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Caractérisation, modélisation et validation du transfert radiatif d'atmosphères non standard : impact sur les corrections atmosphériques d'images de télédétection

Zidane, Shems January 2012 (has links)
Cette étude est basée sur des données multi-altitudes aéroportées acquises en juillet 2004 lors d'un événement atmosphérique inhabituel dans la région de Saint-Jean-sur-Richelieu. Nous entendons en cela une atmosphère dont la distribution des aérosols ne respecte pas les variations habituellement implémentée dans les codes de transfert radiatifs. Les surfaces au sol imagées pendant cette campagne de terrain couvraient une variété spectrale assez diversifiée, à savoir des surfaces agricoles, des plans d'eau et des zones urbaines et forestières. L'aspect multi-altitude de cette acquisition de données a permis de caractériser les mêmes cibles au sol avec des contributions de l'atmosphère variant en fonction de l'altitude considérée afin de caractériser au mieux la perturbation observée durant cette campagne et de permettre une meilleure caractérisation de la perturbation apportée par une variation non-standard (panache de fumée). La transformation de la luminance apparente aux trois altitudes en réflectance apparente et l'implémentation de la perturbation apportée par le panache de fumée dans un modèle classique a permis une correction atmosphérique appliquée aux deux altitudes les plus hautes. Les résultats ont démontré une cohérence avec les réflectances apparentes de validation qui confirmait la véracité de notre modélisation du cas non-standard. Ces résultats ont d'autant plus étés pertinent [i.e. pertinents] pour la plus haute altitude de 3,17km : la réflectance apparente à cette altitude est au dessus de la majeur [i.e. majeure] partie du panache de fumée et intègre une bonne proportion de la perturbation apportée par ce panache, ce qui représente un test probant de notre capacité à corriger adéquatement l'influence de cette perturbation. Les perturbations atmosphériques standard sont évidemment prises en compte dans la majorité des modèles atmosphériques, mais ceux-ci sont souvent basés sur des variations monotones des caractéristiques physiques de l'atmosphère avec l'altitude. Lorsque la radiation atmosphérique est perturbée, par un panache de fumée ou un événement de pollution atmosphérique local et non standard, cela nécessite une modélisation et une modification adéquate des modèles existants en fonction des paramètres que l'on pourra obtenir sur ladite perturbation. Les intrants principaux de cette étude étaient ceux normalement utilisés lors d'une correction atmosphérique classique à savoir les luminances apparentes mesurées par un imageur aéroporté mais à trois altitudes différentes et l'épaisseur optique des aérosols (AOD) qui était acquise depuis le sol. La méthodologie que nous avons employé [i.e. employée] utilise aussi un code de transfert radiatif (CAM5S, pour Canadian Modified 5S, qui vient directement du code de transfert radiatif 5S dans le visible et proche infrarouge). Cependant il nous faudra aussi avoir recours à d'autres paramètres et données afin de modéliser correctement la situation atmosphérique particulière présente sur les images multi-altitude acquises pendant la campagne de terrain à Saint-Jean-sur-Richelieu. Nous avons alors élaboré un protocole de modélisation de perturbation atmosphérique non standard où une gamme de données auxiliaires disponibles est venue compléter nos données principales. Cela a permis l'élaboration d'une méthodologie robuste et relativement simple adaptée à notre problématique. Ces données auxiliaires, à savoir des données météorologiques, des profils LEDAR, différentes images satellites et des données de photomètres solaires qui ont permis la détermination de la fonction de phase des aérosols, ont été suffisantes pour établir une modélisation adéquate du panache de fumée observé en terme de distribution verticale non monotone des paramètres physiques relevés lors de cette campagne. Cette distribution non-standard à été par la suite interprétée en terme de profil spécifique de l'AOD qui a remplacé les profils des AOD employés dans le modèle de correction atmosphérique CAM5S. En fonction de cette modélisation, nous montrons que l'erreur entre les réflectances apparentes au sol obtenu [i.e. obtenue] par le processus de correction atmosphérique et les réflectances apparentes au sol provenant du processus de validation dR*(0), moyenné quadratiquement à travers les bandes visibles, reste majoritairement dans une gamme inférieure à 0,01 d'erreur quadratique moyenne des R*(0) après avoir modélisé la perturbation non-standard, ce qui permet une estimation plus acceptable des réflectances multi-altitude et du biais existant entre la prise en compte et la non prise en compte de cette perturbation dans le modèle atmosphérique. D'importants écarts ont néanmoins été observés, majoritairement attribuables à la difficulté apportée par les conditions d'acquisition, les grandes disparités observées entre l'échantillonnage des mêmes surfaces aux trois altitudes, et probablement des erreurs de modélisation et/ou de calibration. La nécessité d'améliorer le processus d'acquisition, de modélisation et de prévision de telle perturbation est largement décrit dans ce document afin de permettre à l'avenir d'établir un protocole d'acquisition plus adapté grâce notamment à une surveillance et un suivi des perturbations atmosphériques maintenant possible grâce aux outils décrits. L'originalité de cette étude réside dans une nouvelle approche de la caractérisation de ces perturbations atmosphériques par l'incorporation d'une structure non standard dans un modèle de correction atmosphérique opérationnel et de démontrer que cette approche présente des améliorations significatives des résultats par rapport à une approche qui ignore la perturbation du profil vertical standard tout en utilisant des valeurs d'AOD totaux correctement mesurés. Le modèle de profil que nous avons employé était simple et robuste, mais a capturé suffisamment de caractéristiques du panache pour réaliser des améliorations significatives en termes de précision de correction atmosphérique. Le processus global d'aborder tous les problèmes rencontrés dans l'analyse de notre perturbation des aérosols nous a aidé à construire une méthodologie appropriée pour caractériser ces événements sur la base de la disponibilité des données, distribué gratuitement et accessibles à la communauté scientifique. Cela rend cette étude adaptable et exportable à d'autres problématiques du même genre.
