Le rayonnement atmosphérique appelé nightglow est un phénomène se produisant à haute altitude (environ 90 km). Il consiste en l’émission d’un rayonnement suite à la désexcitation de certaines molécules et atomes (OH, Na, O2 et O). Il se répartit sur une large gamme spectrale, en particulier dans l’infrarouge et se propage jusqu’au niveau du sol. Le rayonnement nightglow constitue un marqueur important pour la haute atmosphère, permettant de remonter à la température, mais également à de nombreux phénomènes dynamiques comme les marées atmosphériques ou les ondes de gravité. Sa propagation au niveau du sol permet l’éclairage de scène terrestre et ainsi la vision nocturne à l’aide de caméras proche infrarouge. Afin de mieux connaître les fluctuations de ces émissions en fonction du temps à différentes échelles et en différents lieux sur la planète, la thèse s’est axée sur une étude observationnelle et une étude théorique. L’étude observationnelle a produit une climatologie à grande échelle par l’extraction du rayonnement issu des données de l’instrument GOMOS. Les campagnes de mesures réalisées au sol ont quant à elles mis en avant certains aspects dynamiques importants comme les marées et les ondes de gravité. Pour reproduire le rayonnement nightglow, il a été nécessaire de modéliser les réactions chimiques des nombreuses espèces présentes à haute altitude, le chauffage, la photodissociation de certaines molécules par le rayonnement solaire et la propagation du rayonnement vers le sol. Certains processus dynamiques ont été inclus comme la diffusion moléculaire, la diffusion turbulente et une paramétrisation des marées. Enfin, les résultats du modèle sont comparés aux observations satellitaires ainsi qu’au niveau du sol et des tests de sensibilité sont effectués pour estimer la réponse du rayonnement aux différents modules du modèle. / The nightglow is an atmospheric radiation which occurs at high altitude (around 90 km). It comes from the desexcitation of specific molecules and atoms (OH, Na, O2 and O). It spreads over a wide spectral band, especially in the infrared and propagates to the ground level. The nightglow emission is an important mark for the high atmosphere, as it allows the retrieval of the temperature and many dynamic processes such as atmospheric tides or gravity waves. Its propagation to the ground level allows the illumination of terrestrial scene and therefore the night vision with the use of near infrared cameras. In order to have a better knowledge of the emission fluctuations as a function of time for various scales and at various locations, the work is focused on an observational and theoretical study. The observational study produced large scale climatology with the extraction of nightglow emission from GOMOS data. On the other hand, ground measurements highlighted some dynamical aspects such as tides and gravity waves. To model the nightglow emission, it has been necessary to take into account the chemical reactions of the species available at high altitude, the heating, the photodissociation process and the propagation of the emission to the ground. Selected dynamical processes have been included, such as the molecular and turbulent diffusion, and a tide parameterization. Finally, the results of the model are compared to the satellite and ground observations and sensitivity tests are run to estimate the response of the emission to the various modules of the model.

Malgré la découverte des rayons cosmiques il y a plus de cent ans, de nombreuses questions restent aujourd’hui sans réponse : que sont les rayons cosmiques, comment sont-ils créés et d’où viennent-ils ? Depuis 2002, l’instrument CODALEMA, basé sur le site de l’Observatoire de radio-astronomie de Nançay, étudie les rayons cosmiques d’ultra haute énergie (RCUHE, au delà de 1017 eV) qui arrivent dans l’atmosphère terrestre. Leur faible flux rend impossible une détection directe à ces énergies. Ces rayons cosmiques vont cependant interagir avec les atomes de l’atmosphère, engendrant une cascade de particules secondaires chargées communément appelée gerbe de particules, détectable depuis le sol, et dont on va extraire des informations sur le rayon cosmique primaire. L’objectif est de remonter aux caractéristiques du primaire ayant engendré la gerbe de particules, donc de déterminer sa direction d’arrivée, sa nature et son énergie. Lors du développement de la gerbe, les particules chargées en mouvement engendrent notamment l’émission d’une impulsion de champ électrique très brève, que CODALEMA détecte au sol avec des antennes radio dédiées, sur une large bande de fréquences (entre 1 et 200 MHz). L’avantage majeur de la radio-détection est sa sensibilité au profil complet de la gerbe et son cycle utile proche des 100 %, qui pourrait permettre d’augmenter le nombre d’évènements détectés à très haute énergie, et donc de mieux contraindre les propriétés des RCUHE. Au fil des ans, des efforts importants ont été consacrés à la compréhension de l’émission radio-électrique des grandes gerbes de particules dans la gamme [20-80] MHz mais, malgré certaines études menées jusqu’aux années 90, la bande [1-10] MHz est restée inutilisée pendant près de 30 ans. L’une des contributions de cette thèse porte sur l’expérience EXTASIS, adossée à CODALEMA, qui vise à ré-investiguer cette bande et à étudier la contribution dite de ”mort