L'atmosphère moyenne de la Terre est un laboratoire naturel pour les études de la dynamique géophysique des fluides et de l'optique pour la mesure des gaz. Les recherches dans cette région ont longtemps été limitées par le manque d'observations à long terme susceptibles de couvrir l'ensemble de la région, de la troposphère à la haute mésosphère et à la thermosphère inférieure. Les dernières décennies ont vu la construction de nombreux observatoires au sol et le lancement d'instruments par satellite dans le but de fournir les mesures nécessaires pour comprendre la chimie, la dynamique et les changements climatiques à long terme de l'atmosphère moyenne. La télédétection atmosphérique, tant au sol que dans l’espace, présente des avantages et des inconvénients évidents. Les premiers étant capables de fournir des mesures bien calibrées et à haute résolution sur un seul site et les derniers permettant une couverture globale au prix de la résolution et d'un certain degré de certitude lors de l'étalonnage. Pour ce travail, nous utilisons des mesures de température obtenues à l'aide d'une technique de télédétection au sol basée sur le lidar à diffusion de Rayleigh et nous effectuons des comparaisons systématiques avec les profils de température générés à l'aide de trois instruments de télédétection passif basés sur des satellites: Sondeur Micro-onde sur satellite Aura (MLS). Sondage de l'atmosphère par radiométrie des émissions à large bande (SABER) et surveillance mondiale de l'ozone par occultation d'étoiles (GOMOS).Ce manuscrit a trois résultats principaux: 1a) Résultats de plusieurs améliorations de l’algorithme de la température lidar, qui ont permis de corriger un bias froid sur les températures mésosphériques jusqu’à 20 K à 90 km. 1b) Meilleur accord entre les températures du lidar et les profils de température SABER et MLS entre 70 km et 90 km. 1c) Une validation croisée entre les températures d’un lidar de température de Rayleigh et d’un lidar d’ozone co-localisés, qui donne confiance en la stabilité de la technique du lidar et justifie l’utilisation de la température par lidar comme base de données de référence pour la validation par satellite. 2a) Présentation d’une comparaison décennale entre les températures lidar validées et les températures produites par SABER et MLS. 2b) Nous montrons un biais froid dans les mesures satellitaires par rapport au lidar (-6 K pour SABER et -17 K pour MLS) dans la région de stratopause, un biais chaud (6 K près de 60 km) dans la mésosphère d’été, et un biais structuré verticalement pour MLS (-4 à 4 K) qui couvre la moyenne atmosphère. 2c) Nous réduisons l'ampleur du biais en dècallant verticalement la hauteur de la stratopause satellite et constatons une amélioration de la comparaison de température lidar-satellite qui en résulte. Ce résultat a des implications importantes pour la notification des températures des satellites en fonction de la hauteur géopotentielle. 3a) La comparaison des profils de température lidar avec la nouvelle base de données de température GOMOS montre que les altitudes géométriques des satellites peuvent être mieux estimées par les techniques d'occultaion que par l'inférence des niveaux de pression à partir des données radiométriques 3b) de l'effet des marées sur les comparaisons de température entre lidar et satellite lorsque Le passage supérieur du satellite est décalé dans le temps par rapport à la mesure lidar et peut être de l'ordre de 2 à 4 K en fonction de la phase de l'heure solaire. / The Earth's middle atmosphere is a pristine natural laboratory for the study of geophysical fluid dynamics and optics in neutral gasses. Research in this region has long been limited by a lack of long-term observations which are capable of covering the entire region from the troposphere to the upper mesosphere and lower thermosphere. Past decades have seen the construction of many ground based observatories and launches of satellite based instruments in an effort to provide the measurements needed to understand the chemistry, dynamics, and long-term climactic changes in the middle atmosphere. Both ground-based and space-based atmospheric remote sensing have clear strengths as well as limitations; the former being able to provide high resolution, well calibrated measurements at a single site and the latter allowing for global coverage at the cost of resolution and some degree of certainty in calibration. For this work we are using temperature measurements produced from a Rayleigh-scatter lidar ground-based remote sensing technique and making systematic comparisons to temperature profiles produced from three passive scanning satellite-based remote sensing instruments: Microwave Limb Sounder on the Aura satellite (MLS), Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry (SABER), and Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars (GOMOS).This manuscript has three main results: 1a) Results of several improvements to the lidar temperature algorithm resulting in a cooling of the mesospheric temperatures by up to 20 K at 90 km. 1b) Better agreement between the cooled lidar temperatures and temperature profiles from SABER and MLS between 70 km and 90 km. 1c) A cross-validation between temperatures from a co-located Rayleigh temperature lidar and ozone lidar which provides confidence in the stability of the lidar technique and justification for the use of lidar temperatures as a reference database for satellite validation. 2a) Presentation of a decadal comparison between the validated lidar temperatures and the temperatures produced by SABER and MLS. 2b) We show a cold bias in the satellite measurements with respect to the lidar (-6 K for SABER and -17 K for MLS) in the stratopause region, a warm bias (6 K near 60 km) in the summer mesosphere, and a vertically structured bias for MLS (-4 to 4 K) which spans the middle atmosphere. 2c) We reduce the magnitude of the bias by vertically shifting the height of the satellite stratopause and see an improvement in the resulting lidar-satellite temperature comparison. This result has important implications for the reporting of satellite temperatures as a function of geopotential height. 3a) Comparison of lidar temperature profiles with the newly created GOMOS temperature data base shows that satellite geometric altitudes can be better estimated by occultaion techniques than by inference of pressure levels from radiometric data 3b) The effect of tides on lidar to satellite temperature comparisons when the satellite overpass is temporally offset from the lidar measurement can be on the order of 2 to 4 K depending on the phase of the solar hour.

