RÉSUMÉ - 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. / ABSTRACT - 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.

Les techniques en ondelettes pour l'étude des structures géophysiques dans le domaine atmosphérique sont passées en revue afin de compléter les outils couramment utilisés (FFT...). Leurs contributions résident dans l'analyse visuelle et de synthèse de l'information des phénomènes géophysiques multi-échelles et / ou non-stationnaires et de leur quantification. Notre étude porte également sur les ondes de gravité qui jouent un rôle essentiel dans la circulation générale et qui restent mal documentées dans la région tropicale de l'hémisphère Sud dû à un manque de mesures expérimentales. Les techniques en ondelettes sont appliquées aux mesures à haute résolution issues des radiosondages (La Réunion, Irène, Tromelin) et du Lidar Rayleigh (La Réunion) pour l'analyse des ondes de gravité dans la basse et moyenne atmosphère. Dans la première partie, nous rappelons principalement le contexte historique des techniques en ondelettes, les descriptions et les théories des structures ondulatoires, en particulier des ondes de gravité en région tropicale. Dans une seconde partie, nous présentons les techniques en ondelettes : la transformée en ondelettes continues et les analyses multirésolution et en paquets d'ondelettes. Leur utilisation pratique est illustrée sur des signaux académiques. Dans une troisième partie, des études géophysiques soulignent la variabilité multi-échelle de l'ozone induite par les ondes de gravité dans la basse atmosphère au-dessus de la Réunion et Irène. De nouvelles méthodes, issues de l'analyse en ondelettes, sont proposés pour estimer les paramètres d'ondes de gravité à partir des données température du Lidar et pour suivre leur évolution spatio-temporelle. Pour finir, une étude climatologique préliminaire des paramètres spectraux des modes cohérents, extraits des données de Tromelin par la transformée en ondulettes continues, révèle le rôle prépondérant de la génération des ondes de gravité en région tropicale, particulièrement en été.

Les nuages de cristaux CO2 sur Mars sont issus de la condensation du constituant majoritaire de l'atmosphère (95% de CO2). De nombreuses études théoriques suggèrent que ces nuages pourraient avoir une influence sur le climat martien actuel et qu'ils ont sans doute joué un rôle significatif au cours de son évolution passée. Seulement récemment, des contraintes précises sur la taille des cristaux qui les composent et leur opacité ont été obtenues après leur découverte dans la mésosphère. C'est dans ce cadre que nous nous sommes intéressés à la modélisation de ces nuages avec pour ambition de caractériser la microphysique de condensation d'un gaz majoritaire dans une atmosphère raréfiée. Nous avons mis au point un modèle de croissance des cristaux tenant compte de la différence de température entre la surface du cristal et son environnement, différence qui s'avère importante dans le cas d'une vapeur majoritaire. Un modèle de microphysique de ces nuages à une dimension a été ensuite développé pour simuler leur formation dans la mésosphère. Grâce à ce modèle, nous sommes maintenant en mesure d'expliquer les faibles durées de vie ces nuages ainsi que leur comportement diurne. Nous montrons qu'il est possible de reproduire la taille de leurs cristaux, mais pas leur opacité tant que ceux-ci sont supposés se former à partir des particules minérales issues du régolite. Des scénarios d'apport exogène de noyaux de condensation ont été étudiés et ont permis de simuler des nuages plus denses conformes aux observables. Ce nouveau modèle de microphysique est appelé à rejoindre des modèles de climat et de météorologie martiens actuellement en développement.

