Malgré des années de travaux théoriques et observationnels intensifs, nous sommes toujours loin d'une complète compréhension de l'univers proche, la Voie Lactée (MW) et ses galaxies voisines. Parmi les satellites de la MW, le Petit et le Grand Nuage de Magellan (LMC) sont particulièrement intéressants puisqu'ils forment le plus proche exemple de galaxies en interaction gravitationnelle et hydrodynamique, et partant, constituent un laboratoire unique pour étudier les effets des marées et l'échange de matière sur l'évolution chimique et l'histoire de la formation stellaire d'une galaxie. Le LMC est une galaxie de petite masse barrée à disque, prototype des galaxies riches en gaz que l'on pense jouer un rôle important dans la construction des grandes galaxies dans le cadre du ΛCDM. De plus, avec sa métallicité actuelle d'environ le tiers de la métallicité solaire, le chemin d'enrichissement chimique suivi par le LMC donne un grand poids aux yields des générations stellaires pauvres en métaux, ce qui fait du LMC un environnement idéal pour étudier la nucléosynthèse aux basses métallicités. Ce travail de doctorat vise à: 1) caractériser chimiquement la population de la barre du LMC, 2) comparer les tendances des éléments de la MW et du LMC et interpréter les différences ou ressemblance en termes d'évolution chimique et/ou de processus nucléosynthétiques (contraintes sur les sites et les processus nucléosynthétiques), 3) comparer l'évolution chimique de la barre et du disque interne du LMC et interpréter les différence ou ressemblance dans le contexte de la formation de la barre. Nos résultats montrent que l'histoire chimique du LMC a connu un forte contribution des supernovae de type I ainsi qu'un fort enrichissement en éléments s par les vents d'étoiles AGB pauvres en métaux. Par rapport à la MW, les étoiles massives ont eu une contribution plus petite à l'enrichissement chimique du LMC. Les différences observées entre la barre et le disque parlent en faveur d'un épisode de formation stellaire accrue il y a quelques Gyr, ayant lieu dans les zones centrales du LMC et conduisant à la formation de la barre. Ceci est en accord avec les histoires de la formation stellaire récemment dérivées.

Les stratus arctiques en phase-mixte sont fréquemment observés en Arctique, particulièrement lors des saisons de transition. Les observations ont montré qu'ils ont un impact considérable sur le bilan énergétique en surface. Ces nuages sont caractérisés par une instabilité colloïdale et par des interactions complexes avec les aérosols qui compliquent la simulation numérique de ces nuages. Des études antérieures ont montré que les modèles ont tendance à sous-estimer la quantité d'eau liquide et à prédire une quantité de glace supérieure à celle observée. Cette mauvaise partition des phases dans les nuages simulés fausse la simulation de la durée de vie des nuages ainsi que le forçage radiatif en surface. Les procédés microphysiques responsables de la partition de l'eau liquide et de la glace dans les stratus arctique en phase-mixte ne sont pas encore totalement compris et nécessitent des études plus approfondies. L'objectif de ce projet de recherche est d'évaluer la performance de quatre schémas microphysiques pour la simulation des nuages arctiques en phase-mixte observés lors de la campagne Mixed-Phase Arctic Clouds Experiment (M-PACE) qui a eu lieu sur la côte nord de l'Alaska à l'automne 2004. Les schémas ont été implantés dans le modèle canadien Global Environnemental Multi Échelle à aire limitée (GEM-LAM) et les simulations sont faites à une résolution horizontale de 2,5km. Les quatre schémas sont de complexité différente, deux sont à simple moment et deux sont à double moment. Les résultats montrent que tous les schémas surestiment la quantité d'eau liquide et ont de la difficulté à reproduire les nombreuses couches nuageuses observées. L'analyse des résultats a montré que tous les schémas ont de la difficulté à bien partitionner les phases liquide et solide. De plus, l'implantation de paramétrage plus complexe pour la nucléation hétérogène de la glace permet d'améliorer les résultats pour les schémas à simple moment, mais a peu d'effets pour les schémas à deux moments. Les schémas à double moment comporte un plus grand nombre de procédés qui peuvent influencer les résultats. Il en ressort que modifier les paramétrages de nucléation primaire dans ce type de schéma a des effets limités sur les résultats. La modification du paramétrage du gel par déposition dans le schéma de Morrison et al. par un paramétrage plus complexe basé sur les travaux de Eastwood et al. (2009) a eu très peu d'influence sur les résultats et n'a pas permis d'augmenter la quantité de glace simulée. Par contre, l'implantation de ce même paramétrage combiné à l'implantation de paramétrages plus performants pour le gel par immersion et par contact dans le schéma de Kong et Yau a permis d'augmenter la quantité de glace simulée dans les nuages en phase-mixte et d'améliorer la simulation de la structure verticale du contenu en eau liquide. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Microphysique des nuages, Modélisation numérique, Climat arctique, GEM-LAM.

