Bromine compounds play an important role as catalyst of the ozone destruction in both the stratosphere and troposphere. While the impact of bromine species on the chemistry of the stratosphere is known to a large extend, a number of uncertainties remain regarding the sources and sinks of atmospheric bromine as well as the chemistry and impact of bromine species on the troposphere. This work describes remote-sensing observations of bromine monoxide (BrO) derived from scattered sunlight spectra in the ultraviolet region measured by ground-based multi-axis and satellite nadir viewing instruments (GOME and GOME-2). The method of differential optical absorption spectroscopy is used to retrieve the columnar concentration of BrO along the effective light path through the atmosphere. New algorithms to derive vertical columns of BrO resolved into their stratospheric and tropospheric contributions are developed and described. For the ground-based geometry a way was found to determine independently the stratospheric and tropospheric BrO columns from the diurnal variation of the BrO measurements. For the satellite observations, the contribution of the stratospheric BrO to the measured column is estimated using an innovative stratospheric BrO climatology. This climatology is based on a state-of-the-art stratospheric chemical transport model, and explicitly accounts for the impact of atmospheric dynamics and photochemistry on the stratospheric BrO distribution. As for the tropospheric fraction of the measured total BrO column, it is derived using a residual technique accounting for the effects of clouds and surface reflectivity. Supported by an extensive set of correlative data, the results presented here allow to study properly the spatial and temporal evolution of atmospheric BrO at the global scale and enable to better assess the significance of BrO in the polar planetary boundary layer and free-troposphere as well as the contribution from very short-lived brominated sources gases to the stratospheric bromine budget. We also report on the first satellite detection of BrO in a volcanic plume, using GOME-2 measurements. Les composés bromés jouent un rôle important dans la stratosphère et la troposphère en tant que catalyseurs de la destruction d’ozone. Bien que l’impact des espèces bromées sur la chimie de la stratosphère soit largement compris, il reste de nombreuses incertitudes en ce qui concerne les sources et les pertes de brome dans l’atmosphère ainsi qu’à propos de la chimie et de l’impact des espèces bromées sur la troposphère. Le travail présenté dans ce manuscrit porte sur la télédétection du monoxyde de brome (BrO) à partir de spectres du rayonnement solaire diffusé, mesurés dans l’ultraviolet à partir d’instruments au sol de type multi-axis et satellitaires à visée nadir (GOME et GOME-2). La méthode de spectroscopie d’absorption optique différentielle est utilisée pour inverser la colonne intégrée de BrO le long du chemin optique effectif dans l’atmosphère. Nous avons développé de nouveaux algorithmes afin de dériver les colonnes verticales de BrO résolues en leurs contributions stratosphérique et troposphérique. Pour la géométrie d’observation au sol, un moyen a été trouvé pour déterminer indépendamment les colonnes de BrO stratosphérique et troposphérique, et cela à partir de la variation diurne des mesures de BrO. Pour les observations satellitaires, la contribution de la stratosphère à la colonne mesurée de BrO est estimée à partir d’une climatologie innovante de BrO stratosphérique. Cette climatologie est basée sur un modèle de pointe de la chimie et du transport de la stratosphère; par ailleurs, elle tient compte explicitement de l’impact de la dynamique atmosphérique et de la photochimie sur la distribution du BrO dans la stratosphère. La fraction troposphérique de la colonne totale mesurée de BrO est quant à elle dérivée à partir d’une technique résiduelle tenant compte des effets des nuages et de la réflectivité de la surface. Soutenus par un vaste jeu de données corrélatives, les résultats présentés dans ce travail permettent d’étudier de manière appropriée l’évolution spatiale et temporelle du BrO atmosphérique à l’échelle globale. Ces résultats permettent également de mieux estimer l’importance du BrO dans la couche limite planétaire polaire et dans la troposphère libre ainsi que la contribution des précurseurs bromés à temps de vie court sur le budget de brome dans la stratosphère. Nous présentons également la première détection satellitaire de BrO dans un panache volcanique, à l’aide de mesures effectuées avec l’instrument GOME-2.