Our work falls within the field of high resolution spectroscopy of gas phase molecules in the far-, mid- and near-infrared ranges. Its guiding line are absorption spectral intensities, dealt with experimentally and theoretically. In particular, we developed in our laboratory the field of intensities measurements of vibration-rotation lines using Fourier transform spectrometers, with a precision of about 0.5 % and an accuracy of 2-4 % for chemically stable species. We study chemically stable (CO2, N2O, C2H6, OCS, C2H2) and unstable (HOCl, HCOOH et HNO3) compounds. We also measure infrared absorption cross section spectra for CFC replacements. Some of our measured intensities, of direct interest for the study of planetary atmospheres, are now incorporated in international spectroscopic databases. Others are used to develop global theoretical models of molecules, in relationship with intra-molecular dynamics./Nos travaux de recherches relèvent de la spectroscopie à haute résolution de molécules en phase gazeuse dans les domaines de l’infrarouge lointain, moyen et proche. Ils ont pour ligne directrice les intensités spectrales d’absorption, abordées expérimentalement et théoriquement. Nous avons en particulier développé dans notre laboratoire le domaine de la mesure d’intensités d’absorption de raies de vibration-rotation à l’aide de spectromètres à transformée de Fourier. Nous réalisons ces mesures avec une précision d’environ 0.5 % et une exactitude d'environ 2-4 % pour les espèces chimiquement stables. Nous étudions des composés chimiquement stables (CO2, N2O, C2H6, OCS, C2H2) et instables (HOCl, HCOOH et HNO3). Nous mesurons également des spectres de sections efficaces d’absorption infrarouge pour des substituts des chlorofluorocarbures (CFC). Certaines de nos mesures d’intensité, d’intérêt direct pour l’étude d’atmosphères planétaires, sont aujourd’hui incorporées dans les bases de données spectroscopiques internationales. D’autres sont utilisées pour développer des modèles théoriques globaux de molécules, en liaison avec la dynamique intramoléculaire. / Agrégation de l'enseignement supérieur, Orientation sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans un contexte de changement climatique actuel et futur, se traduisantnotamment par un assèchement déjà observé en Méditerranée, cette thèse seconcentre sur l’étude de la variabilité contemporaine et future (1957-2100)des événements de très longs épisodes secs (eTLES) hivernaux (septembreavril)dans le bassin méditerranéen. Une méthodologie originale a été développéeau cours de cette thèse pour appréhender les eTLES comme desévénements climatiques singuliers, caractérisés par des critères de localisation,de durée et d’extension spatiale.Sur la période contemporaine (1957-2013), 76 eTLES ont été détectésdans le bassin méditerranéen. Ces événements sont répartis en 4 principalesconfigurations géographiques : Nord-Est, Ouest, Dispersés & Restreints etSud-Est. Les configurations de types Nord-Est et Ouest sont associées àdes blocages anticycloniques localisés à environ 1 000 km au nord-ouestdes secteurs principalement affectés par les eTLES, favorisant un ciel dégagéet l’absence de précipitations. Les configurations de types Dispersés& Restreints et Sud-Est sont particulières, car la première est caractériséecomme étant une classe résiduelle regroupant des eTLES à faible extensionspatiale répartis dans l’ensemble du bassin, la seconde est caractérisée pardes eTLES saisonniers qui s’insèrent dans la continuité de l’été sec observéà l’est du bassin méditerranéen.Les grands régimes de circulation atmosphérique du domaine Euro-Atlantique montrent un certain contrôle sur les eTLES. Ainsi, la phasepositive de l’oscillation nord-atlantique (NAO+) est le seul régime à êtreclairement favorable au développement d’eTLES sur la quasi-totalité du bassin.Le régime est-atlantique (EA) ne montre pas de contrôle sur les eTLES,atlantic ridge (AR) et la phase négative de l’Oscillation Nord-Atlantique(NAO-) sont deux régimes généralement défavorables aux eTLES. Cependant,des eTLES sont pourtant associés aux régimes AR, EA et NAO-. Pourcela, il faut que ces trois régimes de circulation soient associés à des pressionsatmosphériques légèrement plus élevées au nord-ouest des secteursimpactés par les eTLES, comparativement à leur climatologie respective.Les longues séquences des régimes AR, EA et NAO+, représentatives d’unecertaine stabilité atmosphérique durable dans le temps, sont préférentiellementassociées aux eTLES, contrairement aux courtes séquences de ces troisrégimes. À l’inverse, les longues séquences du régime