La compréhension de la structure de la turbulence dans la couche de surface de l'atmosphère est cruciale pour l'amélioration de la prédiction du temps. Dans ce travail de thèse, nous nous appuyons sur des mesures de turbulence collectées par les anémomètres soniques de l'observatoire du SIRTA et sur des simulations numériques ("large eddy simulations") en 3-D à l'aide du modèle ARPS prenant en compte les interactions végétation/atmosphère, pour étudier la structure de la turbulence atmosphérique pour différents types de surface (champ, forêt, bâtiments). La turbulence est abordée de manière statistique, avec le calcul des variables moyennes telles que les flux turbulents, de quantité de mouvement et de chaleur, ou encore l'énergie cinétique turbulente, et de manière déterministe. Dans ce second cas, nous utilisons une méthode de détection des structures cohérentes, basée sur une transformée en ondelettes, afin de déterminer leurs propriétés telles que leur fréquence d'occurrence ou encore leur contribution relative aux flux turbulents. Les résultats de ce travail de thèse montrent principalement que malgré l'impact important de la complexité du terrain sur les variables moyennes de la turbulence que sont les flux ou l'énergie cinétique turbulente, des propriétés majeures des structures cohérentes (fréquence d'occurrence, durée et temps de séparation, contribution aux flux...) apparaissent indépendantes de la nature du terrain. Ce résultat est dû au fait que les structures cohérentes détectées à partir des séries temporelles de la température ou de la vitesse verticale sont représentatives de la turbulence active qui s'ajuste rapidement aux conditions locales de la surface.

L'évaluation des conséquences environnementales des rejets de polluants atmosphériques est notamment possible grâce à l'utilisation de modèles numériques. Des modèles de dispersion spécifiques simulent les processus atmosphériques caractéristiques des échelles étudiées. Afin de représenter la dispersion de contaminants sur de très courtes périodes, soit de l'ordre de quelques secondes, des modèles de fluctuations de concentration (FC) sont nécessaires. La caractérisation des FC est essentielle pour des applications telles l'évaluation en air ambiant de la toxicité, inflammabilité et explosibilité de gaz ainsi que l'identification de nuisances olfactives. Ce projet traite du développement d'un modèle de FC. Les facteurs influençant les FC sont discutés, soit la période de moyennage, la stabilité atmosphérique, le temps de transport ainsi que les caractéristiques des sources émettrices. Une revue de la littérature des approches de modélisation des FC a permis de comparer les avantages et inconvénients de chacune en vue de sélectionner la plus adéquate. L'approche consistant à séparer la dispersion du panache en une composante de serpentement et de dispersion relative a été retenue. Le modèle a été développé pour qu'il s'applique à l'ensemble des régimes de turbulence atmosphérique. Une méthode basée sur une approche gaussienne a été développée afin de représenter les FC en conditions neutres et stables. Dans le cas de conditions convectives où les fluctuations verticales du vent sont asymétriques et le profil vertical de dispersion est non-gaussien, l'emploi d'un modèle lagrangien stochastique permet de simuler les trajectoires des centroïdes du panache mus par serpentement. On a également identifié des paramétrages représentant les profils verticaux des fluctuations turbulentes tridimensionnelles du vent, du taux de dissipation de l'énergie cinétique turbulente et des coefficients de dispersion. Un paramétrage a été développé afin de simuler les intensités relatives des FC en conditions neutres et stables. Les simulations réalisées avec le modèle développé montrent des comportements similaires aux résultats expérimentaux et aux autres modèles de FC. En effet, les intensités des FC, définies comme l'écart-type des FC sur la concentration moyenne, sont maximales près de la source et diminuent selon la distance dû à l'homogénéisation du panache. Latéralement par rapport à la direction du vent, les intensités simulées sont minimales dans l'axe central du panache et augmentent en s'approchant des bords, ce qui concorde avec les mesures et est dû à l'effet d'entraînement par mélange du panache avec de l'air ambiant non-contaminé. Une évaluation quantitative avec des bases de données expérimentales de FC permettrait d'évaluer les performances du modèle et d'améliorer la qualité des paramétrages. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Fluctuations de concentration, Dispersion atmosphérique, Turbulence, Modèle lagrangien stochastique.