L'objectif principal de ce travail était d'étudier la variabilité spatiale des mouvements de gaz dans le sol. Trois sous-objectifs ont été complétés: 1) le développement d'une méthodologie pour la mesure de la concentration des gaz dans le sol, 2) l'étude de la variabilité spatiale de la diffusion des gaz dans le sol à l' échelle de monolithes et, 3) l'étude de la variabilité spatiales des émissions de CO₂ à différentes échelles en lien avec plusieurs paramètres physico-chimiques du sol. Pour répondre au premier sous-objectif, plusieurs aspects méthodologiques ont donc été développés. 1) Une méthode d'analyse des gaz (C0₂, N₂0, CH₄ et O₂) a été mise au point sur un appareil portable de chromatographie en phase gazeuse. 2) Des tests de cinétiques 'et d' isothermes de sorption ont été réalisés afin de sélectionner le bouchon de fioles d' échantillonnage le plus adéquat pour l' entreposage des échantillons de gaz. 3) Des courbes de calibration ont été développées pour relier la teneur en eau volumique à la constante diélectrique d'un sol organique à l'aide de la réflectométrie temporelle. La teneur en eau étant nécessaire pour le calcul de la teneur en air du sol, important pour le mouvement de gaz. Les résultats associés au deuxième sous-objectif ont montré que 1) la variabilité des coefficients de diffusion relatifs des gaz dans le sol (Ds/Do) était très élevée avec des coefficients de variation atteignant jusqu'à 125 % dans un sable loameux et 56 % dans un sol organique; 2) la méthode de calcul de Ds/Do, la position des sondes à gaz et les processus d'échantillonnage de gaz dans le profil de sol ont influencé la variabilité apparente de Ds/Do; et 3) "la porosité du sol ainsi que sa teneur en air ont influencé la variabilité de Ds/Do. Ces paramètres à eux seuls n' ont pas permis d'expliquer l'ensemble des variations observées. D'autres facteurs tel que la macroporosité du sol (fissures, galeries de vers de terre) doivent être pris en compte. Les résultats associés au troisième sous-objectif, complété avec l'analyse de la variabilité spatiale multi-échelles multi-variée réalisée à partir de la méthode CRAD, ont montré 1) l'importance d'analyser les relations entre les émissions de CO₂ et les paramètres physico-chimiques à différentes échelles (non-spatiale et spatiales à grande et petite échelles), 2) les corrélations spatiales sont plus fortes lorsque la variable est analysée aux différentes échelles que lorsqu'elle est analysée avec sa distribution totale, 3) les paramètres physico-chimiques du sol les mieux corrélés aux émissions de CO₂ aux différentes échelles sont ceux en lien avec les paramètres gazeux du sol soit, les concentrations en O₂ et CO₂, Ds/Do et, la teneur en air du sol, 4) les paramètres physicochimiques du sol mesurés en profondeur (0.30 m) semblent présenter des corrélations plus fortes que les paramètres du sol mesurés en surface (0.15 m) et 5) seule une portion de la variation des flux de CO₂ semble explicable par la variation des paramètres physico-chimiques du sol aux différentes échelles et . donc, d'autres paramètres nonmesurés comme la macroporosité auraient des impacts importants sur la variabilité des émissions. L'ensemble des résultats de cette étude montre que la variabilité spatiale des paramètres physico-chimiques des sols, notamment ceux en lien avec les paramètres gazeux du sol, influence la variabilité spatiale des mouvements de gaz dans le sol et des émissions vers l'atmosphère. Cependant, les relations sont complexes et dépendantes de l'échelle d'analyse.