NAO-, renforçant les basses pressions atmosphériques sur l’Europe et le bassin méditerranéen,sont peu associées aux eTLES.Bien que les deux modèles ALADIN52 et LMDZ4-NEMOMED8 affichentdes résultats différents à plusieurs niveaux, ils s’accordent tout demême à montrer que les eTLES devraient être de plus en plus longs d’icià l’horizon 2100, de façon encore plus marquée pour la trajectoire RCP8.5que RCP4.5. Une analyse multi-modèles comprenant 12 simulations CMIP5montre qu’en moyenne par saison, la pression réduite au niveau de la meraurait tendance à augmenter sur l’océan Atlantique, au large des côtes françaiseset sur le centre du bassin méditerranéen, de façon robuste pour latrajectoire RCP8.5. À l’inverse, la fréquence et la durée des séquences des 4régimes de circulation atmosphérique ne semblent pas être amenées à évoluerd’ici à l’horizon 2100.Une étude est enfin menée pour constater les impacts des eTLES surla production agricole en Espagne. Le nombre de jours d’eTLES impactedavantage les rendements d’orge, de blé et d’avoine (espèces d’hiver et cultivéesau travers d’une agriculture pluviale) que les simples ratios de jourssecs et les cumuls de pluie en Espagne. Une étude de cas réalisée sur deuxsaisons ayant reçu des cumuls de pluie comparables montre qu’en plus desrendements, un eTLES provoque une baisse significative de l’humidité dessols et du débit du fleuve Èbre. / In the context of climate change, as reflected by a dryer Mediterraneanbasin, this thesis focused on the study of the contemporary and future variability(1957-2100) of the wintertime (September to April) very long dryspells events (called VLDSe) in the Mediterranean basin. An original methodologywas developed in this thesis in order to define VLDSe as singularclimatic events, characterized by location, duration and spatial extent criteria.76 VLDSe were detected in the Mediterranean basin on the contemporaryperiod (1957-2013). These events are divided into 4 main geographicalpatterns: North-East, West, Scattered Localized and South-East. North-East and West configurations are associated with anticyclonic conditionslocated approximately 1 000 km northwestern to the areas affected by theVLDSe, favoring a clear sky and no precipitations. The Scattered Localizedand South-East configurations are special: the first one is characterized asa residual class grouping VLDSe with small spatial extent and distributedthroughout the entire basin, and the second one is characterized by seasonalVLDSe which are the continuation of the dry summer observed in the eastof the Mediterranean basin.Euro-Atlantic weather regimes have some control on the VLDSe. Thepositive phase of the north-atlantic oscillation regime (NAO+) is the onlyone that is clearly favorable to the development of VLDSe on almost the entirebasin. The east-atlantic regime (EA) does not show any control on theVLDSe, and the atlantic ridge (AR) and the negative phase of the northatlanticoscillation (NAO-) regimes are generally detrimental to VLDSe. However,some VLDSe can sometimes be associated with AR, EA and NAOregimes.This requires these three weather regimes to be associated withslightly higher atmospheric pressure northwest of the areas impacted bythe VLDSe, compared to their respective climatology. Long duration of theAR, EA and NAO+ regimes, which are coupled with sustained atmosphericstability, are preferentially associated with VLDSe, in contrast to the shortduration. Conversely, the long duration of the NAO- regime, reinforcingthe low atmospheric pressure on Europe and the Mediterranean basin, areweakly associated with VLDSe.Although the two climate models ALADIN52 and LMDZ4-NEMOMED8 differ in several respects, they agree in that VLDSe should be longer by 2100,especially in the RCP8.5 trajectory. A multi-model analysis with 12 CMIP5simulations shows that wintertime sea-level pressure tends to increase in theAtlantic Ocean, off the French coast and in the central the Mediterraneanbasin for the RCP8.5 trajectory. Conversely, the frequency and duration ofthe 4 weather regimes do not show significant trends until the end of the21st century.Finally, a study is carried out to assess the impact of VLDSe on agriculturalproduction in Spain. The number of VLDSe days has a larger impactson the yields of barley, wheat and oats (winter species and cultivatedthrough rainfed agriculture) than the simple ratio of dry days or seasonalrainfall amounts in Spain. A two-season case study, based on seasons withcomparable rainfall amounts, shows that in addition to yields, a VLDSecauses a significant decrease in soil moisture and in the Ebro River flow.

