L'interaction entre les particules de glace présentes dans l'atmosphère et les molécules halogénées a suscité beaucoup d'intérêt ces dernières années. En effet, ces molécules, en interaction avec la glace, peuvent produire des radicaux destructeurs pour la couche d'ozone. La première partie de cette thèse est consacrée à la détermination d'une surface d'énergie potentielle paramétrée sur des données ab initio reproduisant l'interaction entre Cl2 et une molécule d'eau puis l'interaction entre Cl2 et le substrat de glace pour les états fondamental et excité. La seconde partie traite de l'adsorption de Cl2 et CH3Cl sur une surface de glace. L'adsorption de la molécule de Cl2 a été étudiée à 190 K et 235 K à l'aide d'un programme de dynamique moléculaire classique dans lequel nous avons implémenté le champ de forces issue de la paramétrisation développée en première partie. Nous avons pu observer que la molécule s'adsorbe en faisant un angle de 80° avec la normale à la surface. De plus, la molécule, faiblement liée à la surface, est très mobile sur celle-ci. L'adsorption de la molécule CH3Cl sur la glace a été étudiée à l'aide d'un logiciel commercial (GROMACS) à une température de 235 K. L'étude de la dynamique nous a appris que la molécule est adsorbée de manière à ce que l'axe chlore - carbone soit presque parallèle à la surface, le groupement méthyle pointant vers cette dernière et le chlore vers la phase gaz. Comme pour Cl2, CH3Cl est plutôt faiblement lié à la surface et est particulièrementmobile sur celle-ci. / The interaction between atmospheric ice particles and halogenated molecules generated much interest in the recent years. Indeed, theses species can produce destructive radicals for the ozone layer and these reactions are enhanced at the ice surface. The first part of this thesis presents the development of a potential energy surface describing the Cl2-ice interaction, on the basis of ab initio data describing the ground and the first excited states for the Cl2-H2O dimer. The second part is dedicated to the adsorption of Cl2 and CH3Cl on a hexagonal ice surface at stratospheric temperatures. The dynamics of Cl2 at the ice surface was study at 190 K and 235 K by implementing the developped potential energy surface in a classical molecular dynamics program. According to these simulations, the Cl2 molecule adsorbs forming an angle of 80° with respect to the normal of the ice surface. The results suggest the interaction between the molecule and the surface is rather weak, the pollutant molecule diffusing freely at the surface.Since, a classical force field was available to describe the CH3Cl interaction with the ice surface, the adsorption of methyl chloride on ice was investigated using the GROMACS package. The main result is that at 235 K the molecule is adsorbed with the chlorine-carbon axis parallel to the ice surface, the methyl group pointing toward the ice and the chloride toward the gas phase. Similarly to Cl2, CH3Cl forms weak bonds with the surface and consequently, does not remain trapped in a given adsorption site.

Pourquoi la température de surface dans les Tropiques présente-t-elle un maximum autour de 30°C, quels sont les mécanismes qui contrôlent la stabilité du climat tropical, et quelles peuvent être les spécificités de l'impact d'un changement climatique dans cette région du globe? Un modèle bicolonne simple est utilisé pour confirmer la grande sensibilité du climat tropical aux changements des surfaces relatives occupées par les zones sèches et humides, en particulier dans le cadre d?un réchauffement climatique dû à une augmentation des gaz à effet de serre. L?influence des vents de surface se révèle importante. Les systèmes bicolonnes humide/sèche ont une distribution de taille bimodale dans les observations, avec un mode synoptique et un mode de grande échelle. Cette bimodalité peut être reproduite par un modèle simple, où la dynamique de surface opère la sélection d?échelle. Enfin, les limites de la modélisation idéalisée de la couche limite des alizés sont mises en évidence.