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Transport et combustion de particules générées par un feu de végétation

Sardoy, Nicolas 28 November 2007 (has links) (PDF)
Dans une optique de compréhension et de maîtrise du phénomène de sautes de feu (propagation d'incendie par projection de débris végétaux enflammés ou incandescents, appelés brandons), un modèle physique simulant le transport et la combustion des brandons lors d'un feu de forêt est développé. Le sous-modèle de combustion décrit la plupart des processus de dégradation thermique: pyrolyse du bois sec, combustion et gazéification du carbone résiduel, transferts thermiques... Le sous-modèle aérodynamique tient compte des phénomènes de traînée et de portance, ainsi que les effets de rotation du brandon. Le comportement des brandons est analysé dans deux configurations de feu de végétation: - un groupe d'arbres en feu où la zone de combustion et le panache de gaz chauds sont obtenus à partir d'un modèle diphasique 3D multi-classes soumis à un vent latéral; - une ligne d'arbres en feu où l'écoulement gazeux 2D est approché par un modèle intégral des équations de conservation dans le panache de fumées. Les calculs permettent de dégager l'influence des principales caractéristiques de l'incendie (intensité du feu, vitesse du vent) et des propriétés physiques initiales des brandons (diamètre, épaisseur, masse volumique, teneur en charbon) sur leur distance parcourue et leur masse restante au sol, ainsi que sur les critères d'extinction et de chute des brandons. Les résultats révèlent l'existence d'une distribution bi-modale au sol des brandons: - la plupart arrivant enflammés sur la végétation réceptive près du feu et présentent un grand danger de départ de feu; - et les autres tombant à l'état de braises loin en avant du front de feu. Une loi de distribution est obtenue pour les brandons à courte distance et permet d'estimer, entre autres, la distance moyenne de sautes.
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Contribution à l'étude des fontaines turbulentes / Turbulent miscible fountains

Mehaddi, Rabah 14 November 2014 (has links)
Une fontaine peut se créer quand la flottabilité d'un rejet vertical s'oppose à sa quantité de mouvement. Ce type d'écoulement connaît beaucoup d'applications que ce soit dans la nature (panaches issus des éruptions volcaniques) ainsi que dans l'industrie du bâtiment (chauffage et refroidissement) ou dans le domaine des risques (rejets accidentel de gaz lourd). Dans cette thèse, nous nous focalisons sur l'étude des fontaines turbulentes miscibles. Dans le premier chapitre nous reformulons le modèle théorique de Morton et al. (1956) pour traiter le cas des fontaines en milieu linéairement stratifié. La résolution de ce modèle permet d'obtenir des relations analytiques pour la hauteur de la fontaine et sa hauteur d'étalement. Ce modèle est, par la suite, étendu au cas des panaches et des jets turbulents en milieu linéairement stratifié. Dans le second chapitre, nous proposons un modèle théorique permettant d'étudier une fontaine turbulente miscible en régime établi. Pour calibrer ce modèle, des simulations numériques aux grandes échelles (LES) sont utilisées pour obtenir une estimation des valeurs des constantes associées aux phénomènes d'échanges turbulents entre les parties ascendante et descendante de la fontaine. L'objectif du dernier chapitre est d'apporter, à partir d'expérimentations en laboratoire, des informations quantitatives sur l'influence de forts écarts de masses volumiques dans les écoulements de type fontaine. Les expériences sont réalisées pour des fontaines gazeuses (mélange air/hélium) en régime établi. / A fountain can occur when the buoyancy of a vertically released fluid opposes its momentum. Such flows have many applications in nature (plumes issuing from volcanic eruption), building industry (cooling or heating) or in the area of risk management (accidental release of heavy dangerous gas). In this thesis, we focus on the study of miscible turbulent fountains. In the first chapter, we revisit the theoretical model of Morton et al. (1956) to handle the case of fountains in linearly stratified fluid. The resolution of this model allows us to obtain analytical relations for the fountain height as well as the spreading height of its horizontal layer. This model is subsequently extended to the case of turbulent jets and plumes in linearly stratified fluid. In the second chapter, we propose a theoretical model for the study of a turbulent miscible fountain in a steady state. To calibrate this model, large eddy simulations (LES) are used to obtain an estimate of the values of the constants associated with the additional terms appearing in the equations. The objective of the final chapter is to provide, from laboratory experiments, quantitative information on the influence of strong density differences on the behaviour of a turbulent fountain. These experiments shows that all the classical relations valid for the Boussinesq case can be extended to the non-Boussinesq case by using an appropriate definition of the Froude number.