subite”, impulsion de champ électrique créé par les particules de la gerbe lors de leur arrivée et de leur disparition au sol. Nous présentons la configuration instrumentale d’EXTASIS, composée de 7 antennes basses fréquences exploitées dans [1.7-3.7] MHz, couvrant environ 1 km2. Nous rapportons l’observation, sur 2 ans, de 25 évènements détectés en coïncidence par CODALEMA et EXTASIS et estimons un seuil de détection de 23±4 μV/m à partir de comparaisons avec des simulations. Nous rapportons également une forte corrélation entre l’observation du signal basse fréquence et le champ électrique atmosphérique. L’autre contribution majeure de cette thèse porte sur l’étude du champ électrique émis par les gerbes et l’amélioration des performances du détecteur dans la bande [20-200] MHz. Nous proposons dans un premier temps une méthode de calibration des antennes de CODALEMA en utilisant l’émission radio de la Galaxie. Nous investiguons aussi plusieurs algorithmes de réjection de bruit afin d’améliorer la sélectivité des évènements enregistrés. Nous présentons ensuite une méthode de reconstruction des paramètres du rayon cosmique primaire, mettant en oeuvre des comparaisons combinant des informations de polarisation et fréquentielles entre les données enregistrées et des simulations, nous menant enfin à une proposition de composition en masse des rayons cosmiques détectés. / Despite the discovery of cosmic rays there are more than one hundred years ago, many questions remain unanswered today: what are cosmic rays, how are they created and where do they come from ? Since 2002, the CODALEMA instrument, located within the Nançay Radio Observatory, studies the ultra-high energy cosmic rays (UHECR, above 1017 eV) arriving in the Earth atmosphere. Their low flux makes it impossible to detect them directly at these energies. These cosmic rays, however, will interact with the atoms of the atmosphere, generating a cascade of secondary charged particles, commonly known as extensive air shower (EAS), detectable at ground level, and from which we will extract information on the primary cosmic ray. The objective is to go back to the characteristics of the primary that generated the EAS, thus to determine its direction of arrival, its nature and its energy. During the development of the shower, these charged particles in movement generate a fast electric field transient, detected at ground by CODALEMA with dedicated radio antennas over a wide frequency band (between 1 and 200 MHz). The major advantage of radio-detection is its sensibility to the whole profile of the shower and its duty cycle close to 100 %, which could increase the number of events detected at very high energy, and thus to better constrain the properties of the RCUHE. Over the years, significant efforts have been devoted to the understanding of the radio emission of extensive air shower (EAS) in the range [20-80] MHz but, despite some studies led until the nineties, the[1-10] MHz band has remained unused for nearly 30 years. One of the contributions of this thesis concerns the EXTASIS experiment, supported by the CODALEMA instrument, which aims to reinvestigate the [1-10] MHz band and to study the so-called ”sudden death” contribution, which is the expected impulsive electric field created by the particles at their arrival and their disappearance on the ground. We present the instrumental set up of EXTASIS, composed of 7 low frequency antennas exploited in [1.7-3.7] MHz, covering approximately 1 km2. We report the observation, over 2 years, of 25 low-frequency events detected in coincidence by CODALEMA and EXTASIS and estimate a detection limit of 23±4 μV/m from comparisons with simulations. We also report a strong correlation between the observation of the low frequency signal and the atmospheric electric field. The other major contribution of this thesis concerns the study of the electric field emitted by the EAS and the improvement of the detector’s performances in the [20-200] MHz band. First, we propose a calibration method for CODALEMA antennas using the radio emission of the Galaxy. We are also investigating several noise rejection algorithms to improve the selectivity of recorded events. We then present a method for reconstructing the parameters of the primary cosmic ray, implementing systematic comparisons combing polarization and frequency information between the recorded data and simulations, leading finally to a proposal for a mass composition of cosmic rays detected.

Les résines échangeuses d'ions, essentielles à la purification des systèmes modérateur et caloporteur, sont entreposées dans des réservoirs lorsqu'elles sont saturées. Cependant, ces réservoirs sont presque pleins, et leur contenu devra être transféré dans des unités de stockage à long terme. Afin d'évaluer les risques associés à l'entreposage des résines usées dans des enceintes fermées, des échantillonnages ont été réalisés pour déterminer les taux de formation des composés volatils d'intérêt, soit le méthane, l'hydrogène et le dioxyde de carbone, contenant ou non du tritium et du carbone-14. À partir des taux de formation ainsi calculés, les quantités de ces composés pouvant s'accumuler dans les enceintes de stockage ont été évaluées. Finalement, une méthode de suivi et de contrôle des émissions de composés volatils dans les enceintes de stockage est proposée.

