Ce travail de thèse porte sur la compréhension du mécanisme dynamique de superrotation qui se produit dans les atmosphères de Vénus et Titan (satellite de Saturne), c'est à dire une rotation beaucoup plus rapide de l'atmosphère que celle de la "planète" solide. Ce phénomène dynamique, propre aux "corps telluriques" en rotation lente, est un sujet d'étude privilégié pour l'étude des mécanismes de transport atmosphérique. L'objectif est de comprendre et de contraindre les processus dynamiques qui entretiennent la superrotation en étudiant plus particulièrement le transport de moment cinétique (et de traceurs) par la circulation méridienne moyenne et les ondes. L'étude utilise le modèle 2D de circulation de Titan (modèle couplé dynamique-chimique-microphysique), et le modèle 3D de Vénus, encore en cours de développement au LMD. Les résultats récents fournis par les missions spatiales Cassini-Huygens et Venus Express ont servi à la validation des mécanismes dynamiques modélisés. <br /><br />Dans un premier temps, j'ai validé la circulation méridienne dans le modèle Titan, en comparant les observations et les distributions des composés chimiques modélisés, pour lesquels le transport joue un rôle déterminant. Cette circulation méridienne permet de valider les mécanismes dynamiques à l'origine de la superrotation dans le modèle, et d'interpréter les observations en terme de structures thermique, dynamique et chimique. <br /><br />En outre, les outils d'analyse que j'ai dévéloppés pour le modèle Vénus permettent d'une part de décrire les mécanismes de transport (de moment cinétique et de traceurs passifs) par la circulation méridienne moyenne et les ondes, et d'autre part de donner les principales caractéristiques de ces ondes (diagnostique des flux d'Eliassen Palm, analyse spectrale, etc.).<br /> Grâce à ces outils, mon travail de thèse montre que la circulation méridienne moyenne modélisée transporte le moment cinétique en altitude dans les régions équatoriales et vers les pôles au niveau de la branche supérieure des cellules de Hadley. Les instabilités barotropes des hautes latitudes interagissent avec l'écoulement moyen et créent des ondes de grande échelle qui vont ramener le moment cinétique vers l'équateur. Dans le modèle, ce sont les ondes de hautes fréquences, et en particulier les fameuses ondes à 4-5 jours terrestres observées au niveau des nuages, qui contribuent le plus à ce transport latitudinal, permettant ainsi de maintenir la superrotation équatoriale dans le modèle.

Cette thèse se penche sur la propagation d’ondes au sein du système coupléTerre-océan-atmosphère. La compréhension de ces phénomènes a une importance majeure pour l’étude de perturbations sismiques et d’explosions atmosphériques notamment dans le cadre de missions spatiales planétaires. Les formes d’ondes issues du couplage fluide-solide permettent d’obtenir de précieuses informations sur la source du signal ou les propriétés des milieux de propagation. On développe donc deux outils numériques d’ordre élevé pour la propagation d’ondes acoustiques et de gravité. L'u en différences finies et se concentre sur le milieu atmosphérique et la propagation d’ondes linéaires dans un milieu stratifié visqueux et avec du vent. Cette méthode linéaire est validée par des solutions quasi-analytiques reposant sur les équations de dispersion dans une atmosphère stratifiée. Elle est aussi appliquée à deux cas d’études : la propagation d’ondes liée à l’impact d’une météorite à la surface de Mars (mission NASA INSIGHT), et la propagation d’ondes atmosphériques liées au tsunami de Sumatra en 2004. La seconde méthode résout la propagation non-linéaire d’ondes gravito-acoustiques dans une atmosphère couplée, avec topographie, à la propagation d’ondes élastiques dans un solide visco-élastique. Cette méthode repose sur sur le couplage d’une formulation en éléments finis discontinus, pour résoudre les équations de Navier-Stokes la partie fluide, par éléments finis continus pour résoudre les équations de l’élastodynamique dans la partie solide. Elle a été validée grâce à des solutions analytiques ainsi que par des comparaisons avec les résultats de la méthode par différences finies. / This thesis deals with the wave propagation problem within the Earth-ocean-atmosphere coupled system. A good understanding of the these phenomena has a major importance for seismic and atmospheric explosion studies, especially for planetary missions. Atmospheric wave-forms generated by explosions or surface oscillations can bring valuable information about the source mechanism or the properties of the various propagation media. We develop two new numerical full-wave high-order modeling tools to model the propagation of acoustic and gravity waves in realistic atmospheres. The first one relies on a high-order staggered finite difference method and focus only on the atmosphere. It enables the simultaneous propagation of linear acoustic and gravity waves in stratified viscous and windy atmosphere. This method is validated against quasi-analytical solutions based on the dispersion equations for a stratified atmosphere. It has also been employed to investigate two cases : the atmospheric propagation generated by a meteor impact on Mars for the INSIGHT NASA mission and for the study of tsunami-induced acoutic and gravity waves following the 2004 Sumatra tsunami. The second numerical method resolves the non-linear acoustic and gravity wave propagation in a realistic atmosphere coupled, with topography, to the elastic wave propagation in a visco-elastic solid. This numerical tool relies on a discontinuous Galerkin method to solve the full Navier-Stokes equations in the fluid domain and a continuous Galerkin method to solve the elastodynamics equations in the solid domain. It is validated against analytical solutions and numerical results provided by the finite-difference 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.