Ce travail porte sur l'étude des principaux processus physico-chimiques dirigeant la redistribution des polluants photochimiques et la capacité oxydante de l'atmosphère, grâce à une approche par la modélisation méso-échelle à l'aide du modèle RAMS-Chimie. Ces études ont été réalisées dans le cadre de l'exercice ESCOMPTE d'intercomparaison de modèles de transport chimie. Cette campagne s'est déroulé dans le sud-est de la france, à proximité de la zone urbanisée de Marseille et du site industriel de Fos-Berre. Grâce au développement et au couplage d'un interprét- eur de mécanismes chimiques, d'un module de dépôt sec, et d'un code de calcul "online" des taux de photolyse, nous avons pu étudier l'impact de ces différents processus dans la répartition des polluants et de la capacité oxydante de l'atmosphère. Nous montrons que le calcul "online" des taux de photolyse est nécessaire pour ne pas modifier la représentation des radicaux et qu'un mécanisme chimique simplifié est suffisant dans le cadre d'études de processus, mais pas pour des études de qualité de l'air ou de capacité oxydante

La pollution atmosphérique en milieu urbain est un problème préoccupant car une fraction croissante de la population mondiale vit dans les villes. Les effets de la pollution se manifestent également sur la végétation urbaine et sur notre patrimoine architectural, de sorte que c'est la qualité de la vie de l'ensemble des habitants des métropoles de la planète qui est en jeu. Il est indispensable de connaître la composition des atmosphères urbaines et de comprendre les mécanismes qui régissent cette composition pour évaluer les conséquences de la pollution, définir les exigences de réduction des émissions et établir des scénarios des tendances futures. L'objectif du présent travail est de déterminer la composition chimique, les propriétés et le comportement des particules et des dépôts humides en Région bruxelloise. On a distingué les aérosols atmosphériques, les brouillards, les rosées (ou givres) récoltés à la fois sur les végétaux et sur un collecteur inerte, les pluies et les dépôts totaux (formés des pluies et des dépôts secs accumulés dans l'entonnoir de collecte en l'absence de pluie). Ce vaste objectif a été réalisé grâce à la collecte de nombreux échantillons sur une échelle de temps suffisante en différents endroits de la capitale, et à l'analyse de ces échantillons par des techniques variées et complémentaires (techniques classiques d'analyse d'échantillons liquides telles que spectrométrie d'absorption et d'émission atomique, chromatographie liquide, colorimétrie, ainsi que microscopie électronique et fluorescence des rayons-X). Trois collecteurs (pour le brouillard, la pluie et la rosée) ont été entièrement conçus et réalisés au laboratoire dans le cadre de ce travail. Les éléments suivants sont analysés: NO3, SO4, NH4, Na, Mg, Al, Si, P, S, CI, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Pb. Afin de comprendre les causes de la variabilité spatio-temporelle des concentrations, l'influence de paramètres tels que la saison, la direction du vent, et le lieu de prélèvement a été examinée. De plus, dans le cas des pluies et des brouillards, l'étude de l'évolution des concentrations au cours d'un même épisode a permis d'investiguer les processus physico-chimiques qui contrôlent le dépôt humide. Elle a permis d'acquérir une meilleure connaissance des mécanismes d'incorporation des aérosols dans la phase aqueuse et du phénomène de lessivage de l'atmosphère. Tout au long de ce travail, les interactions entre la phase particulaire (aérosols) et les phases liquides (brouillards, rosées, pluies) ont été examinées. Une relation entre les concentrations en éléments dissous et le volume d'eau de l'échantillon a été établie dans le cas des pluies, des rosées et des brouillards. Cette relation traduit un effet de dilution et démontre l'importance du mécanisme de condensation-évaporation des gouttes d'eau. L'importance du phénomène de nucléation des sulfates, nitrates et chlorures d'ammonium constitutifs de la fraction fine de l'aérosol soluble a été démontrée. Ces sels d'ammonium sont formés secondairement par des réactions de conversion gaz-particules. L'abondance des ions ammonium, et l'importance de leur action de neutralisation de l'acidité, constituent une particularité de l'atmosphère bruxelloise. L'identification des sources de particules et d'éléments en relation avec leurs propriétés chimiques et granulométriques a été réalisée en utilisant divers outils statistiques (corrélations entre éléments, analyse factorielle) et géochimiques (rapports de concentration, facteurs d'enrichissement, granulométrie). Les apports d'origine marine, continentale, biologique et anthropique (trafic, incinération des déchets, processus de combustion) ont ainsi été clairement mis en évidence dans l'aérosol et le brouillard bruxellois.