La pollution de l’air au Québec fait l’objet d’un bon suivi quotidien pour répondre aux enjeux de la santé publique. Cependant, il y a peu d’analyse concernant les tendances à long terme des polluants et ces analyses ne traitent que des polluants qui ont un impact connu sur la santé humaine. L’un des deux objectifs de ce projet vise donc à faire l’analyse des tendances de dix polluants entre 1974 et 2015 sur le territoire du Québec. Le second est de déterminer les sources de la pollution transfrontalière. Les polluants à l’étude sont l’ozone troposphérique (O3) et les matières particulaires de toutes les tailles (<2,5 μm, <10 μm et >10 μm), ainsi que leurs concentrations en nitrates et sulfates. Le déplacement sur de grandes distances de l’O3 et des PM2.5 est aussi analysé, grâce à la méthodologie des rétrotrajectoires. Des tendances totales, annuelles, mensuelles, hebdomadaires et journalières ont été faites pour comprendre les divers patrons de concentrations des polluants. Puis, lorsque les normes de dépassements étaient disponibles, une analyse temporelle et spatiale de ces dépassements a été faite. De manière générale, la qualité de l’air au Québec s’est améliorée pour sept des dix polluants à l’étude. L’O3 ainsi que les nitrates qui composent les PM10 (NPM10) sont les seuls polluants à montrer une augmentation au cours de la période à l’étude. Les PM2.5, pour leurs parts demeurent stables sur la période d’étude. Spatialement, les concentrations dépendent des polluants ainsi que de leurs sources d’émissions. Pour le transport longue distance de l’O3, les sources associées aux hautes concentrations proviennent du nord du Québec et du secteur des Grands Lacs canadiens. Le transport longue distance des PM2.5 provient essentiellement du secteur des Grands Lacs. Mots-clés : Pollution atmosphérique, qualité de l’air, rétrotrajectoires, ozone troposphérique, PM2.5, tendance temporelle, géographie.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Les observations des neutrinos atmosphériques dans les détecteurs Kamiokande (Japon) et Irvine-Michigan-Brookhaven (1MB, Etats-Unis) font preuve d'une anomalie dans le rapport v^/Ve- Le phénomène d'osciUations de neutrinos v^-^Vx est une explication possible de cette anomalie. Le projet d'expérience E889 à l'AGS de Brookhaven avait pour objet la recherche des oscillations de neutrinos à longue distance en utilisant un faisceau de neutrinos muoniques ayant une énergie moyenne Ey ^ l GeV. <J La masse des neutrinos et le mélange entre les saveurs sont les deux caractéristiques qui définissent les oscillations entre saveurs de neutrinos. L'observation des oscillations aurait d'importantes conséquences en physique des particules, en astrophysique et en cosmologie. Dans la proposition de l'expérience E889, quatre énormes détecteurs Cerenkov à eau sont utilisés pour observer le faisceau de neutrinos, jusqu'à une distance de 68 km. Pour comprendre le signal Cerenkov produit par des particules chargées dans ces détecteurs, une étude par simulation Monte-Carlo de l'éinission Cerenkov par des inuons, électrons et des rayons gamina est présentée. Cette étude identifie quelques différences significatives entre la distribution de l'éimssion Cerenkov de ces particules. On peut envisager la possibilité de discriminer entre les gerbes électromagnétiques induites par un électron ou par un rayon gamma: la predominance de la production de paires (7-«-e+e-) par les rayons gamma de haute énergie (E^ ^ 25 MeV) conduit à une intensité de lumière Cerenkov plus élevée pendant les premières longueurs de radiation. Deux geometries pour les détecteurs sont étudiées: la première ayant 3562 phototubes de 8 pouces de diamètre par détecteur, et la deiixièine ayant 946 phototubes de 20 pouces de diamètre (configuration similaire au détecteur Kamiokande). Quant à la reconstruction des particules (vertex de l'interaction, impulsions des particules secondaires et identification des particules), les deux géoinétries ont une perforinance similaire. IV Les interactions à courant neutre (CN) peuvent servir à la norinalisation du flux total de neutrinos. La production de pions neutres par une interaction neutrino-nucléon à courant neutre fournit un signal clair dans un détecteur ôerenkov à eau, grâce aux deiix anneaux provenant des gerbes électromagnétiques dans la désintégration 7r°-^77. Une analyse d'événements CN(7r°) est présentée qui tient compte de plusieurs sources de contamination venant d autres types d'interactions produisant égaleinent deux anneaux. Cette analyse démontre que ce mode est clairement identifiable, et peut être utilisé pour la normalisation du taux d événements quasi-élastiques v^n-^p,~p, ou comme signal de disparition dans le cas des oscillations vers un état stérile v^-^v,. Dans le cas des osciUations v^,-^Ve,ri la sensibilité est assez bonne pour couvrir entièrement la portion du plan (Am2,sin 28) qui correspond à l'anomalie atmosphérique. La sensibilité est moins bonne pour les oscillations v^^-v,, et une prise de données plus longué que prévue serait nécessaire pour augmenter le nombre d'événements CN(7T°) observes.