L'abaissement de la température de fonctionnement des SOFC vers 600-750°C est un impératif incontournable pour en augmenter la durée de vie et permettre l'utilisation d'interconnecteurs moins onéreux. Cependant, ceci s'accompagne d'une incrémentation de la chute ohmique de l'électrolyte et des surtensions aux électrodes et, par conséquent, la diminution des performances électrochimiques de la pile. Différentes solutions sont à explorer : substituer l'électrolyte, diminuer la résistance de l'électrolyte usuel en réduisant son épaisseur (<5 µm) et, de toute façon, en améliorant les réactions aux interfaces par adjonction de couches minces fonctionnelles. D'une part, cette étude analyse différentes approches d'élaboration de couches minces de CeO2 et de cérine dopée, dont le rôle est avéré, notamment au niveau de l'oxydation à l'anode : le dépôt par couches atomiques, ALD (Atomic Layer Deposition), et le dépôt chimique en solution CBD (Chemical Bath Deposition) ont été explorés. D'autre part, l'exploitation d'un nouveau matériau composite (cérine dopée au gadolinium et Li2CO3-K2CO3 à l'état fondu) est analysée en tant que matériau d'électrolyte pour les SOFC. Finalement, les propriétés électrochimiques de ces électrolytes, combinés à des couches minces de cérine et de cérine dopée préparées par ALD, sont étudiées en particulier en conditions anodiques. Le but global est d'explorer le rôle des couches minces et de nouveaux électrolytes prometteurs, essentiellement dans les conditions anodiques des SOFC.

Dans le cadre du développement d'un outil numérique couplé atmosphère-océan-biogéochimie permettant de lier les processus physiques et biogéochimiques et de mieux comprendre la rétroaction entre l'océan et l'atmosphère, nous avons couplé la version unidimensionnelle du modèle atmosphérique NARCM (MLC) au modèle océanique GOTM et au modèle biogéochimique NODEM. Le but de ce travail consistait, d'une part, à développer le modèle couplé NODEM-GOTM-MLC et, d'autre part, à valider et évaluer ce modèle couplé au niveau de l'Hydrostation S en mer des Sargasses durant l'année 1992. Ceci a été réalisé tout en étudiant l'ensemble des processus physiques et biogéochimiques influençant la production du DMS océanique et la ventilation du DMS vers l'atmosphère. Pour réaliser le couplage NODEM-GOTM-MLC, la stratégie suivie consistait au développement d'une interface permettant les échanges des champs atmosphériques et océaniques nécessaires au forçage de surface. Par ailleurs, afin de valider notre modèle couplé NODEM-GOTM-MLC, nous avons comparé, d'une part, les flux d'énergie en surface simulés par le modèle avec ceux de ré-analyses NCEP et, d'autre part, le cycle annuel de la Chla et du DMS(Pp) avec les données d'observations disponibles au niveau de l'Hydrostation S pour l'année 1992. Le résultat de cette recherche montre que le modèle couplé est capable de reproduire les principaux composants du flux net d'énergie d'une manière adéquate. De plus, par comparaison avec l'ancienne version NODEM-GOTM, les simulations des cycles du DMS et du DMSPp ont été améliorées suite au couplage avec MLC. Cette nouvelle version est notamment capable de simuler les trois principaux pics du DMS présents dans les données d'observations. Cette amélioration se traduit quantitativement lors du calcul des coefficients de détermination, qui confirment que cette nouvelle version est mieux corrélée aux observations que l'ancienne. Nous avons conclu notre travail en montrant que le modèle NODEM-GOTM-MLC capte la majorité des événements locaux qui se produisent à petite échelle et à l'échelle saisonnière, en dépit du fait qu'il possède des limitations liées aux erreurs des paramétrages du modèle et à l'incapacité du modèle ID à simuler certains types d'événements. Finalement, cette étude montre qu'une meilleure simulation de tous les composants du système climatique améliore la production du DMS océanique qui sera ventilé vers l'atmosphère. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : couplage, échanges atmosphère-océan-biogéochimique, DMS, NODEM-GOTM-MLC, version ID de NARCM