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Les modèles terrestres (« Earth system model » ou ESM) sont des outils mathématiques permettant la prévision du climat. L'une des composantes de ces modèles est le modèle de la surface terrestre, qui comprend les échanges d'eau, d'énergie, de quantité de mouvement et de gaz entre la surface de la Terre et l'atmosphère. Les travaux effectués dans le cadre de ce projet ont été réalisés dans le but éventuel d'améliorer la capacité des ESM à prévoir et à comprendre le climat. Le sujet a été étudié sous deux angles, soit un angle d'ingénierie et de physique environnementale. Le premier projet présenté porte sur la calibration de capteurs de gaz de CH₄ à faible coût dans le but d'évaluer leur potentiel à remplacer des instruments plus performants, mais beaucoup plus dispendieux pour la quantification des flux de CH₄ naturels. Les résultats appuient d'autres groupes ayant travaillé sur les mêmes capteurs, et démontrent qu'ils peuvent être utilisés à cet effet. Ces mesures de flux sont utilisées pour calibrer et tester les modèles de la surface terrestre. Le second projet améliore la capacité des modèles climatiques à modéliser les flux d'eau dans les plantes, afin de mieux représenter le flux de transpiration. Le nouveau modèle a été testé et permettra de bien modéliser les flux d'eau dans la végétation pour les modèles de la surface terrestre. / Earth system models (ESMs) are mathematical tools for predicting climate. One of the components of these models is the land surface model, which represents the exchange of water, energy, momentum and gases between the Earth's surface and the atmosphere. The overarching goal of this project is improving the ability of ESMs to predict and understand climate. The problem has been studied from engineering and environmental physics perspectives. The first project presented focuses on the calibration of low-cost CH₄ gas sensors, and evaluates their potential to replace more precise but highly expensive instruments for the quantification of natural CH₄ fluxes. The results demonstrate that they can be used for this purpose, in support of the conclusions of other groups who have worked on the same sensors. In the context of improving ESM predictability, the flux measurements can be used to calibrate and test land surface models. The second project improves the ability of land models to represent water fluxes in plants so as to better model the transpiration flux. The new model was tested and shows promise as a new and improved plant hydraulics land model component.

L'objectif de la thèse consiste à mettre en place un système couplé océan-glace de mer pour simuler le climat dans les hautes latitudes

La Mousson Indienne d'été (ISM) et l'Oscillation Australe El Niño (ENSO) sont parmi les phénomènes climatiques les plus énergétiques et importants de la planète. Bien qu'ils soient localisés dans la région tropicale Indo-Pacifique, ces deux phénomènes peuvent avoir des répercussions climatiques à l'échelle globale via les téléconnections atmosphériques. Cette thèse vise à améliorer notre compréhension et la prévisibilité interannuelle d'ENSO et de l'ISM, en analysant leurs téléconnections grandes échelles, et en déterminant le rôle, dans cette prévisibilité, des modes majeurs de variabilité interannuelle observés dans les régions tropicales et extratropicales de l'Indo-Pacifique. A partir de diagnostiques statistiques d'observations sur les périodes 1950-1976 et 1979 2007, et d'expériences de sensibilité réalisées à l'aide du modèle couplé SINTEX F, nous montrons l'importance des latitudes tempérées dans la prévisibilité du système ENSO-mousson. Des précurseurs robustes des évènements ENSO et ISM sont identifiés dans les régions du Pacific Nord et de l'Océan Indien Sud pendant l'hiver boréal précédent, apportant ainsi de la prévisibilité plus tôt que leurs traditionnels précurseurs tropicaux. De plus, cette prévisibilité de la mousson d'été est accrue pour les pluies en fin de saison (Août- Septembre). Cette deuxième partie de la saison de mousson se caractérise également par l'émergence de processus couplés océan-atmosphère dans l'Océan Indien, pouvant contrecarrer l'effet d'ENSO sur la mousson. Une amplification de ces rétroactions locales pourrait expliquer l'affaiblissement de la relation ENSO-mousson observé lors des dernières décennies.