Dans le cadre de ce mémoire, nous documentons les interventions du ministère de l'Environnement du Québec (MF.NVIQ) pour trois enjeux liées aux contaminants atmosphériques soit les précipitations acides, l'appauvrissement de la couche d'ozone et les changements climatiques. Pour chacun de nos cas d'études, indiquons les instruments choisis par le MHNVIQ. Nous formulons également des hypothèses afin d'expliquer les variations observées au niveau du choix des instruments et, particulièrement, de leur degré de coercition. De plus, nous distinguons les instruments de détection, devant fournir des informations au Ministère concernant les causes et les conséquences des problématiques environnementales, et les instruments effectifs, dont l'objectif est de changer les comportements des groupes ciblés. Afin de réaliser notre recherche, nous utilisons abondamment les concepts développés par l'analyse des politiques publiques et, plus particulièrement, par les auteurs associés au paradigme du choix des instruments. Pour les cas que nous avons observés, nous concluons que plus l'étendue des activités qui causent un problème environnemental est perçue comme étant grande, moins les instruments choisis seront coercitifs. Par ailleurs, il semble y avoir un lien entre les ressources à la disposition du MFNVIQ et la mise en œuvre d'instruments coercitifs puisque durant les années où les ressources du Ministère étaient décroissantes nous pouvons observer un recours proportionnellement plus important à des instruments volontaires. Finalement, nous avons également observé que les entreprises régulés ont une préférence pour les instruments moins coercitifs (ex. ententes volontaires) alors que les groupes écologistes tendent à proposer la mise en œuvre d'instruments plus coercitifs (ex. taxes environnementales, réglementation, etc.). Nous terminons notre mémoire par une discussion des limites relatives à nos travaux ainsi qu'à l'application de la théorie du choix des instruments à l'étude des interventions gouvernementales.

Les images satellitales multispectrales, notamment celles à haute résolution spatiale (plus fine que 30 m au sol), représentent une source d’information inestimable pour la prise de décision dans divers domaines liés à la gestion des ressources naturelles, à la préservation de l’environnement ou à l’aménagement et la gestion des centres urbains. Les échelles d’étude peuvent aller du local (résolutions plus fines que 5 m) à des échelles régionales (résolutions plus grossières que 5 m). Ces images caractérisent la variation de la réflectance des objets dans le spectre qui est l’information clé pour un grand nombre d’applications de ces données. Or, les mesures des capteurs satellitaux sont aussi affectées par des facteurs « parasites » liés aux conditions d’éclairement et d’observation, à l’atmosphère, à la topographie et aux propriétés des capteurs. Deux questions nous ont préoccupé dans cette recherche. Quelle est la meilleure approche pour restituer les réflectances au sol à partir des valeurs numériques enregistrées par les capteurs tenant compte des ces facteurs parasites ? Cette restitution est-elle la condition sine qua non pour extraire une information fiable des images en fonction des problématiques propres aux différents domaines d’application des images (cartographie du territoire, monitoring de l’environnement, suivi des changements du paysage, inventaires des ressources, etc.) ? Les recherches effectuées les 30 dernières années ont abouti à une série de techniques de correction des données des effets des facteurs parasites dont certaines permettent de restituer les réflectances au sol. Plusieurs questions sont cependant encore en suspens et d’autres nécessitent des approfondissements afin, d’une part d’améliorer la précision des résultats et d’autre part, de rendre ces techniques plus versatiles en les adaptant à un plus large éventail de conditions d’acquisition des données. Nous pouvons en mentionner quelques unes : - Comment prendre en compte des caractéristiques atmosphériques (notamment des particules d’aérosol) adaptées à des conditions locales et régionales et ne pas se fier à des modèles par défaut qui indiquent des tendances spatiotemporelles à long terme mais s’ajustent mal à des observations instantanées et restreintes spatialement ? - Comment tenir compte des effets de « contamination » du signal provenant de l’objet visé par le capteur par les signaux provenant des objets environnant (effet d’adjacence) ? ce phénomène devient très important pour des images de résolution plus fine que 5 m; - Quels sont les effets des angles de visée des capteurs hors nadir qui sont de plus en plus présents puisqu’ils offrent une meilleure résolution temporelle et la possibilité d’obtenir des couples d’images stéréoscopiques ? - Comment augmenter l’efficacité des techniques de traitement et d’analyse automatique des images multispectrales à des terrains accidentés et montagneux tenant compte des effets multiples du relief topographique sur le signal capté à distance ? D’autre part, malgré les nombreuses démonstrations par des chercheurs que l’information extraite des images satellitales peut être altérée à cause des tous ces