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Cyrano de Bergerac d’Edmond Rostand. Une pièce « mythique » au cœur de l’atmosphère fin de siècle / Edmond Rostand’s Cyrano de Bergerac, a “mythical” play at the core of the fin de siècle atmosphere

Caritté, Clémence 03 December 2018 (has links)
Notre travail questionne l'assise temporelle de Cyrano de Bergerac d'Edmond Rostand. En effet, depuis 1897 et encore aujourd'hui, l'œuvre a la réputation d'être le dernier drame romantique français, au mépris des plus grandes évidences chronologiques. Notre approche allie littérature, histoire et sociologie. Notre travail s'applique dans un premier temps à éclairer cette impression d'anachronisme en explorant les pistes du romantisme, du cape et d'épée et des liens entretenus avec la comédie héroïque ainsi que la commedia dell'arte. Nous cherchons ensuite à montrer l'ancrage de la pièce dans son temps, en exhibant notamment ses rapports avec l'idéalisme fin de siècle et la modernité de sa proposition dramatique, qui tient du théâtre total, recourant par exemple fortement aux arts dits « mineurs ». Nous accordons toute leur place aux composantes du nez et du panache qui font l'originalité de l'œuvre rostandienne. Enfin, nous tâchons de saisir la constitution de Cyrano comme mythe littéraire et culturel en étudiant sa réception par la presse, la critique théâtrale, les artistes et la population, tout en soulignant le tournant qu'a représenté la Première Guerre mondiale. Nous interrogeons les tentatives de récupérations politiques en abordant l'aspect national de l'œuvre. Par là même, nous insistons, d'un point de vue littéraire, sur les spécificités du drame qui allie efficacement gauloiserie et préciosité. Nous soulignons finalement le passage du littéraire au moral, de l'esthétique à l'idéologique, pour montrer que Cyrano de Bergerac, loin de n'être qu'une simple pièce de théâtre, est devenue un véritable objet social. / This PhD dissertation queries the context in which Edmond Rostand wrote Cyrano de Bergerac. Since 1897, this play has been considered as the last French romantic drama, despite obvious chronological facts. Combining literature, history and sociology, this PhD dissertation throws light on this impression of anachronism by considering the entries of romanticism, cloak-and-dagger, heroic comedy and commedia dell'arte. Then, it shows that the work is deeply rooted in its time : first, because of its links with the "fin de siècle" idealism ; then, because it is an attempt of "total theatre" and because it includes arts that are often seen as "minor". Of course, we attach great importance to Cyrano's nose and panache which are key components of the play. Finally, studying how the newspapers, the dramatic critics, the artists and people apprehend the play and its heroe, this PhD dissertation considers Cyrano de Bergerac as a literary and cultural myth. Highlighting World War One as a turning point, we show that the play was used in a political way. Cyrano de Bergerac is supposed to be a national play but truly in a literary manner because of the alliance of "gauloiserie" and preciosity. Therefore, this dissertation shows how Rostand's work moves from a matter of literature to a matter of ethics, from an aesthetic aspect to an ideological one. Indeed, Cyrano de Bergerac is not just a play but a real social object.