La thermoluminescence est une technique de caractérisation des défauts ponctuels qui apparaissent dans un solide lors de son élaboration. Les paramètres de synthèse de l'alumine alpha considérés dans cette étude sont l'atmosphère de calcination (oxydante ou réductrice) et les différents dopants : Zirconium, thorium, calcium et cérium. L'objectif de ce travail est de relier les défauts ponctuels à la réactivité de la poudre, en particulier son frittage. Les mécanismes de TL du pic dosimétrique de l'alumine alpha, situé à 200°C, ont été clarifiés : Le défaut piège est une association de 2 défauts du type Schottky (V_Al-V₀), et le centre de recombinaison est le Cr³⁺. L'effet sensibilisateur du thorium, ou du cérium sous atmosphère réductrice, est expliqué par la présence d'une large bande d'émission bleue-verte. Le chrome est l'impureté principale à l'origine du pic E' (360°C) de l'alumine alpha. Il intervient comme défaut piège et comme centre de recombinaison. Un mécanisme de transfert d'énergie entre le Cr³⁺ et le Ti⁴⁺ est également proposé pour expliquer l'augmentation du signal de TL du pic E' lors du dopage par un cation tétravalent. Dans le cas du dopage par le calcium, la TL a permis de révéler la présence de la phase CaAl₁₂O₁₉. Un phénomène d'extinction par concentration a été observé sur les alumines dopées calcium ou dopées cérium et préparées sous atmosphère réductrice. Ce phénomène est expliqué par une teneur élevée en lacunes d'oxygène (Ca) et par la présence de Ce³⁺. Les alumines calcinées sous atmosphère réductrice présentent une cinétique de frittage perturbée, ainsi qu'un grossissement anormal des grains pour les alumines dopées. Cette cinétique irrégulière s'explique par une diminution de la concentration en lacunes d'aluminium sous atmosphère réductrice, ce qui augmente indirectement la ségrégation du Si⁴⁺ aux joints de grains, et conduit à l'apparition d'une phase liquide à la surface des grains. Ce phénomène est amplifié lors du dopage par le calcium.

Le but principal de cette thèse était de réaliser une simulation du climat du 21e siècle, en tenant compte non seulement des émissions de gaz à effet de serre et d'aérosols produites par l'activité humaine, mais aussi des changements de végétation résultant du développement démographique et économique et des rétroactions climatiques. Pour réaliser cette simulation, il a été décidé d'utiliser le modèle d'impact intégré IMAGE2.2 (développé au RIVM, en Hollande) qui simule l'évolution de la concentration des gaz à effet de serre et de la végétation, et de le coupler au modèle climatique de circulation générale ARPEGE/OPA, disponible au CNRM. Avant de réaliser la simulation, des expériences de sensibilité de chacun des deux modèles au forçage produit par l'autre ont été réalisées. Finalement, la simulation couplée a montré qu'à l'échelle du siècle les interactions entre le climat et la végétation sont relativement peu importantes.

Le travail présenté porte sur l'étude des échanges d'énergie et de matière, au travers du bilan thermique net à la surface océanique, dans une région de l'océan Atlantique nord. Le flux ondes courtes, terme prépondérant de ce bilan, est déterminé grâce à la méthode Heliosat adaptée aux données de basse résolution spatiale du satellite METEOSAT-4. A méso-échelle, sur une base horaire, nous mettons en relief la grande variabilité du flux solaire à la surface. Les résultats de comparaison avec des mesures in situ sur notre zone d'étude sont satisfaisants. Nous estimons les performances de huit formulations semi-empiriques usuelles sur la restitution du flux ondes longues net en utilisant des moyennes mensuelles climatologiques ou des mesures in situ des paramètres surfaciques. Nous testons ensuite une méthode développée pour l'utilisation de données satellitaires. Mais la validation de ce modèle sur notre zone d'étude s'avère plus mauvaise que l'utilisation de simples relations semi-empiriques. Nous évaluons qualitativement et quantitativement l'impact de l'ennuagement sur les flux radiatifs en réalisant une classification des types de ciels selon la nébulosité totale. Nous réalisons ensuite des moyennes climatologiques des flux de surface étudiés afin d'en déduire le bilan thermique net sur notre zone d'étude et nous analysons ses variations zonales pour les mois de septembre et d'octobre. Dans une dernière partie, nous nous focalisons sur l'observation in situ de trois situations météorologiques particulières afin d'estimer l'impact de la variabilité spatio-temporelle pour la restitution de ce bilan. Des variations significatives des flux estimés sont mises en évidence en fonction d'échelles de temps variable ainsi qu'en fonction des méthodes de sous-échantillonnage spatial utilisées pour la construction des images satellitaires.