Un système de prévision d'ensemble locale (LEPS-Local Ensemble Prediction System) ciblant la prévision des brouillards et nuages bas sur l'aéroport international de Paris Charles de Gaulle a été développé pour la prévision courte échéance du risque d'occurrence de conditions LVP (Low visibility Procedure – visibilité < 600m et/ou plafond < 60m). Les sources d'incertitudes sur les entrées du modèle numérique COBEL-ISBA ont été identifiées sur les conditions initiales et sur les forçages de mésoéchelle. Une calibration bayesienne (BMA-Bayesian Model Averaging) a été appliquée sur l'ensemble afin d'améliorer la fiabilité du système. La validation de LEPS montre que ce système probabiliste fournit des prévisions fiables de courte échéance du risque d'occurrence de conditions LVP sur l'aéroport de Paris Charles de Gaulle. Si bien que LEPS ouvre des perspectives intéressantes pour la planification des vols, la sécurité et la gestion de la plate-forme aéroportuaire

La représentation des nuages est une source importante d'incertitude dans les modèles à échelle synoptique ou globale. Pour l'améliorer, la solution retenue au Laboratoire de Météorologie Physique consiste à construire un modèle de nuage le plus réaliste possible, pour pouvoir ensuite le comparer avec des représentations plus simplifiées des nuages et détecter leurs éventuelles faiblesses. Dans un premier temps, un modèle de nuage tridimensionnel et à microphysique détaillée pour la phase liquide a été développé par Leporini (2005) à partir du modèle dynamique 3D de Clark et Hall (1991) et du modèle microphysique DESCAM (DEtailed SCAvenging Model) de Flossmann et al. (1985). L'objectif de cette thèse était de compléter ce modèle avec la phase glace. Le modèle final appelé DESCAM-3D utilise au total 195 variables pour décrire les caractéristiques microphysiques des nuages. De plus, 3 distributions (sur 5 au total) servent à représenter les particules d'aérosol résiduelles et interstitielles. Ainsi, le modèle DESCAM-3D est aussi un outil particulièrement adapté pour l'étude des interactions entre aérosol - nuage. <br />Le modèle DESCAM-3D a été validé par comparaison avec des mesures aéroportées dans un nuage convectif de la campagne CRYSTAL-FACE (Cirrus Regional Study of Tropical Anvils and Cirrus Layers – Florida Area Cirrus Experiment) et avec des observations de la précipitation au sol dans un cas de convection moyenne au dessus des Cévennes (Expérience Alès 2004). Enfin, les premières études des interactions aérosol-nuages avec DESCAM-3D ont déjà montré que le nombre des particules d'aérosol influence la précipitation au sol mais aussi la dynamique du nuage et de ce fait peut avoir des répercussions sur les propriétés de l'enclume des nuages convectifs.

Cette thèse est consacrée à l'étude des «blobs à haute excitation»<br />(HEBs), phase caractéristique de la formation des étoiles massives,<br />encore mal connue. Ces objets sont des régions HII compactes des<br />Nuages de Magellan, observables dans le domaine optique. Par le biais d'observations à haute résolution angulaire (HST, ainsi que<br />restoration d'images de téléscopes au sol), j'ai mis en évidence les différentes populations stellaires associées aux blobs. Des<br />observations proche-IR (VLT) m'ont également permis de sonder<br />l'environnement extrêmement hétérogène de ces objets. De plus, une<br />étude spectroscopique m'a permis de définir une nouvelle catégorie de ces objets : les blobs à faible excitation (LEBs). Cet ensemble de données m'a permis de mener une étude détaillée de plusieurs<br />propriétés physiques de ces objets et souligne l'intérêt de leur étude avec les instruments en cours de réalisation (ALMA, JWST, etc.).