La modélisation de la propagation acoustique longue distance du bang sonique dans l’air nécessite de prendre en compte la complexité des phénomènes en interaction : turbulence atmosphérique, gradients de célérité du son, impédance et rugosité du sol, et propagation non-linéaire. L’évaluation des nuisances sonores, et la validation des modèles par la comparaison avec des mesures en extérieur est délicate, car les conditions atmosphériques ne peuvent être ni suffisamment contrôlées ni caractérisées de façon extensive. Une alternative est la réalisation d’expériences à l’échelle du laboratoire où le milieu de propagation, la source sonore et les récepteurs peuvent être contrôlés et caractérisés. Ce travail porte sur la propagation à travers la turbulence d’ondes dites ’en N’, de forte amplitude et de courte durée, en champ libre ou en présence d’une paroi plane, avec un gradient de célérité du son causant une ”zone d’ombre” près du sol. Les impulsions sonores sont expérimentalement générées par claquage électrique entre deux électrodes. La turbulence est créée par convection libre au-dessus d’une grille de résistances chauffées, et la zone d’ombre acoustique est obtenue au moyen d’une paroi cylindrique. La mesure est réalisée à l’aide de microphones 1/8”.Pour l’étude de la source, une technique de strioscopie a été mise en œuvre afin de déterminer la forme d’onde. Le niveau de pression doit cependant être déterminé par une analyse complémentaire, basée sur la théorie des chocs faibles avec une forme d’onde différente de l’onde en N idéale. Un des facteurs limitant des expériences à l’échelle du laboratoire est la transposition vers une gamme ultrasonore, afin que le rapport longueur d’onde - distance de propagation reste du même ordre de grandeur que pour l’atmosphère. Constatant qu’il n’existe pas de méthode de calibration adaptée dans une gamme de fréquence de 10 kHz à 1 MHz (typique des expériences à l’échelle du laboratoire), une nouvelle méthode de calibration a été proposée et appliquée avec succès. En champ libre, la turbulence thermique cause en moyenne une atténuation du pic de pression. Des zones de focalisation aléatoire existent néanmoins, où l’amplitude de l’onde est multipliée par 3. Les répartitions statistiques du pic de pression ont été décrites avec un excellent accord par une loi de probabilité de type Gamma généralisée. La présence d’une frontière peut en outre donner lieu à des réflexions irrégulières, en raison des niveaux de pression importants. Nous avons mis en évidence ce phénomène dans l’air avec une paroi plane ou cylindrique. Pour l’étude de la propagation en zone d’ombre acoustique, un résultat important de la thèse est que, contrairement à la propagation en champ libre, la probabilité que la turbulence atténue le pic de pression en zone d’ombre est nulle. Cette observation suggère qu’avec turbulence, le mécanisme dominant de propagation est la diffusion acoustique par les structures turbulentes. Ceci aurait pour conséquence dans le cas du bang sonique l’extension de la zone d’exposition sonore sous la trace de l’avion (carpette primaire). / Long range sound propagation in the atmosphere is influenced by several effects: atmospheric turbulence, sound-speed gradients, ground properties (impedance, rugosity) etc. In the context of supersonic aircraft, nonlinear propagation of the sonic boom has to be taken into account. To evaluate the influence of these different effects, a statistical analysis is needed. However, field measurements suffer from a lack of control on atmosphere characteristics, and the statistical analysis remains circumscribed by the limited number of aircraft flight tests. An alternative to outdoor measurements is to perform experiments under well-controlled laboratory conditions. These experiments allow to study the effects purely related to the turbulent layer and to the sound-speed gradient. The propagation of high amplitude and short duration N-waves through thermal turbulence is studied. In particular, the influence of a rigid boundary and a negative sound-speed gradient resulting in a shadow-zone near the boundary, are pointed out. An experimental setup has been designed : N-waves are generated using a spark source. Thermal turbulence is obtained with a grid of electrical resistors, and the shadow-zone is obtained used a curved boundary. Measurements are performed using 1/8” microphones, and a schlieren shadowgraphy technique. The real pressure waveform (different from the ideal N-wave) delivered by the spark source has been obtained using the strioscopy technique, up to a multiplicative constant. Weak-shock theory enables to estimate the pressure level under the assumption that the pressure waveform is an ideal N-wave. This method has been modified to take into account the real pressure waveform. Because of the geometrical scaling, laboratory-scale experiments lead to a shift to a higher frequency domain : typically, 10 kHz – 1 MHz. In this frequency range, no calibration method is available up to now. A new method has been proposed and successfully applied. Free-field propagation of high-amplitude N-waves through the turbulent layer leads to a mean attenuation of the pressure level. However, random focus of the pressure waves can be observed, up to factor of 3. Probability densities of the shock overpressure have been described with an excellent agreement by a generalized Gamma probability distribution. With a rigid boundary, irregular reflections of shockwaves can be observed because of the high pressure level. This type of irregular reflections has been outlined either with a plane or a cylindrical boundary. Propagation in an acoustical ”shadow zone” lead to an amplification of the pressure, contrary to the free-field observations. An important result of the experiment is that the probability to observe an attenuation of the pressure level is null, for every single wave propagating in the ”shadow zone”. This result suggests that, with turbulence, the dominant propagation mechanism into the shadow-zone is scattering by sound-speed in homogeneities. In the context of sonic boom exposure on the ground, this would lead to an extension of the primary carpet of the aircraft.

