Les cirrus infrarouges (IR) présents aux latitudes galactiques élevées sont d'excellents laboratoires pour étudier la transition entre le gaz atomique et le gaz moléculaire. Dans cette thèse, deux sites potentiels de formation de la molécule H₂ ont été découverts dans la Boucle Céleste Nord (l = 135°, b = 40°) en calculant le rapport entre l'émission IR lointain et la densité de colonne du gaz HI et en cherchant un excès par rapport à la valeur attendue pour un milieu atomique. J'appelle ces deux régions, l'Araignée et Ursa Major. La comparaison de la carte d'excès IR avec les données ¹²CO (J = 1 - 0) provenant du télescope du Five College Radio Astronomical Observatory (résolution = 45 sec d'arc) montre que les pics d'excès IR ne coïncident pas avec les pics d'émission ¹²CO. Cette absence de coïncidence est expliquée par une densité trop basse pour permettre l'excitation de la molécule CO, une autoprotection insuffisante ou des variations locales des propriétés de la poussière. La comparaison entre les données ¹²CO et les données HI du Dominion Radio Astrophysical Observatory (résolution = 1 min d'arc) est en accord avec les modèles prédisant la formation de molécules CO où on observe de grands cisaillements de vitesse et la dissipation de la turbulence. Des observations de la molécule OH provenant du télescope Green Bank (résolution = 7 min d'arc) sont analysées pour 108 lignes de visée dans l'Araignée et Ursa Major. La molécule OH est précurseur à la molécule CO et sa formation nécessite la molécule H₂. La coïncidence entre le pic d'émission OH et le pic d'excès IR indique que la molécule OH pourrait être un meilleur traceur de la molécule H₂ que la molécule CO dans les régions de faible densité. Des observations ¹²CO ( J = 1 - 0) et ¹³CO ( J = 1 - 0) provenant de l'Institut de Radioastronomie Millimétrique et des observations ¹²CO (7 = 2 - 1) provenant du télescope James Clerk Maxwell (résolution = 20 sec d'arc) sont analysées sur un nombre restreint de champs dans les deux régions. En utilisant un modèle tenant compte de l'approximation du grand gradient de vitesse, nous trouvons de plus faibles densités au pic d'excès IR alors que les densités de colonne sont suffisamment grandes pour permettre une autoprotection efficace de la molécule CO.

Small water ice crystals are the main component of cold tropospheric clouds such as cirrus. Because these clouds cover large areas of our planet, their role in the radiation budget of incoming and outgoing radiation to the planet's surface is important. At present, the representation of these clouds in climate and weather models is subject to improvements: a large part of the uncertainty error stems from the lack of precise micro-physical and radiation model schemes for ice crystal clouds. To improve the cloud representations, a better understanding of the life time dynamics of the clouds and their composition is necessary, comprising a detailed understanding of the ice particle genesis, and development over their lifetime. It is especially important to understand how the development of ice crystals over time is linked to the changes in observable variables such as water vapour content and temperature and how they change the light scattering properties of the crystals. Recent remote and aircraft based in-situ measurements have shown that many ice particles show a light scattering behaviour typical for crystals having rough surfaces or being of complex geometrical shapes. The aim of this thesis was to develop the experimental setup and experiments to investigate this further by studying the surface morphology of small water ice crystals using scanning electron microscopy (SEM). The experiments I developed study the growth of water ice crystals inside an SEM chamber under controlled environmental conditions. The influence of water vapour supersaturation, pressure and temperature is investigated. I demonstrate how to retrieve the surface topology from observed crystals for use as input to computational light scattering codes to derive light scattering phase functions and asymmetry parameters, which can be used as input into atmospheric models. Difficulties with the method for studying the growth of water ice crystals, such as the effect of the electron beam-gas ionization and charging effects, the problem of facilitating repeated and localized ice growth, and the effect of radiative influences on the crystal growth are discussed. A broad set of nucleation target materials is studied. In a conclusion, I demonstrate that the method is suitable to study the surface morphologies, but is experimentally very challenging and many precautions must be taken, such as imaging only once and preventing radiative heat exchange between the chamber walls and the crystals to avoid unwanted effects on the crystal morphology. It is also left as a question if a laboratory experiment, where crystals will need to be grown in connection to a substrate, can represent the real world well enough. Deriving the required light scattering data in-situ might be an alternative, easier way to collect data for modelling use.