Une hausse de la moyenne globale de la température est attendue d'ici la fin du siècle. Ce changement aura des conséquences sur le cycle de l'eau. L'humidité du sol fait partie de ce cycle et pourrait être modifiée au cours des prochaines années. Certaines régions dépendent, dans une certaine mesure, de la quantité d'eau dans le sol pendant la saison estivale plus particulièrement. Les régions où cette dépendance est présente pourraient migrer en réponse à la hausse de la température et de la modification du cycle de l'eau. À l'aide du MRCC et du schéma de surface intégré (CLASS), l'évaluation de la représentation de la quantité d'eau dans le sol sera comparée avec les observations et les évaluations qualitatives d'estimation de l'humidité du sol afin de déterminer si le modèle définit bien cette mesure. Le changement appréhendé de l'humidité du sol pour les périodes futures sera évalué. La migration possible des zones de couplage sol-atmosphère sera estimée à l'aide de différents outils disponibles. L'utilisation d'un modèle régional (MRC) va permettre de représenter l'humidité du sol et les autres champs météorologiques avec une plus haute résolution. La majorité des études effectuées sur le sujet proviennent de modèles de circulation générale (MCG) et l'utilisation d'un MRC pourra amener une meilleure perspective. Les résultats de l'évaluation de l'humidité du sol démontrent certaines lacunes dans le cycle annuel surtout vers la fin de l'été et à l'automne. La représentation de la 3e et dernière couche comporte un biais important face aux observations. Dans l'ensemble, les tendances sont assez bien respectées, par contre, certaines différences existent au niveau de l'intensité des événements extrêmes. Au niveau du changement appréhendé de l'humidité du sol, certains résultats des autres études concordent avec ceux obtenus dans le cadre de celle-ci. Une diminution de la quantité d'eau dans le sol pour les régions subtropicales de l'Amérique du Nord est attendue. Pour les latitudes moyennes, une augmentation durant l'hiver et une baisse durant l'été sont appréhendées. Au niveau des hautes latitudes, les autres études ne s'entendent pas exactement sur le sens du changement. Dans cette recherche, la fonte du pergélisol semble un élément important particulièrement pour la couche la plus profonde. En effet, le ruissellement est important en raison du type de sol présent qui joue un rôle prépondérant dans les résultats obtenus. Les différents outils utilisés afin d'évaluer le changement au niveau de l'intensité du couplage sol-atmosphère indiquent la possibilité d'une migration vers le nord-est des États-Unis, le centre-nord des États-Unis, les Prairies canadiennes et, à la limite, le sud-est du Canada pendant la saison estivale d'ici la fin du siècle. En effet, le déplacement des zones de corrélation positive entre l'évaporation et l'humidité du sol de la première couche vers le nord et l'est de l'Amérique du Nord est un élément qui laisse envisager cette possibilité. L'augmentation de la variabilité de l'évaporation et de la température pour le nord-est des États-Unis et les Prairies canadiennes est un autre élément qui joue un rôle vers la modification des zones où le couplage est important. Des distributions journalières ayant deux modes ont été obtenues dans des bassins versants qui se situent dans des régions de couplage ou qui pourraient s'y retrouver au cours des prochaines années. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : modèle régional du climat, cycle de l'eau, humidité du sol, changements appréhendés, couplage sol-atmosphère

Le mercure est un métal toxique émis dans l'environnement par des sources naturelles et anthropiques, et se retrouve dans l'atmosphère majoritairement sous forme élémentaire gazeuse (Hg°). Le cycle naturel de ce polluant a été durablement perturbé par l'Homme, et l'importance de ces perturbations est mal caractérisée à ce jour. L'air des névés polaires contient un enregistrement de la composition passée de l'atmosphère qui n'a jamais été utilisé pour l'étude du cycle du mercure. En 2005 et 2006 à Summit, Groenland Central, nous avons observé une réactivité chimique du mercure dans les trois premiers mètres de neige de surface, se traduisant par des variations journalière et saisonnière des concentrations en Hg° dans l'air interstitiel. Cependant, nous avons montré que ces processus n'affectaient pas l'enregistrement atmosphérique contenu dans le névé profond. Nous avons mesuré les concentrations en mercure élémentaire gazeux dans l'air du névé