Cette recherche s'inscrit dans le cadre de la prévision des instabilités de flottement qui joue un rôle majeur dans la conception et la certification des avions civils. Les instabilités sont liées au couplage aéroélastique qui est dû aux efforts induits générés par les mouvements de la structure au sein de l'écoulement. On considère dans ce travail plus particulièrement l'influence de la turbulence atmosphérique qui apporte, elle aussi, une contribution aux forces aérodynamiques. Dans ce but, la turbulence est modélisée par un processus stochastique introduisant une excitation multiplicative dans le système aéroélastique. Il est alors nécessaire de développer des méthodologies permettant l'étude de la stabilité des aéronefs en présence d'un bruit aléatoire multiplicatif. On propose d'étudier la stabilité dans le cadre général des systèmes dynamiques aléatoires et plus précisément à l'aide des exposants de Lyapunov qui donnent les taux de (dé-)croissance des trajectoires. Ces derniers généralisent ainsi la notion de partie réelle des valeurs propres. Malgré le développement de modèles réduits, les systèmes couplés aéroélastïques restent relativement complexes et de dimension élevée. On opte alors pour un calcul du plus grand exposant de Lyapunov par des méthodes numériques. Néanmoins, la stabilité des systèmes aéroélastiques est également très sensible à la présence de non-linéarités structurales concentrées, comme un jeu dans la liaison aile-gouverne. On pro pose alors une méthode qui a recours d'une part à la formulation du problème par inclusions différentielles et d'autre part à une technique de sous-structuration permettant d'isoler les parties non régulières introduites par le jeu.

La région Méditerranéenne est particulièrement vulnérable aux feux des végétation qui représentent une menace croissante pour l'environnement et les populations. Les interactions dynamiques et chimiques entre le feu et l'atmosphère se produisent sur plusieurs échelles temporelles et spatiales et leur étude nécessite donc une modélisation couplée. Le couplage numérique entre le modèle atmosphérique Méso-NH, incluant un schéma de chimie réactionnel, et le modèle de propagation de feu en surface ForeFire a été la base méthodologique pour trois études sur les interactions feu-atmosphère. D'abord, les impacts des feux de végétation sur la dynamique et la chimie atmosphérique ont été caractérisés à l'échelle régionale pour l'incendie de Lançon-de-Provence 2005. L'étude montre l'impact des émissions pyrogéniques sur les concentrations de polluants en surface à plus de 30 km sous le vent du feu et un accroissement de la turbulence atmosphérique. Ensuite, une étude sur la hauteur d'injection des produits des feux de végétation a été réalisée qui compare deux paramétrisations des processus convectifs induits par les incendies. Les deux approches (EDMF et PRM) donnent des résultats similaires sur un feu méditerranéen, mais EDMF sous-estime systématiquement les hauteurs d'injection pour les feux tropicaux quelques soient les conditions environnementales, soulignant les limitations des approches paramétrées dans la détermination des hauteurs d'injection. Enfin, le modèle couplé MésoNH-ForeFire utilisé à très haute résolution sur des cas idéaux et sur des feux réels a montré l'amélioration sur la vitesse de propagation du feu du couplage bi-directionnel feu-atmosphère.