Mon travail de thèse se place dans le contexte dynamique de la détection directe des compagnons de faible masse (naines brunes, planètes extrasolaires) dans le but de caractériser leurs propriétés physiques et chimiques et de comprendre leurs mécanismes de formation et d'évolution. Cette recherche requiert l'emploi de techniques d'observations à haut contraste et à haute résolution angulaire pour résoudre l'environnement proche des étoiles et ne pas être limité par leur flux. Dans ce cadre, j'ai eu la chance de participer à des campagnes d'observations pour tenter de détecter de nouvelles sources. J'ai élaboré un ensemble d'outils de traitement et d'analyse des données pour extraire les spectres et les flux des objets dans des bandes photométriques. Enfin, j'ai utilisé ces informations pour étudier les propriétés physiques (rayon, masse, âge) et atmosphériques (composition, température effective, gravité de surface) de ces objets. La première partie de ce manuscrit se focalise sur la détection par imagerie des compagnons de faible masse jeunes (< 100 millions d'années). Je décris un ensemble d'outils de réduction et d'analyse, spécifiques à la technique d'imagerie angulaire différentielle, que j'ai mis en place. Ces outils ont été utilisés sur des données provenant de l'instrument NaCo situé au Very Large Telescope (Chili). Ils ont permis de re-détecter la planète extrasolaire β Pictoris b. Ce compagnon est le plus proche de son étoile de toutes les exoplanètes détectées directement. Cette découverte fournit la preuve directe que des planètes géantes se forment en moins de 12 millions d'années à l'intérieur de disques. Je présente enfin l'analyse complémentaire que j'ai mené pour initier la caractérisation de cet objet particulier. Le second volet de mon travail, présenté dans la deuxième partie du manuscrit, est axé sur la détermination des propriétés spectroscopiques dans le proche infrarouge (1.1-2.5 µm) des objets de faible masse jeunes. Ce travail à débuté par l'optimisation et le développement d'outils de traitement et d'analyse des données du spectrographe intégral de champ SINFONI assisté par optique adaptative. Les efforts déployés ont permis d'analyser le spectre du compagnon naine brune/exoplanète AB Pic b. Ce travail s'est poursuivi par la construction d'une bibliothèque de spectres d'objets jeunes. Cette bibliothèque fournie un ensemble de spectres de référence pour l'étude des compagnons détectés. Elle apporte des contraintes inédites sur les dernières générations de modèles d'atmosphère froids. Enfin, j'ai tiré parti de l'expérience acquise sur les instruments NaCo et SINFONI pour caractériser le système binaire TWA 22AB qui pourrait calibrer les modèles d'évolution des objets de faible masse.

Les nuages noctulescents, également appelés nuages mésosphériques polaires (PMC) lorsqu'ils sont observés depuis l'espace, sont la manifestation visible de petits cristaux de glace d'eau pré- sents en permanence dans la région de la mésopause, l'été à hautes latitudes. Il s'agit de l'endroit le plus froid que l'on peut trouver sur Terre. En raison de l'extraordinaire altitude à laquelle ils se forment (∼83 km), à la frontière de l'espace, ils illuminent le ciel nocturne après le coucher du Soleil. De plus, leur grande sensibilité aux changements subis par leur environnement fait de ces nuages d'excellents traceurs des processus dynamiques et chimiques complexes qui contrôlent la mésosphère. GOMOS est un instrument dont le fonctionnement est basé sur la technique de l'occultation stellaire. Il est constitué de 4 spectromètres qui opèrent sur un large domaine spec- tral (UV-vis-proche IR), et de 2 photomètres à haute fréquence d'échantillonnage (470-520nm et 650-700nm). Lors des observations de jour, en plus de la lumière de l'étoile, GOMOS mesure aussi la lumière solaire diffusée par les molécules de l'atmosphère. L'été, au-dessus des pôles, les PMC peuvent être détectés de manière précise à partir du signal enregistré par les photomètres. L'orbite héliosynchrone d'ENVISAT permet de les observer dans les deux hémisphères. Les principales pro- priétés de ces nuages (fréquence d'occurrence, altitude, luminance) ont ainsi pu être déterminées. De plus, leur observation avec les spectromètres permet de connaître la dépendance spectrale des particules qui les constituent, à partir de laquelle il est possible de déterminer leur rayon. Une climatologie complète de tous ces paramètres a été établie tout au long de 8 années de mesure, de 2002 à 2010.