entre 15 et 79,5 mètres de profondeur, et avons pu établir la fonction de transfert pour Hg° au site de Summit. Cette dernière à alors été utilisée pour reconstruire les concentrations passées de l'atmosphère de Hg° aux moyenne et hautes latitudes nord depuis 1950. Le signal reconstruit montre un maximum à ~3 ng.m-3 en ~1970, et reproduit la stabilité des concentrations observées depuis 1995. Notre modèle met en évidence l'influence forte des émissions humaines sur le contenu en mercure de l'atmosphère. Le puits chimique atmosphérique de Hg° est très actif et permet de fait un transfert rapide du mercure depuis le réservoir atmosphérique vers les réservoirs océaniques et continentaux. Déposé sous formes divalentes, il devient alors disponible pour la méthylation et postérieurement la contamination des écosystèmes.

En un peu plus d'une dizaine d'années, plusieurs centaines de planètes ont été découvertes en orbite autour d'étoiles autres que le Soleil. Cependant, en-dehors de leurs masses, peu de choses sont connues sur la nature de ces exoplanètes. Aujourd'hui, nous pouvons commencer à les caractériser plus précisément : à mesurer leurs tailles et, par conséquent, à estimer leurs densités moyennes et esquisser les grandes lignes de leurs structures internes ; à déterminer la présence d'une atmosphère et la composition de celle-ci. Dans cette thèse, nous associons des observations obtenues par différentes techniques à des modèles théoriques pour brosser le portrait d'exoplanètes très différentes. En comparant des observations du télescope spatial Spitzer, dont nous détaillons l'analyse, à un modèle atmosphérique prédictif, nous recherchons de la vapeur d'eau dans l'atmosphère du Jupiter chaud en transit HD189733b. Nous obtenons également des mesures précises des rayons planétaires et stellaires ainsi que du paramètre d'impact à 3,6 et 5,8 microns. Puis, nous utilisons des modèles de structures internes et de disques protoplanétaires pour contraindre la nature d'OGLE2005-BLG-390Lb, une petite planète froide détectée par microlentille gravitationnelle. Nous montrons qu'un océan subglaciaire a pu exister sur cette planète désormais gelée, et étudions la composition possible de la glace. Nous avançons que ces propriétés pourraient être partagées par de nombreuses autres planètes dans la Galaxie. Enfin, nous utilisons un modèle de transmission au limbe pour réaliser des spectres théoriques de planètes de taille terrestre en transit, et concluons que des planètes-océans autour de petites étoiles seraient les cibles les plus adéquates pour une future mission spatiale de caractérisation d'exoplanètes.

La modélisation photochimique reste un outil essentiel pour la compréhension des mécanismes se déroulant dans l'atmosphère de Titan. Comme dans toute autre démarche scientifique, pour assurer la pertinence des représentations théoriques, il est ainsi très important d'évaluer la précision sur la formulation des processus physico-chimiques évoqués et d'étudier leur sensibilité aux incertitudes expérimentales, souvent peu négligeables, attachées aux paramètres photochimiques implémentés. Bien que fréquemment abordées dans la littérature, les études de sensibilités classiques, faisant varier chacun de ces paramètres indépendamment les uns des autres, sont peu pertinentes dans le mesure où elles ne reposent jamais sur des représentations correctes des non-linéarités inhérentes à de tels modèles.<br />L'objectif de ce travail de thèse est ainsi de développer des modèles aux dimensions réduites (0D et 1D) de l'atmosphère neutre de Titan en estimant pour la première fois l'impact global sur les résultats théoriques des incertitudes des différents processus photochimiques dictant son évolution. Nous nous appuyons d'abord sur une revue exhaustive des incertitudes existantes sur les paramètres photochimiques inclus dans un tel modèle de l'atmosphère de Titan, puis sur un traitement adéquat des non-linéarités à travers l'application d'une méthode de Monte-Carlo. Nous en déduisons une représentation théorique originale de la précision attachée aux modèles théoriques de cette atmosphère permettant d'une part des analyses pertinentes de propagation des incertitudes sur différents paramètres expérimentaux, et d'autre part des interprétations théoriques et observationnelles plus réalistes.