Cette étude porte sur la représentation mathématique du comportement de l'avion dans la turbulence atmosphérique ainsi que sur l'identification de la dynamique induite par la rafale de vent. La démarche suivie s'inscrit dans une perspective d'identification à partir d'essais réalisés dans le Laboratoire d'Analyse du Vol du DCSD de l'ONERA à Lille. Pour cela, l'avion est<br />décomposé en différents éléments que sont le fuselage, l'aile et l'empennage. Le modèle obtenu incorpore les effets instationnaires modélisés par l'intermédiaire de fonctions de Küssner et des retards clairement explicités.<br />Des résultats en simulations confrontant le modèle développé à de récents travaux de modélisation (thèse de Carine Jauberthie à l'ONERA) mettent en évidence l'apport de la prise en compte de ces phénomènes dans la modélisation. La comparaison avec les essais expérimentaux montre que les tendances observées dans la réalité se confirment pour notre modèle.<br />Une méthode d'identification algébrique initiée par Fliess et Sira-Ramirez en 2003 a été étendue aux systèmes à retards. Cette technique basée sur le formalisme des distributions permet d'identifier certains retards et paramètres de notre modèle.

Un lien optique basé sur un multiplex de longueurs d'onde autour de 1,55μm est une alternative intéressante pour pallier la saturation des bandes radio-fréquences classiquement utilisées et pour répondre aux besoins de liens haut débit par satellite géostationnaire de la prochaine génération de télécommunication. Compte-tenu de la puissance limitée des lasers envisagés, la divergence du faisceau doit être considérablement réduite. Par conséquent, le pointage du faisceau devient un paramètre critique. Au cours de sa propagation entre la station sol et un satellite géostationnaire, le faisceau optique est dévié et éventuellement déformé par la turbulence atmosphérique. Cela induit de fortes fluctuations du signal de télécommunication détecté, réduisant le débit disponible. Un miroir de basculement est utilisé pour pré-compenser la déviation mesurée à partir d'un faisceau provenant du satellite. Du fait de l'angle de pointage en avant entre la liaison descendante et la liaison montante, les effets de turbulence subis par les deux faisceaux sont légèrement différents, ce qui induit une erreur dans la correction.Le critère de performance de la liaison est l’intensité minimale détectable 95% du temps. Un modèle rapide, nommé WPLOT, prenant en compte les erreurs de pointage et leur évolution temporelle, est proposé pour évaluer cette intensité minimale en fonction des paramètres de la station sol et de la qualité de la correction. Les résultats obtenus avec ce modèle sont comparés avec ceux obtenus par un modèle physique mais plus couteux en temps de calcul ; le code TURANDOT. Grâce à ce modèle, une étude de sensibilité a été réalisée et a permis de proposer un dimensionnement de la station sol. Ce modèle permet également de générer des séries temporelles afin d’optimiser les codes de correction d’erreur et optimiser le débit (1Terabit/s d'ici 2025). / An optical link based on a multiplex of wavelengths at 1.55µm is foreseen to be a valuable alternative to the conventional radio-frequencies for the feeder link of the next-generation of high throughput geostationary satellite. Considering the limited power of lasers envisioned for feeder links, the beam divergence has to be dramatically reduced. Consequently, the beam pointing becomes a key issue. During its propagation between the ground station and a geostationary satellite, the optical beam is deflected and possibly distorted by atmospheric turbulence. It induces strong fluctuations of the detected telecom signal, thus reducing the capacity. A steering mirror using a measurement from a beam coming from the satellite is used to pre-compensate the deflection. Because of the point-ahead angle between the downlink and the uplink, the turbulence effects experienced by both beams are slightly different, inducing an error in the correction. The performance criteria is the minimum detectable irradiance 95% of the time. A fast model, named WPLOT, taking into account pointing errors and their temporal evolution, is proposed to evaluate the minimum irradiance as a function of the ground station parameters and quality of the correction. The model’s results are compared to those obtained with a more physical but requiring more computation power: TURANDOT. A sensitivity study has been realized and led to a sizing of a ground station. The model also enables the generation of time series in order to optimize the forward error correction codes in order to be compliant with the targeted capacity (1Terabit/s by 2025).