Cirrus clouds play an important role in radiative transfer, and thus have impact on the energy balance of the atmosphere and the climate of the Earth. Furthermore, they occur often and cover large areas globally at any time. Nevertheless, cirrus clouds are poorly studied, especially in the polar regions. Cirrus clouds are present in a large amount of the 14 years of data produced by the lidar at the Swedish Institude of Space Physics (IRF), but has not been studied to a large extent. A lidar is an active remote sensing instrument using a laser. This master's thesis develops and improves programs for analysis of cirrus clouds from this lidar data. It also performs analysis of six case studies chosen from the available data, and statistics of these six cases. The parameters calculated for each date are the cloud top, base and mean altitude, the geometrical thickness, the depolarisation ratio, the backscatter ratio (BSR), the backscatter coefficient, the extinction coefficient, the optical thickness and the number of cloud layers. No clear correlation between the optical thickness and the cloud top, base or mean altitude was found. There seems to be a weak correlation between increased optical thickness and increased geometrical thickness, which is not unreasonable. The mean cloud layer top altitude was 11.82 km and the mean cloud base was 10.36 km. The mean optical thickness for a cloud layer was 1.46 km, and the average of the cloud layer mean altitude was 11.09 km. It should be noted that the statistical analysis is based on only six cases with a total observation time of no more than 37 hours. A far larger dataset is needed in order to obtain any statistically signicant conclusions. The effect of averaging is studied, and it is concluded that averaging over altitude reduced the noise and facilitated the interpolation more than averaging over time did. Different approaches to obtain the molecular backscatter coefficient are compared, as well as the effect on the simulated molecular signal. Two of these approaches calculate the molecular backscatter coeffcient with input of the temperature and pressure either as continuously measured ground vales from the weather station at IRF or as radiosonde profiles for a specific time. In the other two, the molecular backscatter coeffcient is obtained from ECMWF data and from the standard atmosphere. Differences in the range 12-35% between the methods are found. Different approaches to calculate the backscatter ratio (BSR) are also compared. At cirrus altitudes, the decrease in the signal due to the molecular cloudfree part of the atmosphere is still strong, and finding the top and base separately by comparison with the standard deviation of the signal is proven a better method than interpolating between the point where the signal starts to increase and the point where it reaches the same signal value again. Height-normalising the signal provides a more robust method. For thin cirrus, the signal is not significantly attenuated above the cloud layer, and it is found that a method based on the ratios between the measured signal and the simulated molecular signal at cloud top and base did not produce reliable results for the optical thickness. In addition to analysing data and data processing methods, new data processing tools in MATLAB have been developed and existing functions have been improved. These will be valuable for continued studies with the IRF lidar, for cirrus as well as PSCs and thick and/or low-altitude clouds.

