre la stratosphère et la troposphère induits par le courant-jet de l'hémisphère Nord sont bien documentés. Cependant, peu de données sont disponibles dans les régions subtropicales, ce qui a longtemps limité les études des échanges stratosphère-troposphère dans ces régions, en relation d'une part à la barrière dynamique et au courant-jet subtropical de l'hémisphère sud, et, d'autre part, à la convection tropicale, nuages convectifs tropicaux, cyclones et zone de convergence intertropicale. <br /><br /> Se basant principalement sur l'analyse des radiosondages effectués à un rythme bimensuel par le laboratoire depuis 1992, complétés par diverses autres données expérimentales, satellitales, et des sorties du modèle dynamique global du centre européen ECMWF, une première approche qualitative a débouché sur l'identification et l'analyse de plusieurs cas d'étude. Les concepts d'agéostrophisme, de jet-streak et de frontogénèse d'altitude ont permis de caractériser et d'analyser la formation de plusieurs foliations subtropicales et gouttes froides d'altitude. <br /><br />Les échanges entre la stratosphère et la troposphère en relation avec la convection tropicale, ont été ensuite abordés, dans un cas de transfert subsident intense le 6 avril 1995 (300 ppbv à l'altitude 10 km), alors que la Réunion était dans la partie périphérique du cyclone Marlène, à environ 1000 km du centre du cyclone. Après vérification de la bonne prise en compte du cyclone par les données des modèles utilisés (NMC et ECMWF), l'analyse dynamique semble indiquer une extension horizontale assez limitée du transfert, qui serait constitué typiquement par des mécanismes dynamiques à méso-echelle. <br /><br /> Pour permettre un meilleur suivi temporel de la concentration d'ozone troposphérique, un lidar ozone a été installé à la Réunion. Les résultats obtenus dans le cadre de la campagne TRACAS en juillet 1998 ont montré des apports d'ozone ayant une origine stratosphérique dans la troposphère, d'une manière extrêmement régulière pendant le mois de campagne de mesure. L'analyse dynamique au moyen des données du modèle européen et des données Météosat a permis la mise en évidence d'un pli de la tropopause d'échelle planétaire. Ces mécanismes sont nécessairement différents de ceux mis en jeu dans les latitudes moyennes et pourraient être contrôlés par le flux de retour de mousson et la branche descendante de la cellule de Hadley.

La vapeur d'eau est un constituant essentiel de l'atmosphère ayant un rôle sur la température à la surface de la terre et un impact sur la couche protectrice d'ozone. Les concentrations de vapeur d'eau en stratosphère (~12 à 50 km d'altitude) ont cependant montré de fortes tendances avec des désaccords importants entre les instruments. La première partie de cette thèse contribue à l'évaluation d'instruments récents dans la haute troposphère et basse stratosphère tropicale. Il s'avère que des biais importants entre les instruments et des variabilités différentes persistent empêchant de combiner les données pour fournir de longues tendances. Néanmoins, certains instruments peuvent être utilisés dans des études scientifiques. La seconde partie de cette thèse s'est focalisée sur les mécanismes introduisant de la vapeur d'eau en basse stratosphère pouvant expliquer une part des tendances observées. Parmi eux, les échanges méridiens quasi-horizontaux et adiabatiques entre la troposphère (0-12 km d'altitude) subtropicale et la stratosphère des moyennes latitudes encore peu documentés font l'objet de cette thèse. Ainsi un modèle adiabatique est adapté pour transporter l'eau sous ses trois phases avec un module de microphysique simplifié. Plusieurs initialisations du champ de vapeur d'eau sont testées. Puis le modèle est utilisé pour quantifier un cas d'étude au-dessus de l'Europe. Le modèle s'avère capable de reproduire les cirrus observés et montre que ce type d'apport de vapeur d'eau est aussi important que ceux liés à la mousson ou à la convection profonde.