Titre de l'écran-titre (visionné le 5 janvier 2024) / Les ballons stratosphériques étant une avenue relativement nouvelle pour tester des avancées technologiques ou faire des observations astronomiques, les données sur les turbulences atmosphériques à 40 km d'altitude sont encore limitées. Une mission précurseur telle qu'HiCIBaS (High Contrast Imaging Balloon System) doit donc caractériser les turbulences et s'assurer qu'il est possible de les corriger suffisamment pour faire des observations avec une bonne qualité d'image. Cela est d'autant plus vrai que le but à long terme d'HiCIBaS est de faire de l'imagerie haut contraste pour la détection directe d'exoplanètes, ce qui exige de travailler avec peu de photons. Ce mémoire traite du design et de la validation du système optique d'HiCIBaS-II dont le but porte exclusivement sur la mesure des turbulences atmosphériques à 40 km et dont le lancement est prévu à la mi-août 2023. La charge utile de l'instrument comporte un télescope Schmidt-Cassegrain de 35 cm de diamètre, deux caméras de guidage et un analyseur de front d'onde de type Shack-Hartmann utilisé en boucle fermée avec un miroir plan collé sur un miroir piézoélectrique qui permet de corriger les erreurs de $tilt$. Les turbulences engendrant principalement du $tilt$, cette boucle fermée devrait être suffisante pour compenser les principales erreurs causées par ces perturbations, en plus de corriger les erreurs d'alignement causées par les gradients de température au sein de l'instrument et par les oscillations de la gondole. Des erreurs de conception et de fabrication mécanique ont complexifié l'alignement du banc optique et empêché l'atteinte de tous les requis. Des aberrations statiques résiduelles non négligeables se sont ainsi ajoutées dans les performances optiques finales. Bien que ce ne soit pas l'idéal, ces aberrations ont été jugées acceptables considérant la difficulté à aligner le montage et considérant que la plage dynamique du Shack-Hartmann est suffisamment grande pour aller chercher les données voulues. / The stratospheric balloons are still a new way to test technological advancements or to make astronomical observations. The data on atmospheric turbulence at 40 km are then few. A precursor mission like HiCIBaS (for High Contrast Imaging Balloon System) has to characterize this turbulence and be sure to correct it efficiently, so it is possible to make observations with a good picture quality. This is especially the case since the long-term goal of HiCIBaS is to do high contrast imaging for direct detection of exoplanets, which requires working with few photons. This master's thesis discusses HiCIBaS-II's optical system's design and validation. HiCIBaS-II's goal is limited to measuring atmospheric turbulence at 40 km. The launch is planned for mid-August 2023. The payload is composed of a Schmidt-Cassegrain telescope with a diameter of 35 cm, two guiding cameras and a Shack-Hartmann wavefront sensor used in a closed loop with a mirror on a piezoelectric motor to correct the tilt errors. Because turbulence causes mostly tilt errors, this closed loop should be sufficient to offset the main perturbations. It should also correct the alignment errors caused by thermal gradients in the instrument and the gondola oscillations. Conception and mechanical errors made the alignment of optical elements more complex and prevented the attainment of desired requirements. Some non-negligible static aberrations have then been included in the final optical performances. It is not the ideal situation, but the aberrations have still been judged acceptable considering the difficulty of aligning the assembly. It has also been judged that the Shack-Hartmann's dynamic range is large enough to pick up the desired data.