Les nuages sont essentiels dans le cycle de l'eau et dans le budget climatique mais certains aspects de leur formation sont encore incompris. La théorie de Köhler prédit que les surfactants devraient favoriser l'activation des particules en goutte de nuage alors que les modèles actuels les considèrent comme négligeables. Au début de ce travail de thèse, quelques études commençaient à démontrer le contraire mais des preuves du rôle de ces composés dans l'atmosphère étaient encore manquantes, d'où l'objectif de ce travail de thèse. Le développement d'une méthode pour déterminer la concentration en surfactants dans les aérosols a conduit aux premières courbes de tension de surface de surfactants atmosphériques dans des aérosols PM2.5 côtiers (Suède), et à l'identification du ratio C/CMC comme paramètre clé contrôlant l'efficacité des aérosols à former des nuages. Une seconde étude a révélé des corrélations fortes entre la présence de nuages et les propriétés intrinsèques des surfactants dans des aérosols PM1 boréaux (Finlande), démontrant pour la première fois le rôle des surfactants dans la formation des gouttes de nuage à partir d'observations directes dans l'atmosphère. Les résultats prédisent un nombre de noyaux de condensation en moyenne quatre fois plus important que lorsque les effets des surfactants étaient négligés, montrant l‘importance d'inclure l'effet des surfactants dans les modèles prédictifs. Cette importance a été confirmée en laboratoire par des expériences sur des gouttes individuelles microniques par l'augmentation de leur taille en présence de surfactants. Enfin, les observations à partir des différentes études indiquent une origine biologique des surfactants dans les aérosols atmosphériques / Clouds are essential components of the Earth’s hydrological system and climate but some aspects of their formation are still not completely understood. In particular, although Köhler theory predicts that surfactants should enhance cloud droplet activation, current models consider this role negligible. At the time of this PhD work, a few studies had started to demonstrate the contrary but atmospheric evidence for the role of these compounds was still missing and very little was known about their atmospheric concentrations, sources, and mechanism of action. The objective of this PhD work was to investigate these aspects. A method was developed to quantify surfactant concentrations in aerosols. Its application led to the first absolute atmospheric surfactants’ surface tension curves, in coastal PM2.5 aerosols in Sweden, and to the identification of the ratio C/CMC as the key parameter controlling the cloud-forming efficiency of aerosols. A second study revealed strong correlations between cloud occurrence and intrinsic surfactant properties in boreal PM1 aerosols in Finland, demonstrating for the first time the role of surfactants in cloud formation from direct atmospheric observations. The results predicted Cloud Condensation Nuclei numbers four times larger on average than when neglecting surfactant effects, showing the importance of including surfactant effects in cloud predictions models. The role of surfactants inferred from macroscopic measurements was confirmed by laboratory experiments on individual micron-sized droplets showing an increase of droplet growth in the presence of surfactants. Finally, observations from the different field studies indicated a biological origin for the surfactants present in atmospheric aerosols

Depuis la révolution industrielle en Europe (XIXe siècle), les nombreuses activités anthropiques ont provoqué des changements environnementaux globaux considérables. La composition de l'atmosphère terrestre en particulier, a été fortement modifiée par l'émission de polluants gazeux et particulaires. Actuellement, l'industrie métallurgique de seconde fusion contribue de façon significative aux émissions atmosphériques de métaux. C'est pourquoi ce travail de thèse s'est focalisé sur l'étude des transferts et impacts sur les sols, les végétaux et l'homme, des particules émises par le procédé de recyclage du plomb en relation avec leurs propriétés physico-chimiques. Trois sources principales d'émissions de particules ont été identifiées dans le procédé du recyclage du plomb et caractérisées en vue d'étudier les impacts potentiels sur les cibles végétales et humaines. Les particules