Il existe trop d'exemples autour de nous qui prouvent qu'en hydrodynamique une surface polie ne présente pas systématiquement les avantages hydrodynamiques escomptés sur une surface rugueuse. Les rugosités influent activement sur le développement des couches limites turbulentes et interagissent différemment en fonction de leurs caractéristiques physiques. Plongé dans un écoulement hydraulique à nombre de Reynolds élevé, les aubes ou pales d'hélices déclenchent localement un phénomène physique, appelé cavitation, qui correspond à l'apparition de bulles de gaz et de vapeur dans un liquide soumis à une dépression. Dans le cadre de cette thèse, les expérimentations sont menées dans un tunnel de cavitation, de plus des mesures par LDV ont été réalisées de sorte à définir le profil du vecteur vitesse de l'écoulement dans le sens longitudinal. Une caméra CCD à très grande vitesse permet la prise d'image sur la formation des poches et nuages de cavitation. Dans le cas de l'hydrofoil 2D, les expérimentations menées sur les différentes plaques partiellement rainurées ont mis en évidence le caractère hydrodynamique différent sur chacune d'entre elles, car la taille de poches cavitantes diffère en fonction des caractéristiques des indentations. Les résultats ont montré que la profondeur des indentations est un paramètre déterminant, alors que les plus petites profondeurs des rainures (plus petites que la hauteur de la sous-couche visqueuse) n'ont pas d'effet sur la longueur des poches cavitantes. Certaines plaques provoquent des variations sur les instabilités de cavitation pour lesquelles la longueur des poches cavitantes est réduite. L'étude de la fréquence d'expulsion des poches cavitantes, par le moyen de la caméra rapide a permis de mettre en évidence deux régimes de cavitation différents. Cette étude a démontré la faisabilité d'un contrôle passif de la cavitation sur un profil de venturi en modifiant l'état de surface par des indentations organisées dans le sens de l'écoulement.

Le milieu nuageux est un milieu complexe au sein duquel un grand nombre d'espèces chimiques peuvent être transformées. Dans ce cadre, la caractérisation chimique et la réactivité photochimique de la phase aqueuse des nuages ont été étudiées. La caractérisation chimique de la phase aqueuse des nuages a permis de montrer que les masses d'air échantillonnées au sommet du puy de Dôme sont majoritairement sous trois influences distinctes, à savoir océanique, continentale et anthropique. La distribution des paramètres physicochimiques et des composés inorganiques est dépendante du type de masses d'air échantillonnées. De plus, la quantification des acides carboxyliques et des aldéhydes a permis de mettre en avant la complexité de la matière organique avec la présence d'une multitude de composés encore non identifiés. L'étude de la réactivité photochimique de la phase aqueuse des nuages a également été réalisée, montrant que la capacité photooxydante de la phase aqueuse des nuages ainsi que les vitesses de dégradation de différentes espèces chimiques sont plus importantes pour les masses d'air polluées. Pour la première fois, des vitesses de photoproduction des radicaux hydroxyles ont été évaluées dans la phase aqueuse des nuages, montrant que les ions nitrates et le peroxyde d'hydrogène sont des sources photochimiques majeures des radicaux hydroxyles (représentant jusqu'à 80 % de leur photoproduction totale).

Peu de stations au sol mesurent l'éclairement et des méthodes ont été développées pour l'évaluer à partir d'images prises par des satellites géostationnaires ou en orbite polaire. Dans les méthodes actuelles, dites inverses, le signal perçu par le satellite est inversé pour dériver le rayonnement au sol. Il est estimé de manière générale que les limites des méthodes inverses sont certainement atteintes en terme de précision. En conséquence, une nouvelle voie, basée sur la modélisation directe de la propagation du rayonnement solaire dans l'atmosphère, est explorée. Dans cette thèse, nous concevons une nouvelle méthode -dite Heliosat-4- basée sur le code de transfert radiatif libRadtran et tirant profit des produits de meilleure qualité, extraits des nouvelles capacités d'observation de la terre. Dans cet objectif, nous avons - par une analyse de sensibilité, établi les entrées nécessaires pour toute méthode basée sur un code de transfert radiatif, - établi que l'éclairement au sol pour une atmosphère nuageuse peut être considéré comme égal au produit de l'éclairement obtenu par ciel-clair et d'une fonction de l'extinction due aux nuages et de la contribution de la réflectance du sol, - mis en œuvre des approximations de l'équation de transfert radiatif pour des atmosphères claire ou nuageuse, permettant des calculs rapides. Heliosat-4 est affranchi des paramètres empiriques, facile à implémenter et fournit simultanément les composantes directe, diffuse et la distribution spectrale de l'éclairement. Ces caractéristiques, bien que nécessaires pour différentes applications, sont rarement fournies. Les premiers résultats de la validation de cette nouvelle méthode avec les mesures sol sont prometteurs : les performances observées sont proches de celles des méthodes actuelles.