Cette thèse présente un travail sur le fond diffus extragalactique dans les domaines de longueurs d'onde infrarouge et millimétrique. (1) L'étude de la couleur (ou rapport de brillance) des cirrus aux longueurs d'onde 60 et 100 microns a montré une augmentation de celle-ci de B(60)/B(100)=0.21 à 0.28 pour des brillances inférieures à B(100)=3 MJy/sr. Ceci se traduit par une augmentation des très petits grains de poussières dans les régions diffuses de haute latitude provoquée par l'érosion et la fragmentation des grains par les ondes de choc des supernovae. (2) La séparation entre les cirrus et les fluctuations du fond diffus infrarouge extragalactique à l'aide des couleurs B(60)/B(100), B(60)/B(170), B(100)/B(170) s'est révélée non efficace, car les spectres des deux composantes sont trop proches à ces longueurs d'onde. Il faudra renouveler l'étude aux plus grandes longueurs d'onde de Planck et Herschel. (3) Le spectre de puissance des fluctuations du fond diffus infrarouge extragalactique ne montre aucune corrélation particulière. On en déduit un biais des galaxies infrarouges inférieur à 0.6. Ceci implique que les galaxies formant les fluctuations du fond sont à bas redshift. On espère détecter des corrélations en sondant les cartes plus grandes de SPITZER. (4) la séparation statistique du fond diffus cosmologique (FDC) et de l'effet Sunyaev-Zel'dovich (SZ) cinétique pourrait se faire à l'aide d'une loi à priori entre l'effet SZ cinétique et le produit de covariance entre la carte de mélange (FDC+SZ cinétique) et l'effet SZ thermique.

Thèse doctorat : Lasers, molécules et rayonnement atmosphérique : Lille 1 : 2003. / 2 articles en anglais reproduits en annnexe. N° d'ordre (Lille 1) : 3389. Bibliogr. p. 201-215.

Thèse doctorat : Lasers, molécules et rayonnement atmosphérique : Lille 1 : 2003. / N° d'ordre (Lille 1) : 3389. Les 2 articles en anglais en annnexe ont été retirés. Bibliogr. p. 201-215.

Within this Ph.D. thesis, the optical thickness and particle effective radius of cirrus and deep convective clouds (DCCs) are retrieved using passive remote sensing techniques. For this purpose, airborne and satellite measurements of spectral solar radiation combined with extensive radiative transfer simulations have been conducted. Data analyzed in this study were collected during the ML-CIRRUS and the ACRIDICON-CHUVA campaigns, which aimed to study natural and contrail cirrus over Europe and DCCs over the Amazon rainforest using the German High Altitude and Long Range Research Aircraft (HALO), respectively. During the campaigns, HALO was equipped with a comprehensive set of remote sensing and in situ instruments. In particular flights, closely collocated measurements with the overpasses of the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) aboard of the Aqua satellite were carried out. A cirrus located above liquid water clouds and a DCC topped by an anvil cirrus are investigated. In general, the research framework can be divided into four parts. In the first part, the spectral upward radiances measured by the Spectral Modular Airborne Radiation Measurement System (SMART)-Albedometer aboard of HALO are compared with those measured by the MODIS. In the second part, a radiance ratio retrieval assuming a vertically homogeneous cloud is applied to obtain the cloud optical thickness and particle effective radius based on the measurements of SMART-Albedometer and MODIS. Multiple near-infrared wavelengths with different absorption characteristics are utilized in the retrieval in order to study the vertical structure of cloud particle sizes. In the third part, the retrieved cloud properties are compared with those derived from the MODIS cloud products. For the cirrus case, the retrieved values of particle effective radius are further compared to in situ data measured by the Cloud Combination Probe (CCP). To allow this comparison, a vertical weighting method is applied. Although the comparison results in a good agreement, retrievals using this conventional technique only provide information on cloud particle sizes from the upper layers, even if spectral measurements have been employed. The retrieved particle effective radius represents a vertically weighted value, where the upper cloud layers are weighted at most. In the fourth part, an extended