facteurs parasites, force est de constater aujourd’hui que les corrections radiométriques demeurent peu utilisées sur une base routinière tel qu’est le cas pour les corrections géométriques. Pour ces dernières, les logiciels commerciaux de télédétection possèdent des algorithmes versatiles, puissants et à la portée des utilisateurs. Les algorithmes des corrections radiométriques, lorsqu’ils sont proposés, demeurent des boîtes noires peu flexibles nécessitant la plupart de temps des utilisateurs experts en la matière. Les objectifs que nous nous sommes fixés dans cette recherche sont les suivants : 1) Développer un logiciel de restitution des réflectances au sol tenant compte des questions posées ci-haut. Ce logiciel devait être suffisamment modulaire pour pouvoir le bonifier, l’améliorer et l’adapter à diverses problématiques d’application d’images satellitales; et 2) Appliquer ce logiciel dans différents contextes (urbain, agricole, forestier) et analyser les résultats obtenus afin d’évaluer le gain en précision de l’information extraite par des images satellitales transformées en images des réflectances au sol et par conséquent la nécessité d’opérer ainsi peu importe la problématique de l’application. Ainsi, à travers cette recherche, nous avons réalisé un outil de restitution de la réflectance au sol (la nouvelle version du logiciel REFLECT). Ce logiciel est basé sur la formulation (et les routines) du code 6S (Seconde Simulation du Signal Satellitaire dans le Spectre Solaire) et sur la méthode des cibles obscures pour l’estimation de l’épaisseur optique des aérosols (aerosol optical depth, AOD), qui est le facteur le plus difficile à corriger. Des améliorations substantielles ont été apportées aux modèles existants. Ces améliorations concernent essentiellement les propriétés des aérosols (intégration d’un modèle plus récent, amélioration de la recherche des cibles obscures pour l’estimation de l’AOD), la prise en compte de l’effet d’adjacence à l’aide d’un modèle de réflexion spéculaire, la prise en compte de la majorité des capteurs multispectraux à haute résolution (Landsat TM et ETM+, tous les HR de SPOT 1 à 5, EO-1 ALI et ASTER) et à très haute résolution (QuickBird et Ikonos) utilisés actuellement et la correction des effets topographiques l’aide d’un modèle qui sépare les composantes directe et diffuse du rayonnement solaire et qui s’adapte également à la canopée forestière. Les travaux de validation ont montré que la restitution de la réflectance au sol par REFLECT se fait avec une précision de l’ordre de ±0.01 unités de réflectance (pour les bandes spectrales du visible, PIR et MIR), même dans le cas d’une surface à topographie variable. Ce logiciel a permis de montrer, à travers des simulations de réflectances apparentes à quel point les facteurs parasites influant les valeurs numériques des images pouvaient modifier le signal utile qui est la réflectance au sol (erreurs de 10 à plus de 50%). REFLECT a également été utilisé pour voir l’importance de l’utilisation des réflectances au sol plutôt que les valeurs numériques brutes pour diverses applications courantes de la télédétection dans les domaines des classifications, du suivi des changements, de l’agriculture et de la foresterie. Dans la majorité des applications (suivi des changements par images multi-dates, utilisation d’indices de végétation, estimation de paramètres biophysiques, …), la correction des images est une opération cruciale pour obtenir des résultats fiables. D’un point de vue informatique, le logiciel REFLECT se présente comme une série de menus simples d’utilisation correspondant aux différentes étapes de saisie des intrants de la scène, calcul des transmittances gazeuses, estimation de l’AOD par la méthode des cibles obscures et enfin, l’application des corrections radiométriques à l’image, notamment par l’option rapide qui permet de traiter une image de 5000 par 5000 pixels en 15 minutes environ. Cette recherche ouvre une série de pistes pour d’autres améliorations des modèles et méthodes liés au domaine des corrections radiométriques, notamment en ce qui concerne l’intégration de la FDRB (fonction de distribution de la réflectance bidirectionnelle) dans la formulation, la prise en compte des nuages translucides à l’aide de la modélisation de la diffusion non sélective et l’automatisation de la méthode des pentes équivalentes proposée pour les corrections topographiques. / Multi-spectral satellite imagery, especially at high spatial resolution (finer than 30 m on the ground), represents an invaluable source of information for decision making in various domains in connection with natural resources management, environment preservation or urban planning and management. The mapping scales may range from local (finer resolution than 5 m) to regional (resolution coarser than 5m). The images are characterized by objects reflectance in the electromagnetic spectrum witch represents the key information in many applications. However, satellite sensor measurements are also affected by parasite input due to illumination and observation conditions, to the atmosphere, to topography and to sensor properties. Two questions have oriented this research. What is the best approach to retrieve surface reflectance with the measured values while taking into account these parasite factors? Is this retrieval a sine qua non condition for reliable image information extraction for the diverse domains of application for the images (mapping, environmental monitoring, landscape change detection, resources inventory, etc.)