Les futurs très grands télescopes donneront la possibilité d'effectuer des observations à très Haute Résolution Angulaire, mais leur conception nécessite une connaissance précise des effets optiques de la turbulence atmosphérique sur de grandes échelles spatiales. Cette étude porte sur la validation expérimentale de la modélisation de la turbulence optique lors de l'observation astronomique à partir du sol.<br />La caractérisation des propriétés spatiales du front d'onde est effectuée à partir des grandes bases de mesure utilisées par l'interféromètres stellaire optique GI2T / REGAIN dans la perspective d'observations avec l'interféromètre VLTI / AMBER. A ces échelles, les déformations du front d'onde ne suivent pas les mêmes lois statistiques et cette étude confirme que l'amplitude des déformations spatiales du front d'onde n'augmente pas indéfiniment avec l'allongement de la base de mesure. Cette étude met en évidence la saturation des grandeurs liées aux déformations spatiales lorsque les distances considérées dépassent la valeur de l'échelle externe de cohérence spatiale du front d'onde.<br />Le GSM ("Generalized Seeing Monitor"), unique instrument dédié à la mesure de l'échelle externe, est utilisé dans une configuration étendue pour tester expérimentalement les différents modèles existants de turbulence optique lors d'observations sur le site de Calern. Une modélisation multi-couche de l'échelle externe est aussi proposée afin de rendre compte des effets optiques de la turbulence atmosphérique selon sa distribution an altitude. Les résultats de cette étude permettent de mieux dimensionner les systèmes d'optique adaptative de nouvelle génération associés aux futurs grands télescopes et interféromètres à très grandes bases.<br />Enfin, cette étude a consisté à développer l'instrument MOSP ("Monitor of Outer Scale Profile") mesurant la distribution verticale de l'échelle externe à partir de l'observation du limbe de la Lune. Plusieurs campagnes d'observation ont été effectuées aux Observatoires de Haute Provence et de Mauna Kea et les premières mesures de profils d'échelle externe sont présentées.

La modélisation de la propagation acoustique longue distance du bang sonique dans l'air nécessite de prendre en compte la complexité des phénomènes en interaction : turbulence atmosphérique, gradients de célérité du son, impédance et rugosité du sol, et propagation non-linéaire. L'évaluation des nuisances sonores, et la validation des modèles par la comparaison avec des mesures en extérieur est délicate, car les conditions atmosphériques ne peuvent être ni suffisamment contrôlées ni caractérisées de façon extensive. Une alternative est la réalisation d'expériences à l'échelle du laboratoire où le milieu de propagation, la source sonore et les récepteurs peuvent être contrôlés et caractérisés. Ce travail porte sur la propagation à travers la turbulence d'ondes dites 'en N', de forte amplitude et de courte durée, en champ libre ou en présence d'une paroi plane, avec un gradient de célérité du son causant une "zone d'ombre" près du sol. Les impulsions sonores sont expérimentalement générées par claquage électrique entre deux électrodes. La turbulence est créée par convection libre au-dessus d'une grille de résistances chauffées, et la zone d'ombre acoustique est obtenue au moyen d'une paroi cylindrique. La mesure est réalisée à l'aide de microphones 1/8".Pour l'étude de la source, une technique de strioscopie a été mise en œuvre afin de déterminer la forme d'onde. Le niveau de pression doit cependant être déterminé par une analyse complémentaire, basée sur la théorie des chocs faibles avec une forme d'onde différente de l'onde en N idéale. Un des facteurs limitant des expériences à l'échelle du laboratoire est la transposition vers une gamme ultrasonore, afin que le rapport longueur d'onde - distance de propagation reste du même ordre de grandeur que pour l'atmosphère. Constatant qu'il n'existe pas de méthode de calibration adaptée dans une gamme de fréquence de 10 kHz à 1 MHz (typique des expériences à l'échelle du laboratoire), une nouvelle méthode de calibration a été proposée et appliquée avec succès. En champ libre, la turbulence thermique cause en moyenne une atténuation du pic de pression. Des zones de focalisation aléatoire existent néanmoins, où l'amplitude de l'onde est multipliée par 3. Les répartitions statistiques du pic de pression ont été décrites avec un excellent accord par une loi de probabilité de type Gamma généralisée. La présence d'une frontière peut en outre donner lieu à des réflexions irrégulières, en raison des niveaux de pression importants. Nous avons mis en évidence ce phénomène dans l'air avec une paroi plane ou cylindrique. Pour l'étude de la propagation en zone d'ombre acoustique, un résultat important de la thèse est que, contrairement à la propagation en champ libre, la probabilité que la turbulence atténue le pic de pression en zone d'ombre est nulle. Cette observation suggère qu'avec turbulence, le mécanisme dominant de propagation est la diffusion acoustique par les structures turbulentes. Ceci aurait pour conséquence dans le cas du bang sonique l'extension de la zone d'exposition sonore sous la trace de l'avion (carpette primaire).