échantillonnées (postes de travail et émissions canalisées) et ségréguées en fonction de leur taille (PMtot, PM10 et PM2,5) sont principalement composées de métaux (jusqu'à 50% en masse de la composition totale en métaux de transition, alcalins et alcalino-terreux), avec une majeur partie de plomb (25-45 %). Les spéciations majoritaires du plomb sont la galène (PbS), le sulfate du plomb (PbSO4) ou dérivés (xPbO.PbSO4 x=1,2 ou 3). L'étude du transfert des particules dans le sytème sol-plante a montré que, lorsque la taille des particules de process présentes dans le sol diminue (de 10µm à 2.5µm), le tranfert du plomb vers les parties aériennes des salades augmente de 20%. Le transfert foliaire de plomb issu des particules de process a été mis en évidence et des mécanismes d'absorption.ont été proposés. Enfin, l'étude exploratoire des particules riches en plomb sur la santé humaine a permis de montrer que la diminition de la taille des particules ingérées augmentait la bioaccessibilité gastrique du plomb. Dans le cas de l'inhalation, il a été démontré que les particules n'induisaient pas de cytotoxicité jusqu'à 50µg/cm2, mais provoquaient une réponse inflammatoire dose-dépendante des cellules épithéliales pulmonaires. / Since the Industrial Revolution in Europe (XIXe century), human activities have caused significant global environmental changes. The composition of the atmosphere in particular, has been extensively modified by the emission of gaseous and particulate pollutants. Currently, the secondary (or recycling) metallurgical industry contributes significantly to air emissions of metals. Therefore, this thesis focused on the study of transfers and impacts on soils, plants and humans, of particles from the recycling process of lead in relation to their physicochemical properties. Three main sources of particulate emissions have been identified in the process of recycling lead and characterized, to study the potential impacts on plant and human targets. The particles sampled (workstations and channelled emissions), and segregated according to their size (PMtot, PM10 and PM2, 5), are mainly composed of metals (up to 50% by weight of the total composition in transition metals alkaline and alkaline), with a major part of lead (25-45%). The major speciations of lead are galena (PbS), lead sulfate (PbSO4) or derivatives (xPbO.PbSO4 x = 1,2 or 3). The study of transfer of particles in the soil-plant system has shown that when the particle size of processes in the soil decreases (from 2.5µm to 10µm), the transfer of lead into the aerial parts of lettuce growing at 20 %. The uptake of lead from particles process by leaves has been demonstrated and mechanisms of absorption have been proposed. Finally, exploratory study of lead-rich particles on human health has shown that diminution of the size of particles ingested increased gastric bioaccessibility of lead. In the case of inhalation, it was shown that the particles did not induce cytotoxicity up 50µg/cm2, but caused a dose-dependent inflammatory response of lung epithelial cells

Les taux de production, transformation, émission et sédimentation de carbone à l’interface continent-océan sont significatifs à l’échelle globale, mais encore sujets à de fortes incertitudes en particulier dans les régions tropicales. De même, l’augmentation des concentrations atmosphériques de dioxyde de carbone (CO2) et de méthane (CH4), oblige la communauté scientifique à développer des méthodes pour quantifier les concentrations et les flux dans la zone côtière. Cette thèse se présente sous forme de 5 chapitres. Les chapitres 1 et 2 présentent une introduction générale et l’état de l’art sur la dynamique du CO2 et du CH4 dans les systèmes estuariens. Le chapitre 3 décrit le système de mesure en temps réel de la pression partielle en CO2 (pCO2), ainsi qu’une comparaison de ces mesures directes avec les estimations indirectes à partir de l’Alcalinité et du pH de l’eau dans deux estuaires brésiliens contrastés : la baie de Guanabara, (Etat de Rio de Janeiro), et l’estuaire du fleuve São Francisco (Etat d’Alagoas). Dans la baie de Guanabara, un estuaire à dominance marine et fortement impacté par les activités anthropiques, les valeurs de pCO2 calculées et mesurées sont très cohérentes (R2 = 0.95, p < 0.0001). Au contraire, dans l’estuaire du São Francisco, où la totalité du gradient