? Researches performed in the past 30 years have yielded a series of techniques to correct the parasite factors among which some allow to retrieve ground reflectance. Some questions are still unanswered and others require still more scrutiny to increase precision and to make these methods more versatile by adapting them to larger variety of data acquisition conditions. A few examples may be mentioned: - How to take into account atmospheric characteristics (particularly of aerosols) adapted to local and regional conditions instead of relying on default models indicating long term spatial-temporal trends that are hard to adjust to spatially restricted instantaneous observations; - How to remove noise introduced by surrounding objects. This adjacency effect phenomenon is particularly important for image resolutions smaller than 5m; - What is the effect of the viewing angle of the sensors that are increasingly aiming off-nadir, a choice imposed by the imperatives of a better temporal resolution or the acquisition of stereo pairs? - How to increase the performances of automatic multi-spectral image processing and analysis techniques in mountainous high relief area by taking into account the multiple effects of topography on the remotely sensed signal? Despite many demonstrations by researchers that information extracted from remote sensing may be altered due to the parasite factors, we are forced to note that nowadays radiometric corrections are still seldom applied, unlike geometric corrections for which commercial software possess powerful and versatile user-friendly algorithms. Radiometric correction algorithms, when available, are hard to adapt black boxes and mostly require experts to operate them. The goals we have delineated for this research are as follow: 1) Develop software to retrieve ground reflectance while taking into account the aspects mentioned earlier. This software had to be modular enough to allow improvement and adaptation to diverse remote sensing application problems; and 2) Apply this software in various context (urban, agricultural, forest) and analyse results to evaluate the accuracy gain of extracted information from remote sensing imagery transformed in ground reflectance images to demonstrate the necessity of operating in this way, whatever the type of application. During this research, we have developed a tool to retrieve ground reflectance (the new version of the REFLECT software). This software is based on the formulas (and routines) of the 6S code (Second Simulation of Satellite Signal in the Solar Spectrum) and on the dark targets method to estimated the aerosol optical thickness, representing the most difficult factor to correct. Substantial improvements have been made to the existing models. These improvements essentially concern the aerosols properties (integration of a more recent model, improvement of the dark targets selection to estimate the AOD), the adjacency effect, the adaptation to most used high resolution (Landsat TM and ETM+, all HR SPOT 1 to 5, EO-1 ALI and ASTER) and very high resolution (QuickBird et Ikonos) sensors and the correction of topographic effects with a model that separate direct and diffuse solar radiation components and the adaptation of this model to forest canopy. Validation has shown that ground reflectance estimation with REFLECT is performed with an accuracy of approximately ±0.01 in reflectance units (for in the visible, near-infrared and middle-infrared spectral bands) even for a surface with varying topography. This software has allowed demonstrating, through apparent reflectance simulations, how much parasite factors influencing numerical values of the images may alter the ground reflectance (errors ranging from 10 to 50%). REFLECT has also been used to examine the usefulness of ground reflectance instead of raw data for various common remote sensing applications in domains such as classification, change detection, agriculture and forestry. In most applications (multi-temporal change monitoring, use of vegetation indices, biophysical parameters estimation, etc.) image correction is a crucial step to obtain reliable results. From the computer environment standpoint, REFLECT is organized as a series of menus, corresponding to different steps of: input parameters introducing, gas transmittances calculation, AOD estimation, and finally image correction application, with the possibility of using the fast option witch process an image of 5000 by 5000 pixels in approximately 15 minutes. This research opens many possible pathways for improving methods and models in the realm of radiometric corrections of remotely sensed images. In particular, these include BRDF integration in the formulation, cirrus clouds correction using non selective scattering modelling and improving of the equivalent slopes topographic correction method.