L'étalonnage de SPOT-HRV est réalisé depuis plus de dix ans sur le site de La Crau. Lors de campagnes de mesures, plusieurs équipes caractérisent l'atmosphère et la réflectance de surface afin de prédire le signal d'entrée de HRV. Notre objectif est de réaliser cet étalonnage à partir de mesures automatiques en continu.<br /><br />La théorie du transfert radiatif est utilisée pour prédire le signal satellitaire et nous en rappelons les principes. Nous présentons ensuite les satellites SPOT, en particulier SPOT4. Enfin, nous exposons les méthodes employées pour l'étalonnage absolu et relatif des capteurs.<br /><br />Notre instrumentation consiste en un radiomètre entièrement étalonné in situ. L'étalonnage en éclairement est basé sur la méthode de Bouguer. En luminance, il est effectué aux courtes longueurs d'onde sur la diffusion Rayleigh. Enfin, l'étalonnage est propagé aux<br />grandes longueurs d'onde grâce à une méthode originale. Nous présentons un bilan de l'étalonnage in situ de la station.<br /><br />Les effets atmosphériques et la réflectance de surface sont évalués à partir des mesures de la station. Les aérosols sont décrits par leur épaisseur optique et leur granulométrie, représentée par un modèle de Junge. La réflectance bidirectionnelle est ramenée dans la<br />géométrie de visée du satellite grâce à une modélisation des effets directionnels.<br /><br />La luminance TOA est alors estimée. La transmission gazeuse est calculée par le code 6S. Le code des Ordres Successifs de Diffusion est utilisé pour calculer le signal TOA. Nous avons évalué quatre jeux de coefficients pour SPOT4 et un pour SPOT2. La comparaison avec les coefficients du CNES montre un écart plus important que l'incertitude estimée de notre méthode. L'écart reste comparable à ceux obtenus auparavant sur La Crau. Il ne semble pas dû à un biais systématique et pourra être réduit par une collecte conséquente. Maintenant opérationnelle, la station permettra cette collecte, améliorant ainsi l'estimation des coefficients de SPOT.

L'objectif était d'approfondir notre connaissance sur les mécanismes d'échanges, près des zone s de convection profonde, plus particulièrement en périphérie des cyclones tropicaux en explorant les liens entre la convection tropicale et l'ozone troposphérique. Une approche climatologique a montré que l'influence de l'occurence fréquente de ces systèmes convectifs sur l'ozone troposphérique est double. L'analyse d'un cas de transfert subsident intense le 6 avril 1995 à la Réunion, alors à l'ouest du système Marlène, a permis de caractériser cet échange stratosphère-troposphère. L'examen du modèle idéalisé de cyclone tropical Hurricane a apporté des compléments dynamiques et a généralisé cette étude de mécanismes. De manière complémentaire au cas Marlène, trois situations météorologiques distinctes ou une forte interaction entre les dynamiques de la convection, du système jet-front et des ondes de Rossby induisent des échanges stratosphère-troposphère sont documentées