Les mécanismes de formation des nuages de glace arctiques durant la nuit polaire sont encore mal définis en raison de l’absence d’observations et de l’éloignement de cette région. Pourtant, leur influence sur les conditions météorologiques et sur le climat dans l’hémisphère nord est d’une importance primordiale ; et les connaissances sur la modification de leurs propriétés, liées à des processus d’interaction aérosol-nuage, doivent être améliorées. Les fortes concentrations d’aérosols en Arctique durant la nuit polaire sont associées au transport des aérosols anthropiques des latitudes moyennes jusqu’au pôle Nord. Les observations et les modèles montrent que cela peut conduire à un transport important de particules d’aérosol acidifiées. Les mesures en laboratoire et in situ montrent qu’à basse température (< -30°C), le revêtement d’acide sur les noyaux glaçogènes (IN) peut réduire leurs propriétés de nucléation de la glace. Par conséquent, leur concentration est réduite dans ces régions entraînant une plus faible concentration de plus gros cristaux de glace en raison d’une diminution de la compétition pour une humidité disponible similaire. De nombreuses mesures de terrain et par télédétection par satellite (CloudSat et CALIPSO) révèlent l’existence de deux types de nuages de glace (TIC) en Arctique durant la nuit polaire. Les nuages de glace de type 1 (TIC-1) ne sont visibles que par le lidar tandis que les nuages de glace de type 2 (TIC-2) sont perçus à la fois par le lidar et le radar. Les TIC-2 sont divisés en TIC-2A et TIC-2B. Les TIC-2A sont recouverts d’une fine couche de petits cristaux de glace non-précipitant (invisible par le radar) (TIC-1), tandis que les TIC-2B ne le sont pas. Ils sont caractérisés par une faible concentration de gros cristaux de glace. On suppose que la microstructure des TIC-2B est liée à l’acidification des aérosols. Pour vérifier cette hypothèse, des études de cas et des approches statistiques ont été combinées afin d’analyser le transport des aérosols et les propriétés des nuages de glace en Arctique. La première partie de la thèse enquête sur les propriétés microphysiques des TIC-1/2A et TIC-2B, en analysant des mesures aéroportées et satellitaires de cas spécifiques observés durant la campagne de mesures ISDAC (Alaska, Avril 2008). Pour la première fois, les microstructures des TIC-1/2A et TIC-2B en Arctique sont comparées en utilisant les observations in-situ des nuages. (...) La deuxième partie de la thèse enquête sur l’origine des masses d’air formant deux cas spécifiques de TICs ISDAC : TIC-1/2A (1 Avril 2008) et TIC-2B (15 Avril 2008), en utilisant des outils de trajectoire et des données satellitaires. / Arctic ice cloud formation during winter is poorly understood mainly due to the lack of observations and the remoteness of this region. Yet, their influence on Northern Hemisphere weather and climate is of paramount importance, and the modification of their properties, linked to aerosol-cloud interaction processes, needs to be better understood.Large concentration of aerosols in the Arctic during winter is associated to long-range transport of anthropogenic aerosols from the mid-latitudes to the Arctic. Observations and models show that this may lead to a significant transport of acidified aerosol particles. Laboratory and in-situ measurements show that at cold temperature (< -30°C), acidic coating may reduce the ice nucleating properties of ice nuclei (IN). Therefore, the IN concentration is reduced in these regions, resulting to a smaller concentration of larger ice crystals and because of the reduced competition for the same available moisture.Extensive measurements from ground-based sites and satellite remote sensing (CloudSat and CALIPSO) reveal the existence of two Types of Ice Clouds (TICs) in the Arctic during the polar night and early spring. The first Type of Ice Clouds (TIC-1) are visible only by the lidar while the second Type of Ice Clouds (TIC-2) are detected by both the lidar and radar. TIC-2 are divided into TIC-2A and TIC-2B. TIC-2A are topped by a cover of non-precipitating very small (radar-unseen) ice crystals (TIC-1), while TIC-2B are not. They are characterized by a low concentration of large ice crystals. It is hypothesized that the observed low concentration of large ice crystals, leading to precipitation (e.g. cloud regime TIC-2B), is linked to the acidification of aerosols. To check this, we are combining case studies and statistical approaches to analyse aerosol transport and cloud properties in the Arctic.The first part of the thesis investigate the microphysical properties of TIC-1/2A and TIC-2B, analysing airborne in-situ and satellite measurements of specific cases observed during the ISDAC campaign (Alaska, April 2008). For the first time, Arctic TIC-1/2A and TIC-2B microstructures are compared using in-situ cloud observations. Results show that the differences between them are confined in the upper part of the clouds where ice nucleation occurs. TIC-2B were characterized by fewer (< 10 L-1) and larger (> 110 μm) ice crystals, a larger ice supersaturation (> 15 %) and a fewer ice nuclei (IN) concentration (< 2 order of magnitude) when compared to TIC-1/2A. Ice crystal growth in TIC-2B clouds seems explosive whereas it seems more gradual in TIC-1/2A. It is hypothesized that these differences are linked to the number concentration and the chemical composition of aerosols. The second part of the thesis investigate the origin of air masses forming two specific cases ; TIC-1/2A (1 April 2008) and TIC-2B (15 April 2008), using trajectory tools and satellite data.(...)