Quantifier la totalité des apports atmosphériques, notamment particulaires, est nécessaire pour mieux comprendre les cycles biogéochimiques en vue d'une gestion durable des écosystèmes forestiers. En effet, l'intensification des récoltes de bois-énergie induit une pression nutritive supplémentaire sur les forêts. Le but de ce travail est de combler les lacunes concernant le dépôt atmosphérique particulaire (taux de dépôt, composition minéralogique et chimique), ainsi que d'étudier son influence sur les cycles biogéochimiques forestiers. Pour ce faire, un échantillonnage de 2 ans a été mis en place dans 4 hêtraies de la moitié Nord de la France. Un développement métrologique a été nécessaire pour concevoir les capteurs hors et sous canopée et pour séparer les particules de la phase dissoute puis compartimenter le dépôt particulaire en fonction du modèle conceptuel organo-minéral établi dans cette étude. Les résultats obtenus valident ce modèle et montrent (i) un taux de dépôt annuel de 19±3 kg.ha-1.an-1 de minéraux peu solubles témoignant d'origines diverses, (ii) des flux de nutriments inférieurs à ceux des dépôts dissous et de l'altération des minéraux du sol mais qui contribuent à améliorer la fertilité des forêts, (iii) un captage supplémentaire induit par la canopée et (iv) une dissolution des particules minérales lors de leur transport atmosphérique qui enrichit les précipitations en nutriments. Un échantillonnage optimisé sur le long terme est indispensable pour confirmer et préciser les tendances observées, en particulier concernant les épisodes de très fort dépôt particulaire et le dépôt sous la canopée / Quantifying the little-known inputs of atmospheric particulate deposition (APD) is critically important for a sustainable management of forest ecosystems. Indeed, harvesting and subsequent nutrient losses are going to increase so as to meet the demand in renewable energy, including fuel-wood. This work aims at filling this gap by (i) describing the deposition rate, mineralogical and chemical compositions of APD and (ii) evaluating the influence of APD nutrient inputs on forest biogeochemical cycles. To do so, 4 beech stands in North French forests were equipped for a 4-week sampling. After a metrological development, samplers out of and below canopy were used for a 2-year sampling, as well as methods to separate APD from atmospheric dissolved deposition. These methods were conceived to separate the organic and mineral fractions of APD according to the conceptual model designed in this work. My results validated this model and indicated (i) a quite constant deposition rate of 19±3 kg.ha-1.year-1 of hardly soluble minerals over the North of France, made of various minerals suggesting heterogeneous sources of particles, (ii) nutrient inputs inferior to those of atmospheric dissolved deposition and soil weathering, but improving ecosystem fertility, (iii) an interception effect of the canopy, and (iv) the dissolution of mineral particles in the atmosphere which enriched atmospheric dissolved deposition in nutrients. Extending and optimizing the sampling would allow confirming and clarifying these results, especially concerning high atmospheric load periods and APD below canopy

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des polluants organiques persistants potentiellement mutagènes et cancérigènes. Leur transfert de l’atmosphère vers les écosystèmes, notamment vers les plantes, conditionne leur entrée dans les chaines alimentaires mais les modalités de ce transfert restent encore mal connues. L’objectif de ce travail était donc de caractériser le transfert et d’identifier les effets biologiques des HAP atmosphériques sur un système sol-plante-microorganismes symbiotiques.Un dispositif expérimental a été conçu afin de recréer en laboratoire une pollution atmosphérique par les HAP avec comme HAP modèle le phénanthrène (PHE). Le dispositif a fait l’objet d’une validation et d’une calibration élaborée de manière originale par une double approche mêlant l’expérimental à la simulation mathématique. Les niveaux d’exposition en polluant (150 µg m-3), contrôlés par des échantillonneurs passifs, se sont avérés pertinents par rapport aux conditions in situ. Ce dispositif a donc été utilisé pour exposer durant un mois des microsystèmes sol-plante-microorganismes au PHE par voie atmosphérique.Les différentes études ont mis en évidence un transfert du PHE depuis l’atmosphère vers tous les compartiments du microsystème, avec une accumulation majeure vers les feuilles de trèfle ou de ray-grass (respectivement 170 et 70 µg g־ ¹MS) et un transfert phloémien vers les racines est suggéré. Chez le trèfle, la mycorhization n’a pas été affectée, tandis que le nombre de nodules actifs a diminué de manière significative. Contrairement aux racines, la biomasse aérienne du trèfle a été significativement affectée (environ – 25%) par l’exposition au PHE atmosphérique, suggérant un impact sur le métabolisme carboné de la plante. Une expérience de marquage des trèfles au ¹³C-CO2 a effectivement montré un impact négatif du PHE atmosphérique sur la croissance, l’allocation de biomasse et l’allocation carbonée. Pour conclure, ces études ont permis non seulement de caractériser les effets biologiques et physiologiques des HAP atmosphériques sur les végétaux mais également de proposer l’utilisation du potentiel mycorhizien comme indicateur de pollution atmosphérique par les HAP. / Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are persistent organic pollutants potentially mutagenic and carcinogenic. Transfer from the atmosphere to ecosystems, especially to plants, conditioning their entry into food chains, but the terms of this transfer are still poorly understood. The aim of this study was to characterize the transfer and identify the biological effects of atmospheric PAHs on soil-plant-symbiotic microorganisms.An experimental device was designed to recreate in the laboratory air pollution with phenanthrene (PHE) as a model PAH. The device was been validated and a calibration developed in an original way by a dual approach combining the experimental mathematical simulation. The levels of exposure to pollutant (150 mg m־³), controlled by passive samplers, were relevant with field conditions. This device has been used to expose a month of the soil-plant micro-organisms in the PHE through the air.Various studies have demonstrated a transfer of PHE from the atmosphere to all compartments of the microsystem, with a major accumulation to leaves in clover or ryegrass (respectively 170 and 70 µg g ־¹ dry weight) and a phloemic transfer to the roots is suggested. In clover, mycorrhization was not affected, while the number of active nodules decreased significantly. Unlike roots, aboveground biomass of clover was significantly affected (approximately – 25%) by exposure to air PHE, suggesting an impact on the carbon metabolism of the plant. A labelling experiment with ¹³C- CO2 in clover has actually shown a negative impact of PHE air on growth, biomass and carbon allocation.In conclusion, these studies have not only characterized the biological and physiological effects of atmospheric PAHs on plants but also proposed the use of mycorrhizal potential as an indicator of air pollution by PAHs.