salin a été échantillonné, des surestimations importantes des pCO2 calculées par rapport aux valeurs mesurées ont été observées dans certains échantillons d’eau douce ; la surestimation moyenne pour l’estuaire était de 74%, atteignant des valeurs extrêmes de 737%. Ces erreurs sont attribuées à une contribution d’alcalinité organique et à un faible pouvoir tampon dans les eaux douces aux pH acides et aux faibles valeurs d’alcalinité. Les chapitres 4 et 5 présentent les variations spatio-temporelles des concentrations et flux de CO2 et de CH4 à l’interface eau-atmosphère dans la baie de Guanabara. L’étude a été conduite entre Avril 2013 et Avril 2014, avec des mesures continue de pCO2, température, salinité, fluorescence e oxygène dissous (OD). Un échantillonnage discret a été réalisé pour déterminer les concentrations en CH4, Chlorophylle et nutriments inorganiques dissous. Les concentrations de CO2 et CH4 variaient entre 22 et 3715 ppmv et entre 18 et 10350 nmol L-1, respectivement. Des sous-saturations marquées en CO2 prédominaient dans les eaux peu profondes, confinées et stratifiées thermiquement principalement en été, tandis que les sursaturations en CO2 étaient restreintes aux régions proximales aux débouchés de fleuves et aux rejets d’eaux usées urbaines. Les concentrations en CO2 variaient aussi à l’échelle diurne en fonction de l’activité de photosynthése et de respiration, avec des maximaux en fin de nuit. Tous les échantillons étaient sursaturés en CH4, avec des concentrations maximales à proximité des rejets urbains. Cette distribution suggère que la production de CH4 dans les sédiments de la baie est faible du fait de la compétition entre sulfato-réduction et méthanogénèse, la majorité du CH4 provenant d’apports en provenance du réseau d’égout. Contrairement à la plupart des systèmes estuariens, la baie de Guanabara se comporte comme un puits de CO2, favorisé par de fortes radiations lumineuses, une stratification thermique et une grande disponibilité en nutriments, qui génèrent des floraisons phytoplanctoniques et un métabolisme autotrophe de 52,1 mol C m-2 an-1. [...] / The production, transformation, emission and burial of carbon at the land-ocean interface are globally significant, but rather poorly quantified in tropical regions. The increasing atmospheric concentrations of dioxide carbon (CO2) and methane (CH4) alerts to the importance and necessity of monitoring and quantifying the concentrations and fluxes of these greenhouse gases at coastal zone. The present doctoral thesis was divided into several chapters. Chapter 1 presents a general introduction to the thesis. Chapter 2 corresponds to a general introduction which focuses on the state of art of knowledge of the thesis subject, dealing with the CO2 and CH4 dynamics in estuaries. Chapter 3 describes the system applied for the online and continuous measurements of the aquatic partial pressure of CO2 (pCO2) and compares its estimate between the method of the continuous measurements with indirect estimates based on calculations with total alkalinity and pH in two contrasting Brazilian estuaries. One being the marine dominated and highly anthropogenically disturbed Guanabara Bay (State of Rio de Janeiro, SE-Brazil) and the other, the oligotrophic Sao Francisco River Estuary (State of Alagoas, NE-Brazil), impacted by dams. For Guanabara Bay, the measured and calculated pCO2 values showed an excellent agreement (R2 = 0.95, p < 0.0001). In contrast, the Sao Francisco estuary, showed good agreements between both methods in the estuarine mixing zone but not for it´s freshwater end member samples, which yielded substantial overestimations for the calculated pCO2. The average overestimation was 72%, reaching 737%. These discrepancies were attributed to the interference of organic alkalinity in the calculations particular in acid, poorly buffered freshwaters. Chapters 4 and 5 correspond to the part of this study, addressing the results of the temporal and spatial variations of CO2 and CH4 concentrations and atmospheric exchanges in Guanabara Bay. The study was conducted between April 2013 and April 2014, with continuous on line monitoring along trajectories of pCO2, temperature, salinity, fluorescence and dissolved oxygen. In addition, discrete sampling was performed at fixed stations along the trajectories for CH4, Chlorophyll a and dissolved inorganic