technique based on Bayesian optimal estimation has been developed to obtain the full vertical profile of particle effective radius. For this purpose, a parameterization assuming the shape of the vertical profile with respect to a vertical coordinate within the cloud is applied. The information content of SMART-Albedometer measurements is analyzed to identify wavelengths that bring the most information pertaining to each retrieval parameter. The new retrieval technique is applied to the cirrus case to infer the profile of particle effective radius as a function of optical thickness. The comparison between the retrieved and the in situ profiles shows a good agreement with a deviation of about 5 % at the cloud top and increases to values of up to 15 % at the cloud base. The new retrieval technique has shown excellent skill in improving the study of the vertical profile of cloud microphysical properties, which can be applied in the future generation of airborne and satellite retrievals based on the measurements of passive remote sensing.:1. Introduction 2. Definitions 3. Measurements 4. Comparison of upward radiance 5. Retrieval of cloud optical thickness and particle effective radius 6. Comparison of cloud optical thickness and particle effective radius 7. Retrieval of the vertical profile of particle effective radius 8. Summary and conclusion

Cette thèse s'inscrit dans les projets de validation des satellites CALIPSO et CloudSat de L'A-Train dédiés à l'étude des nuages, afin d'améliorer leur représentation dans les modèles de prévision du climat. La validation a consisté à mesurer les paramètres microphysiques et optiques des nuages au moyen d'instruments in situ aéroportés (PMS, Néphélomètre Polaire,CPI). Plusieurs campagnes ont été réalisées en région Arctique (ASTAR 2007 et POLARCAt) et en cirrus aux latitudes moyennes CIRCLE-2) au cours desquelles les observations in situ ont été colocalisées avec celles des satellites. La méthode de traitement du CPI a été améliorée pour la restitution des paramètres microphysiques et du facteur de réflectivité radar (Z). Concernant la validation de CLIPSO, deux situations en cirrus montrent un bon accord entre les coefficients d'extinction (sigma) in situ et restitués, validant ainsi les hypothèses dans l'inversion du lidar. Pour une autre situation, l'effet d'orientation de cristaux de forme plane et hexagonale conduit à des réflexions spéculaire du faisceau lidar et à une surestimation de sigma restitué. A l'opposé des valeurs in situ de sigma plus élevées que CALIOP sont observées lors d'une situation de cirrus avec des cristaux de grande dimension. Les effets de fragmentation de ces cristaux peuvent se traduire par la génération de petites particules avec pour conséquence une surestimation de sigma mesurée. Quant à la validation de CloudSat les résultats montrent un bon accord entre Z CloudSat at ZCPI. En revanche, les parammètres nuageux restitués sont largement surestimés en particulier dans les nuages mixtes où le schéma d'inversion basé sur la température est mal adapté

An investigation was carried out into light scattering by Gaussian rough ice crystals. Gaussian rough crystal geometries were generated using roughness parameters derived from mineral dust grains, which have been reported to be suitable proxies for rough ice crystals. Light scattering data for these geometries was computed using the discrete dipole approximation (DDA) method. Phase functions, 2D scattering patterns, degree of linear polarisation patterns and asymmetry parameters were computed for smooth, moderately rough and highly rough crystals with a variety of orientations and size parameters. A sodium fluorosilicate ice analogue crystal with three partially roughened prism facets was created using focused ion beam (FIB) milling and 2D scattering patterns were collected from it using the small ice detector (SID) 3 cloud probe. It was found that roughness reduces features in the phase function compared to scattering by smooth hexagonal prisms, particularly when the roughness features were horizontally much larger than the wavelength. However, the most effective roughness model also takes account of horizontal features whose size is closer to that of the wavelength. Horizontal features smaller than the wavelength have very little effect.