Le but de ma thèse est de conduire et d’utiliser les premières observations atmosphériquesde surface du CO2, de l’O2, du CH4 et de la composition isotopique de la vapeur d’eau et desprécipitations dans la région peu instrumentée du sud du Groenland. Quelles informations cesobservations locales peuvent-elles nous apporter à la fois concernant les processus atmosphériqueslocaux et concernant le transport atmosphérique à grande échelle ? Peut-on en extrairedes informations sur les échanges entre la surface et l’atmosphère, qui constituent une part crucialedes cycles biogéochimiques du carbone et de l’eau ? L’interprétation paléoclimatique desenregistrements de carottes de glace au Groenland peut-elle bénéficier de ces observations ?Après une validation des observations menées à Ivittuut, sur la côte sud-ouest du Groenland,en regard de normes internationales de qualité, confirmant leur représentativité des variationsatmosphériques, j’ai commencé par interpréter ces observations en analysant leur variabilité àdifférentes échelles de temps et découlant de processus spécifiques. Ceci m’a permis de montrerque le site de mesure était très peu influencé par des phénomènes locaux : peu de sources localesde gaz à effet de serre, et de processus locaux agissant sur la composition isotopique de la vapeurd’eau. Cette caractéristique facilite l’attribution des variations observées à des changements detransport atmosphérique de grande échelle en lien avec des sources distantes.Pour comprendre les variations observées, je les ai mises en relation avec des observationsissues d’autres sites ainsi qu’avec des sorties de modèles atmosphériques de grande échelle. D’unepart, j’ai constaté que de nombreuses variations de la composition atmosphérique à l’échelle synoptiquepouvaient être expliquées par des modifications du transport atmosphérique de grandeéchelle. J’ai aussi pu identifier la représentativité spatiale de nos observations, et contribuerà l’évaluation de modèles atmosphériques de grande échelle. Enfin, un cas d’étude durant lavague de chaleur ayant affecté la totalité du Groenland durant l’été 2012 m’a permis de suivrele transport atmosphérique de masses d’air et d’observer en plusieurs points ses impacts sur lacomposition isotopique de la vapeur d’eau, notamment sur la conservation du signal d’excès endeutérium, qui n’avait jamais été observée auparavant.Enfin, la combinaison des observations et de la modélisation atmosphérique m’a permis demettre en évidence les contributions de l’observation atmosphérique en terme de documentationdes échanges entre la surface et l’atmosphère : par une attribution des valeurs observées auxsources potentielles identifiées par modélisation des masses d’air affectant la station pour le CH4et la composition isotopique de la vapeur d’eau, et par la comparaison des observations à dessimulations de transport direct de sources connues issues d’inventaires pour le CH4 ou modéliséespour le CO2 et l’O2 océanique. / South Greenland is a key region placed under Arctic and Northern Atlantic influences, whichis poorly documented in terms of atmospheric monitoring. The aim of my thesis is to conductand use the first regional atmospheric observations of CO2, O2, CH4 and isotopic compositionof water vapour and precipitation performed in Ivittuut, a coastal site in south-west Greenland.Which information can we infer from these atmospheric observations, in terms of localatmospheric processes and large scale atmospheric transport variations? Can we use these observationsto document the surface-air exchanges of these compounds, which represent an importantpart of the water and carbon biogeochemical cycles?After validating the observations regarding international precision recommandations, I havebeen able to analyse the variabilities at different time scales, resulting from different specificprocesses. This highlighted the fact the atmospheric composition of our site is weakly influencedby local processes, either for local greenhouse gases sources or small scale atmosphericvariations affecting water vapour isotopic composition. This facilitates the interpretation of ourobservations in terms of large scale atmospheric transport signals.To better understand the observed variations, I related our data series with other observationsoriginating from different sites, and with outputs from different atmospheric models. Ihave first witnessed the links between variations of atmospheric composition and large synopticscale atmospheric transport changes. Then, I have identified the spatial representativity of ourobservations and contributed to the evaluation of atmospheric models. The case study of astrong heat wave covering Greenland during summer 2012 allowed me to study the transport ofwater vapour within an air mass between different stations. It allowed me to provide the firstexperimental observation of deuterium excess conservation during atmospheric transport.Finally, combining observations and atmospheric simulations, I have documented surfaceairexchanges of the observed compounds: first by the attribution of observed values of CH4and water vapour isotopic composition to their simulated potential origins, secondly by thecomparison of observed variations with the direct simulation of atmospheric transport of eitherCH4 sources estimated from inventories or simulated CO2 and O2 air-sea fluxes from an oceanmodel.