nutrients. The annual concentrations of CO2 and CH4 ranged between 22-3715 ppmv and 18-10350 nmol L-1, respectively. Marked undersaturations of pCO2 were prevalent in shallow, confined and stratified waters especially at summertime, whereas oversaturations were restricted to the vicinity of the polluted river mouths and effluent discharge. The CO2 presented diurnal variations related to the processes of photosynthesis and respiration, with higher values at nigh-time period. CH4 was oversaturated in all samples, with higher concentrations primarily in the polluted regions. Methanogenesis seemed to be low in the sampled regions due to the competition with sulphate-reduction, with the major part of the CH4 sustained by allochthonous sources, derived from the sewage network. In contrast to the major part of the world´s estuarine systems, Guanabara Bay was considered a strong sink of CO2 due to concomitant effects of high photosynthetically active radiation intensity (PAR), thermal stratification and net autotrophy (autotrophic metabolism of 52.1 mol C m-2 yr-1). [...] / As taxas de produção, transformação, emissão e sedimentação de carbono na interface terra-mar são significantes globalmente, porém pobremente quantificadas nas regiões tropicais. O aumento acelerado nas concentrações atmosféricas de dióxido de carbono (CO2) e metano (CH4) alerta a importância do monitoramento e quantificação das concentrações e fluxos desses gases do efeito estufa na zona costeira. A redação da presente tese foi separada em capítulos. Os capítulos 1 e 2 apresentam a introdução geral do trabalho e o estado da arte do conhecimento da temática da tese, sobre a dinâmica de CO2 e CH4 em estuários. O capítulo 3 contém a descrição do sistema de medição contínua e on-line da pressão parcial do CO2 (pCO2) e comparações entre as medições contínuas com estimativas indiretas calculadas a partir da alcalinidade total (AT) e pH da água em dois estuários contrastantes: a Baía de Guanabara, Rio de Janeiro, e o estuário do Rio São Francisco, AL. Na Baía de Guanabara, um estuário dominado pela forçante marinha e altamente impactado por atividades antrópicas, os valores calculados e medidos da pCO2 mostraram excelente concordância (R2 = 0.95, p < 0.0001). Em contraste, no estuário do Rio São Francisco, onde o gradiente salino completo foi amostrado, importantes superestimativas foram verificadas nos valores calculados em algumas amostras de água doce. A superestimativa média foi de 72%, chegando ao valor extremo de 737%. Esses erros foram atribuídos à contribuição da alcalinidade orgânica e à baixa capacidade de tamponamento do sistema carbonato sob condições de água doce, de baixo pH e baixa AT. Os capítulos 4 e 5 apresentam os resultados das variações temporais e espaciais nas concentrações e fluxos de CO2 e CH4 na interface água-atmosfera na Baía de Guanabara. O estudo foi conduzido entre Abril de 2013 e Abril de 2014 com monitoramento contínuo da pCO2, temperatura, salinidade, fluorescência e oxigênio dissolvido (OD). Amostragens discretas foram realizadas para CH4, clorofila a e nutrientes inorgânicos dissolvidos. As concentrações anuais de CO2 e CH4 variaram entre 22-3715 ppmv e 18-10350 nmol L-1, respectivamente. Marcantes subsaturações da pCO2 na água em relação à pCO2 atmosférica foram prevalentes em águas rasas, confinadas e termicamente estratificadas principalmente no verão, enquanto supersaturação foi restrita às proximidades da desembocadura de rios poluídos e efluentes de esgotos. O CO2 também apresentou variações diuturnas em função dos processos de fotossíntese e respiração, com maiores valores no período noturno. O CH4 apresentou sobressaturação em todas as amostras, com as concentrações mais altas próximas de localidades com maior influência antrópica. A produção de metano pareceu ser pequena na região amostrada em função da competição com a redução de sulfato, sendo a maior parte do CH4 sustentada por fontes alóctones (rios poluídos e esgoto doméstico). Contrariamente à maioria dos sistemas estuarinos, a Baía de Guanabara foi considerada um sumidouro anual de CO2 em função da concomitância entre alta incidência de radiação fotossinteticamente ativa (PAR), estratificação térmica e alta disponibilidade de nutrientes, que promoveram grandes florações de fitoplâncton e autotrofia (metabolismo autotrófico de 52,1 mol C m-2 ano-1).