Cette thèse présente la preuve de concept d’un nouveau système de télédétection multi-gaz utilisant la spectroscopie active d'absorption optique différentielle (active Differential Optical Absorption Spectroscopy ou active DOAS). Le système opère dans l’infrarouge proche et moyen. Celui-ci est conçu pour mesurer des gaz à une distance d’une centaine de mètres avec l’utilisation de cibles non coopératives, telles que les éléments de la topographie du terrain. Le système inclut un générateur paramétrique (Optical Parametric Generator ou OPG) permettant la génération d’impulsions ayant un spectre large (10 à &gt; 100 nm) et dont la longueur d’onde centrale est accordable entre 1.5 et 3.8 µm. Un télescope couplé à un spectrographe et à une caméra MCT-APD maison permettent de détecter le spectre de retour de chaque impulsion. Les expériences montrent la détection simultanée, dans l’air et dans une cellule, de H2O et CO2 à 2 µm et de H2O et CH4 à 3.3 µm. Les limites de détection pour notre expérience sont respectivement de 158 et 1 ppm·m pour le gaz carbonique et le méthane. Un algorithme original permet d’extraire les concentrations de gaz à partir d’un spectre de transmission présentant de signatures fortes d’absorption. Le développement d’un OPG conçu spécialement pour le système est détaillé. Son utilisation offre des avantages intéressants pour la mesure de gaz à distance. Les propriétés de l’OPG sont étudiées numériquement et expérimentalement afin d’optimiser son utilisation pour la mesure de gaz. Nous discutons des compromis à faire sur les paramètres de la pompe, du cristal et des sources d’injection (seed). L’objectif est d’optimiser la densité spectrale et la divergence tout en augmentant l’énergie de sortie. Un laser d’injection large bande est construit et il permet d’optimiser la stabilité de l’OPG d’une impulsion à l’autre, la densité d’énergie et la divergence. Un modèle numérique permet de simuler correctement le niveau de puissance de l’OPG, d’expliquer les mécanismes de saturation de l’amplificateur et de proposer des moyens pour améliorer la stabilité d’une impulsion à l’autre. / This thesis presents the proof-of-concept of a novel remote sensing system designed for the detection of molecular species, such as gas pollutants, via active Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) in the short and mid wavelength infrared (SWIR/MWIR). The system is designed to be used in applications where gases need to be detected at a distance of about one hundred meters with the use of non-cooperative targets such as topographical features. The system includes an Optical Parametric Generator (OPG) generating broad linewidth (10 to &gt; 100 nm) pulses tunable between 1.5 and 3.8 µm. A telescope coupled to a grating spectrograph and an in-house gated MCT-APD measures the whole return spectrum of each pulse. Experiments show simultaneous detection in indoor atmospheric air and inside a cell of H2O and CO2 at 2 µm and H2O and CH4 at 3.3 µm. In the context of our experiment, the detection limits for CO2 and CH4 are 158 and 1 ppm·m, respectively. A new algorithm is also presented enabling the determination of concentrations when spectra include strong absorption features. The development of a dedicated Optical Parametric Generator (OPG) is presented in detail. Its use in remote sensing of gaseous pollutants offers some promising advantages. The OPG properties are studied numerically and experimentally in order to optimize its use for the application. We discuss trade-offs to be made on the properties of the pump, crystal and seeding signal in order to optimize the pulse spectral density and divergence while enabling energy scaling. A seed with a large spectral bandwidth is shown to enhance the pulse to pulse stability and optimize the pulse spectral density and divergence. A numerical model simulating the OPG process is proposed and includes the multiple wavelength nature of the beams. It shows excellent agreement with experimental output power. The model also explains the mechanisms of gain saturation in OPGs and helps finding means of enhancing the pulse to pulse stability.