Depuis la découverte en 1983 par Allen et Crawford de l'émission infrarouge nocturne de Vénus observable dans quelques fenêtres spectrales, son origine et son intérêt scientifique a été amplement démontrée. L'opacité du dioxyde de carbone est en effet suffisamment basse dans certaines fenêtres spectrales étroites pour permettre au rayonnement thermique issu des couches profondes (de 25 à 40 kilomètres d'altitude) et chaudes (400-500 K) de l'atmosphère de la planète de parvenir jusqu'à un observateur. Ces émissions, et en particulier celles situées dans la fenêtre spectrale située entre 2,2 et 2,5 µm, fournissent un moyen unique d'étudier la partie de l'atmosphère de Vénus située sous les épaisses couches nuageuses, en particulier sa composition grâce à la présence de bandes d'absorption de composés mineurs dont les profils verticaux moyens ont pu être mesurées, tels que CO, OCS, H2O ou encore SO2. L'étude des variations locales de ces composés mineurs est riche d'enseignements potentiels, tant sur le plan de la dynamique atmosphérique profonde que sur celui de la compréhension de la chimie de l'atmosphère - notamment du cycle du soufre - ou même de la possible activité géologique de la planète (par détection des émission de vapeur d'eau en provenance de volcans).<br />Le début de la mission spatiale Venus Express, première mission spatiale dédiée à cette planète depuis la découverte de l'émission infrarouge nocturne, et notamment les données attendues du spectro-imageur VIRTIS ont donc motivé un travail préparatoire qui a fait l'objet de cette thèse. Grâce à l'acquisition de spectres obtenus avec le spectro-imageur SpeX à l'Infrared Telescope Facility d'Hawaii, nous avons disposé de données analogues à celles attendues de la part de l'instrument VIRTIS-H sur le plan de la résolution spectrale (R ~ 2000). Ces observations furent menées au cours de trois campagnes<br />lors des périodes de quadrature favorables à l'observation de Vénus, en février 2003, août 2004 et novembre 2005. Par la suite, grâce au modèle numérique de transfert radiatif développé par Bruno Bézard et simulant les spectres de l'émission nocturne de Vénus, nous avons développé des algorithmes permettant d'associer rapidement à un spectre donné divers paramètres atmosphériques compatibles avec les observations (abondances et gradients verticaux d'espèces minoritaires à une altitude donnée, rapport isotopique de la vapeur d'eau, opacité nuageuse inférieure).<br />Nous présentons ensuite les résultats obtenus, parmi lesquels la confirmation de l'enrichissement déjà soupçonné en monoxyde de carbone aux moyennes et hautes latitudes. Des variations anti-corrélées du sulfure de carbonyle ont également été détectées. Une variabilité associée des gradients verticaux de ces deux espèces a pu aussi être mesurée. Ces résultats ont en outre reçu une interprétation dynamique qualitative, basée sur la circulation verticale générale de l'atmosphère. De nouvelles contraintes plus précises concernant l'abondance globale en vapeur d'eau et son rapport isotopique ont également pu être dérivées.<br />Enfin, la dernière partie de ce mémoire porte sur l'analyse par des méthodes semblables des premières données issues de l'instrument VIRTIS, montrant ainsi l'applicabilité de nos méthodes et confirmant certains des résultats obtenus précédemment, ainsi que sur les perspectives futures, conciliant études spectroscopiques des composés mineurs et interprétation dynamique de leurs variations grâce aux modèles de circulation générale.