Les nuages jouent un rôle capital dans la modulation des échanges énergétiques du système terre-atmosphère. En effet, ils réfléchissent une partie du rayonnement solaire contribuant ainsi au refroidissement de l'atmosphère, et ils piègent une partie du rayonnement infrarouge terrestre contribuant ainsi au réchauffement de la terre. La compétition entre ces deux effets opposés est gouvernée par les propriétés physiques et microphysiques des nuages. En général, les nuages bas avec leurs faibles altitudes et leurs fortes épaisseurs optiques réfléchissent davantage de rayonnement solaire et ont ainsi une tendance au refroidissement. Par contre, les cirrus, à cause de leurs faibles épaisseurs optiques, sont relativement transparents au rayonnement solaire et en même temps captent une partie du rayonnement tellurique infrarouge et le réémettent vers le sol contribuant ainsi au réchauffement de l'atmosphère et de la surface terrestre. L'étude du climat et de son évolution, par les modèles de climat, nécessite une bonne prise en compte des effets radiatifs des nuages. Pour le moment, la détermination de ces effets radiatifs a été identifiée par le IPCC « Panel Intergouvernemental sur le changement de climat » comme l'une des sources principale d'incertitude sur la prédiction du climat. L'impact radiatif des cirrus (nuages des hautes altitudes) est en particulier mal pris en compte dans certains modèles à cause de l'extrême variabilité des tailles et formes des cristaux de glace de ces nuages. En effet, dans certains modèles, la distribution de taille et de forme de ces cristaux est remplacée par un diamètre effectif en supposant les cristaux de forme sphérique. Des études de Kristjansson et al. (2000) sur la sensibilité de deux modèles de climat aux hypothèses sur les propriétés microphysiques des cirrus ont montré que l'incertitude résultante sur l'effet radiatif associé à un doublement de la concentration atmosphérique en dioxyde de carbone est de l'ordre de 50%. Les résultats de telles études expliquent la grande motivation de la communauté scientifique à approfondir nos connaissances sur la microphysique des nuages. Seule l'observation des propriétés des cirrus à différentes échelles permet de comprendre, et donc de mieux représenter, leur impact sur le climat. Les observations satellitaires offrent la possibilité d'étudier les propriétés des cirrus à une échelle globale et sur de longues périodes de temps. Les sondeurs TOVS (TIROS-N Operational Vertical Sounder) embarqués à bord des plate-formes de la NOAA ont déjà démontré leur capacité de restitution des propriétés physiques (altitude, température et émissivité) et microphysiques (taille des cristaux et épaisseur en glace) des cirrus grâce à leur bonne résolution spectrale dans le domaine thermique. Le travail de ma thèse s'est inscrit dans le cadre du projet Européen CIRAMOSA (CIrrus microphysical properties and their effect on RAdiation : survey and integration into climate MOdels from a combination of SAtellite observations), une collaboration entre le Laboratoire de Météorologie Dynamique, le MetOffice à Exeter en Grande Bretagne, l'Institut pour la recherche marine à Kiel en Allemagne et le Laboratoire d'Optique Atmosphérique à Lille. Ce projet avait pour objectif d'étudier les propriétés physiques et microphysiques des cirrus à partir d'observations de différents instruments satellitales ainsi que de mesures in-situ. Des corrélations entre les propriétés microphysiques des cirrus et l'état de l'atmosphère ont pu être démontrées à échelle globale, ce qui va contribuer à l'amélioration des paramétrisations des propriétés microphysiques des cirrus dans les modèles de climat pour une meilleure évaluation de leurs effets radiatifs. Le LMD a participé à ce projet par l'élaboration d'une base climatique des propriétés physiques et microphysiques des cirrus à partir des mesures des sondeurs verticaux TOVS. Cette climatologie est la première dans son genre. La première étape de mon travail de thèse (chapitre 2) est consacrée à l'évaluation de l'altitude des nuages de la base climatique TOVS Path-B, une variable très importante pour le calcul des flux radiatifs. Pour cette évaluation j'ai combiné des données TOVS Path-B avec les observations du lidar LITE proches en temps et en espace. Cette analyse a démontré qu'en général l'altitude de nuage de TOVS Path-B correspond bien au milieu de