En ce qui concerne des méthodes d’ensemencement de nuages, les filaments de laser ont des avantages particuliers par rapport à des méthodes traditionnelles. Jusqu’à présent, la condensation induite par le filament de laser a été observée uniquement dans des conditions saturées ou sursaturées. La condensation induite par le filament dans des conditions sous-saturées reste un domaine presqu’inconnu. Nous postulons que la condensation est possible dans des conditions sous-saturées dans la mesure où la cadence des impulsions femtosecondes soit élevé, et qu’une cadence élevée pourrait engendrer une turbulence plus forte, ce qui contribuerait à la condensation. Pour mieux comprendre la condensation dans une condition sous-saturée, nous utilisons une chambre à nuages inversée. Nos recherches permettent d’observer la présence d’agrégats de brume à l’oeil nu ainsi qu’au moyen d’une caméra numérique, et la croissance des gouttelettes d’eau en dessous du filament, ce qui confirme notre hypothèse. / Laser filaments have unique advantages compared to other traditional methods when it comes to cloud seeding techniques. Till now, laser filament induced condensation has been observed in saturated or super-saturated conditions alone. Filament induced condensation in sub-saturated conditions remains mostly unexplored. We postulate that condensation is possible in sub-saturated conditions if femtosecond laser pulses of high repetition rate capable of generating a turbulence strong enough to contribute to the condensation process are used. To better understand condensation in sub-saturated conditions, an inverted cloud chamber is used. In our findings, we observe mist packets with and without a digital camera, as well as growth of water droplets under the filament, which in turn confirm our hypothesis.

Les ondes d'est africaines (AEWs) sont des perturbations baroclines synoptiques (périodes 3-5 jours; longueurs d'onde 2000-5000 km) qui se propagent d'est en ouest sur le continent ouest-africain de manière intermittente au cours de la saison de mousson. Cette thèse a pour objectif de mieux comprendre l'intermittence intra-saisonnière des AEWs en combinant des considérations sur l'origine et le déclenchement des ondes, et sur l'influence de l'environnement de croissance, en particulier le jet d'est africain (AEJ). Une analyse statistique permet de souligner les relations complexes entre les fluctuations intra-saisonnières de l'AEJ, la convection et l'activité en AEWs dans les observations. Une approche de modélisation idéalisée est également adoptée, qui met en oeuvre un modèle atmosphérique global uniquement dynamique et guidé par un terme de forçage constant dérivé des observations. Dans une première configuration, des AEWs sont déclenchées sur un état de base fixe en réponse transitoire à un chauffage convectif appliqué localement en amont de l'AEJ. L'efficacité d'un tel déclenchement est testée sur un large jeu d'états de base constitués à partir des observations pour représenter la variabilité intra-saisonnière de l'AEJ. Il est mis en évidence une forte dépendance de la réponse transitoire à l'état de base. Une deuxième configuration du forçage laisse le modèle libre de développer sa propre activité transitoire. Des AEWs réalistes se développent de manière intermittente dans ce GCM simple. Il est montré qu'elles y sont déclenchées par des précurseurs de nature dynamique, originaires des moyennes latitudes (de l'Atlantique nord en particulier).

Les aérosols perturbent l'équilibre radiatif de la Terre via leurs effets directs (diffusion et absorption du rayonnement solaire) et indirects (interaction avec les nuages). La perturbation anthropique sur le climat liée aux émissions d'aérosols est du même ordre de grandeur que celle liée aux gaz à effet de serre, mais bien moins connue. Pour améliorer notre connaissance de cette perturbation, il est nécessaire de mieux connaître la distribution spatio-temporelle des aérosols. En effet, la description des sources et du transport dans les modèles d'aérosols reste incertaine et l'information fournie par les satellites est incomplète (pas de détection en présence de nuages, pas d'information sur la distribution verticale ou sur la nature chimique). De plus, les campagnes de mesures sont localisées dans l'espace et dans le temps. Mon travail de thèse vise à améliorer la connaissance des distributions d'aérosols via l'assimilation de mesures spatiales dans un modèle de transport. On combine ainsi les informations apportées par la mesure spatiale (épaisseur optique) avec celles du modèle (type de particules attendues, distribution verticale). Dans cette étude, les données de l'instrument spatial POLDER sont assimilées dans le modèle LMDz-INCA. Les résultats montrent tout l'intérêt d'utiliser l'ensemble de l'information disponible. Dans beaucoup de régions, cette méthode a permis d'améliorer notre connaissance des distributions (en termes de réduction des erreurs RMS). Un exemple d'application à l'étude de l'effet indirect des aérosols est montré.