Il existe trop d'exemples autour de nous qui prouvent qu'en hydrodynamique une surface polie ne présente pas systématiquement les avantages hydrodynamiques escomptés sur une surface rugueuse. Les rugosités influent activement sur le développement des couches limites turbulentes et interagissent différemment en fonction de leurs caractéristiques physiques. Plongé dans un écoulement hydraulique à nombre de Reynolds élevé, les aubes ou pales d'hélices déclenchent localement un phénomène physique, appelé cavitation, qui correspond à l'apparition de bulles de gaz et de vapeur dans un liquide soumis à une dépression. Dans le cadre de cette thèse, les expérimentations sont menées dans un tunnel de cavitation, de plus des mesures par LDV ont été réalisées de sorte à définir le profil du vecteur vitesse de l'écoulement dans le sens longitudinal. Une caméra CCD à très grande vitesse permet la prise d'image sur la formation des poches et nuages de cavitation. Dans le cas de l'hydrofoil 2D, les expérimentations menées sur les différentes plaques partiellement rainurées ont mis en évidence le caractère hydrodynamique différent sur chacune d'entre elles, car la taille de poches cavitantes diffère en fonction des caractéristiques des indentations. Les résultats ont montré que la profondeur des indentations est un paramètre déterminant, alors que les plus petites profondeurs des rainures (plus petites que la hauteur de la sous-couche visqueuse) n'ont pas d'effet sur la longueur des poches cavitantes. Certaines plaques provoquent des variations sur les instabilités de cavitation pour lesquelles la longueur des poches cavitantes est réduite. L'étude de la fréquence d'expulsion des poches cavitantes, par le moyen de la caméra rapide a permis de mettre en évidence deux régimes de cavitation différents. Cette étude a démontré la faisabilité d'un contrôle passif de la cavitation sur un profil de venturi en modifiant l'état de surface par des indentations organisées dans le sens de l'écoulement. / There are too many examples around us which prove that in hydrodynamics a polite surface does not present systematically the hydrodynamics advantages were expected on a rough surface. The roughness influence actively the development of the turbulent boundary layers and interact differently according to their physical characteristics. Plunged into a hydraulic flow to high number of Reynolds, blades of propellers activate locally a physical phenomenon, called cavitation, which corresponds to the appearance of bubbles of gas and vapor in a liquid submitted to a depression. Within the framework of this thesis, the experiments are led in a tunnel of cavitation, and measures by LDV were realized so as to define the profile of the speed vector of the flow in the longitudinal direction. A very high-speed camera CCD allows the taking of image on the formation of pockets and clouds of cavitation. In the case of the 2D hydrofoil, the experiments led on the various partially grooved patches highlighted the character hydrodynamics different on each of them, because the size of cavitants pockets differs according to the characteristics of the indentations. The results showed that the depth of the indentations is a determining parameter, while the smallest depths of grooves (smaller than the height of the viscous sublayer) have no effect on the length of cavitants pockets. Certain patches provoke variations on the instabilities of cavitation for which the length of cavitants pockets is reduced. The study of the frequency of detachment of cavitants pockets, by means of the fast camera allowed to highlight two regimes of different cavitation. This study demonstrated the feasibility of a passive control of the cavitation over a profile of venturi by modifying the state of surface by indentations organized in the direction of the flow.