nuage. L'accord est meilleur pour les nuages bas que pour les nuages hauts. Ces derniers sont d'une part souvent plus hétérogènes et d'autre part, dans le cas d'un nuage sous-jacent, la structure verticale du nuage haut semble différente (avec un maximum du signal de rétro-diffusion plus haut). Dans le dernier cas, en moyenne, l'altitude de nuage de TOVS Path-B est sous-estimée d'environ 700m. Dans une seconde étape (chapitre 3), je me suis intéressée à l'étude des corrélations entre les propriétés microphysiques des cirrus et l'état de l'atmosphère. Les échelles spatio-temporelles mises en jeu par les processus physiques de formation des nuages se caractérisent par un large spectre de variabilité. Or, la résolution spatiale et temporelle des modèles de climat est réduite et ne permet pas de prendre en compte une telle variabilité. C'est pourquoi il est nécessaire d'établir des paramétrisations permettant la représentation de ces propriétés microphysiques dans les modèles de climat. La conception et le développement de ces paramétrisations nécessitent une bonne compréhension des liens entre la composition microphysique des nuages et les processus de génération de ces nuages. Jusqu'à présent les corrélations entre les propriétés microphysiques des nuages et l'état de l'atmosphère ont été étudiées lors de campagnes de mesures in-situ et donc dans des zones et pour des périodes limitées. La base de données TOVS Path-B des propriétés microphysiques des cirrus, avec sa couverture globale et une durée de quatre années, nous a permis d'étudier à l'échelle du globe la cohérence de ces corrélations identifiées lors des campagnes régionales. Dans un certain nombre de modèles de climat, la taille effective des cristaux de glace ou l'épaisseur en glace des cirrus sont paramétrisées en fonction de la température de nuage. Nos analyses avec les données TOVS Path-B ont démontré que cette corrélation n'existe pas à échelle globale. Pour aller plus loin, j'ai cherché à étudier l'effet de la dynamique et la thermodynamique de l'atmosphère sur les propriétés microphysiques des cirrus. Pour cette étude, j'ai combiné les propriétés des cirrus de TOVS Path-B avec les paramètres atmosphériques des ré-analyses du ECMWF. Nos études ont démontré le rôle important que jouent les vents (horizontaux et verticaux) et l'humidité de l'air dans la modulation des propriétés microphysiques des cirrus. En général, dans les situations de forts vents verticaux et horizontaux, les cirrus ont une taille effective de cristaux de glace plutôt faible. De même, l'épaisseur en glace des cirrus baignant dans une atmosphère humide contenant de forts courants ascendants est plutôt grande. La dernière partie de ma thèse (chapitre 4) est dédiée à l'étude de la cohérence des paramétrisations des propriétés de diffusion des cristaux de glace entre le domaine thermique et le domaine solaire. Ces propriétés de diffusion dépendent de la taille effective des cristaux de glace, de la forme de ces cristaux et de la longueur d'ondes. La non-régularité des formes de cristaux de glace des cirrus fait que le traitement de la diffusion et de l'absorption du rayonnement par ces cristaux ne peut se faire que par des méthodes approchées. Nous avons déterminé les flux radiatifs au sommet de l'atmosphère en présence de cirrus à partir du modèle de transfert radiatif utilisé dans le modèle de climat britannique du MetOffice. Les propriétés physiques des cirrus provenant de TOVS Path-B, ainsi que les propriétés microphysiques établies à partir des mesures dans le domaine thermique, ont été utilisées pour calculer les albédos, qui ensuite ont été comparés aux albédos observés de ces cirrus. Ces derniers ont été déterminés par le radiomètre ScaRaB. Trois paramétrisations des propriétés de diffusion des cristaux de glace ont été testées. Ces paramétrisations ont été développées à partir de principes physiques différents ainsi que de différentes hypothèses sur la forme des cristaux de glace. En supposant des cristaux en forme de colonnes hexagonales (Fu, 1998) les observations ne sont en accord avec les calculs que pour des cirrus de faible épaisseur en glace. Les albédos calculés à partir de la paramétrisation de Baran (2003) pour des cristaux en forme d'agrégats sont bien plus en accord avec les albédos observés pour autant que le diamètre effectif des cristaux augmente avec l'épaisseur en glace des cirrus.