Ce travail a eu pour objectif l’étude de la dégradation hétérogène d’hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et de polybromo diphényles éthers (PBDE) en présence d’oxydants atmosphériques. La réactivité du benzo[a]pyrène et du dibenzo[a,l]pyrène pour les HAP et du BDE 153 (hexabromé) et du BDE 209 (décabromé) pour les PBDE, a été étudiée lorsqu’ils sont adsorbés sur des particules minérales modèles (des particules de silice) et exposés à l’ozone, au dioxyde d’azote ou aux radicaux hydroxyles. L’extraction et l’analyse de ces composés ont été optimisées. Le suivi de l’évolution de la concentration en composé adsorbé en fonction de son temps d’exposition à l’oxydant a permis de déterminer les paramètres cinétiques de chaque composé, pour chaque oxydant. L’influence de la concentration particulaire et de la structure moléculaire sur la réactivité a ainsi été évaluée et débattue. L’identification des produits de réactions majoritaires a été effectuée pour les réactions des HAP avec le dioxyde d’azote et les radicaux hydroxyles et les réactions des PBDE avec les radicaux hydroxyles. Enfin, l’étude de la génotoxicité des extraits de particules pour différents temps d’exposition aux oxydants a été réalisée. Cette étude regroupe une approche cinétique, une approche mécanistique et une approche toxicologique. / This work deals with the heterogeneous degradation of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) and polybromo diphenyls ethers (PBDE) with various atmospheric oxidants. The reactivity of Benzo[a]pyrene (BaP) and dibenzo[a,l]pyrene (DalP) for PAH and BDE 153 and BDE 209 for PBDE, had been studied when they are adsorbed on a model of mineral particles (silica particles) and exposed to ozone, nitrogen dioxide and hydroxyl radical. Extraction and analyse of compounds were optimised. For all studied reactions, kinetic parameters were obtained following the remaining concentration of compound for different exposure times. Influence of the particle loading and molecular structure on the reactivity had been evaluated and discussed. Identification of the main degradation products was made for the reaction of PAH with nitrogen dioxide and hydroxyl radical and for the reaction of PBDE with hydroxyl radical. Then, the genotoxicity of the particle extracts was made for different exposure times. This study talks about kinetics, mechanistic and genotoxicity.

L'atmosphère est un milieu hautement hétérogène contenant de la matière condensée : les aérosols. Ceux-ci sont des composants importants de l'atmosphère car ils impactent le bilan radiatif planétaire mais aussi la qualité de l'air. En particulier les aérosols organiques secondaires (AOS), produits par la transformation chimique dans l'air de nombreux composés organiques, plus ou moins volatils, représentent une fraction conséquente dans le budget global des aérosols atmosphériques pour laquelle de nombreuses incertitudes persistent. En particulier, leurs voies de formation et de transformation dans la troposphère restent très mal décrites. C'est pourquoi, cette thèse décrit principalement l'étude de trois aspects de la croissance et du vieillissement (transformation) des aérosols : caractérisation de la croissance des AOS par des processus photosensibilisés ; investigations mécanistiques du vieillissement des AOS et de la photochimie des photosensibilisateurs ; analyse chimique des composés issus du vieillissement des AOS / Aerosols are important constituents of the atmosphere and secondary organic aerosols (SOA) represent a main fraction of the organic aerosols in the total budget. This thesis mainly reports the investigation of three aspects of the growth and aging of SOA: the photosensitized SOA growth ; the mechanistic investigation of SOA aging and of the photochemistry of photosensitizers ; the analysis of the chemical composition of aged SOA. The photosensitized growth and aging processes of SOA were investigated using an aerosol flow tube coupled with various aerosol and gas sensing instruments. For further analysis of the aerosol composition and a better understanding of the formation and growth of SOA in these experiments the aerosols produced in the dark and in the light were sampled on filters at the exit of the flow tube