L'origine, la distribution et l'évolution des molécules organiques et de la vie sont les principaux sujets d'un domaine scientifique récent appelé astrobiologie. Un sous-thème intéressant de ce vaste domaine est l'identification des composés organiques et des processus chimiques et physiques dans des lieux autres que la Terre. Un objet particulièrement intéressant de ce point de vue est Titan, la plus grosse lune de Saturne et la seule dans le système solaire pour laquelle on observe la présence d'une épaisse atmosphère composée d'azote et méthane (N2 et CH4), et ayant toutes les caractéristiques d'une atmosphère planétaire. Cette atmosphère est depuis longtemps connue pour être riche en composés organiques présentant un grand intérêt pour l'astrobiologie. La mission Cassini-Huygens (NASA-ESA-ASI) a été conçue pour explorer le système saturnien, avec un intérêt particulier pour Titan. Les instruments de Cassini fournissent de grandes quantités d'informations sur l'atmosphère depuis 2004. Ainsi, les données du Spectromètre de Masse d'Ions et de Molécules Neutres (INMS) et du Spectromètre de Plasma de Cassini(CPS) ont montré l'existence de molécules organiques neutres lourdes (jusqu'à 7 atomes de carbone) et des ions lourds (jusqu'à 13000 Da) dans la thermosphère. Les observations effectuées tout au long de la mission ont par ailleurs montré une variabilité atmosphérique complexe en fonction de nombreuses variables comme, entre autres, l'activité solaire ou les interactions avec la magnétosphère de Saturne. Les molécules organiques dans l'atmosphère donnent lieu à une chimie complexe et conduit à la formation d'aérosols organiques dans les couches stratosphériques inférieures. Ces aérosols précipitent à la surface de Titan où ils continuent leur évolution chimique. C'est une des caractéristiques qui font de Titan un objet intéressant du point de vue astrobiologique

Le Système de Surveillance International (SSI), destiné à vérifier l'application du Traité d'Interdiction Complète des Essais Nucléaire (TICE), est constitué de quatre réseaux de stations : sismologiques, hydroacoustiques, radionucléides et microbarométriques. Ces dernières enregistrent en continu les ondes infrasonores dans la bande de fréquence 0.02-4 Hz. Ces ondes se propagent dans l'atmosphère sur de longues distances à travers les guides résultant de la stratification naturelle des propriétés atmosphériques (température, densité, vents, ...) et représentent une source d'information pour comprendre la dynamique atmosphérique jusque dans la basse thermosphère. L'objectif de cette thèse est d'analyser dans quelle mesure les observations infrasonores peuvent être assimilées dans les modèles atmosphériques.Nous commençons par décrire l'atmosphère et ses mécanismes de circulation ainsi que les différentes techniques d'observations utilisées pour le développement des modèles atmosphériques. L'analyse descriptive de l'interaction des ondes infrasonores avec l'atmosphère permet de mettre en évidence l'intérêt des mesures infrasonores par rapport aux méthodes de mesures conventionnelles. Afin de rendre compte de ce potentiel nous développons un algorithme d'inversion afin d'estimer des paramètres atmosphériques dont le problème direct est traité par une méthode de tracé de rayons. Le développement des formes perturbatives des équations des rayons pour des perturbations du milieu de propagation, et plus particulièrement des paramètres de vents, est décrit en détail. Nous formulons et analysons le problème inverse au travers de différents cas d'études synthétiques visant à mettre en évidence les conditions d'applications de l'algorithme.Les résultats obtenus témoignent de la pertinence de notre approche et montre que l'apport des observations infrasonores peut-être significatif au niveau des altitudes de réfraction de l'énergie acoustique, c'est-à-dire à environ 50 km et entre 100 et 120 km d'altitude.