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Dynamics of densimetric plumes and fire plumes in ventilated tunnels

Jiang, Lei 23 November 2017 (has links)
Cette thèse a pour objectif la caractérisation de la vitesse de ventilation critique dans un tunnel ventilé longitudinalement lorsque survient un incendie. La vitesse critique est définie comme la vitesse de ventilation minimale pour laquelle l’ensemble des fumées nocives est repoussé à l’aval de l’incendie. Les méthodes utilisées sont théoriques, expérimentales et numériques. Dans une première approche, l’incendie est modélisé par un rejet de fluide plus léger que l’air ambiant. Dans les expériences, il s’agit soit de l’air chaud, soit d’un mélange d’air et d’hélium ce qui permet d’étudier les effets dits non-Boussinesq, c’est à dire induits par une large différence de densité entre le rejet flottant et l’air ambiant. Une modélisation théorique simple est également donnée afin d’expliquer les variations de la vitesse de ventilation critique en fonction des conditions à la source du rejet (flux de flottabilité et géométrie). Un bon accord est observé entre les résultats expérimentaux et le modèle théorique aussi bien pour les rejets dits forces (jets) que pour les rejets dits flottants (panaches). Des simulations numériques ont été également menées afin de fournir une comparaison quantitative des vitesses critiques obtenues dans le cas d’un incendie modélisé par un panache et le cas d’un feu. L’apparition d’une vitesse dite ’super-critique’ observée dans la littérature dans le cas de feux a été étudiée. L’effet sur la vitesse critique d’un feu de puissance faible peut très largement être modélisé par l’effet d’un rejet de fluide léger au sol. En revanche, un feu de forte puissance nécessite une modélisation des flammes et donc de puissance thermique produite en volume dans une partie non négligeable du tunnel. La présence de flammes représente donc une source distribuée de flux de flottabilité au-dessus et en aval du lieu d’injection des gaz de combustion. En conséquence, dans cette situation, le foyer ne peut être modélisé par une simple condition aux limites au sol du tunnel. L’effet sur la vitesse critique d’une éventuelle inclinaison ou pente du tunnel a été également étudié. Une inclinaison du tunnel dans le sens de la ventilation induit une diminution de la vitesse critique par rapport à un tunnel horizontal alors que pour une inclinaison en sens contraire la vitesse critique est augmentée. Cependant, cet effet dépend des conditions à la source du rejet. Pour les rejets flottants, l’effet de la pente du tunnel est important tandis que la vitesse critique devient de moins en moins dépendante de la pente au fur et à mesure que le rejet devient force. Le modèle théorique développé pour un rejet dans un tunnel horizontal a été adapté au cas avec pente et un bon accord a de nouveau été établi entre les résultats expérimentaux et le modèle théorique. Enfin, pour un feu, les simulations numériques ont montré que la pente influence très peu la vitesse critique. Dans une dernière partie, l’effet de la présence de véhicules dans le tunnel a été investigue aussi bien expérimentalement qu’avec l’outil numérique. Les véhicules sont modélisés par des blocs parallélépipédiques de différentes tailles places en amont de la source de flottabilité ou le feu. Il a été montré que seul le bloc proche de la source modifiait la valeur de la vitesse de ventilation critique alors que les blocs plus éloignés avaient une influence négligeable. De même, la vitesse critique obtenue en présence de blocs se rapproche très rapidement de celle obtenue pour un tunnel sans véhicule lorsque la distance entre la source et le bloc le plus proche augmente. Le paramètre qui influence le plus la vitesse critique est la position relative du bloc et de la source. Lorsque le bloc protège directement la source en étant placé à son côté aussi bien longitudinalement que latéralement, l’air frais de la ventilation n’impacte pas directement le rejet et la vitesse critique est augmentée par rapport à la situation sans bloc. [...] / This thesis investigates experimentally, theoretically and numerically the critical ventilation velocity in longitudinal ventilated tunnels in case of a fire. The critical velocity is defined as the minimum ventilation velocity that confines the front of the backlayer of harmful buoyant gases downwind of the source of emission. The fire is first modeled by a release of light gas in ambient air. In the experiments, the light fluid is an air/helium mixture. A simple mathematical model, based on the classical plume study, is formulated to interpret the variations of the critical velocity as a function of the source conditions (momentum and buoyancy fluxes and geometry). A good agreement is observed between the experimental results and the theoretical predictions for both the momentum-driven and buoyancy-driven releases. In addition, the non-Boussinesq effects, i.e. related to large differences between the densities of the buoyant plume and the ambient fluid, could be suitably modeled. Subsequently, the difference between a buoyant plume and a fire is studied, by combining experiments and numerical simulations. The reason for the appearance of the so-called ‘super-critical’ velocity, a ventilation velocity that becomes independent of the heat release rate when it becomes large, is discussed. It is shown that small fires can be reliably modeled as buoyant densimetric plumes released at ground level. The dynamics induced by larger fires require instead the modeling of large flames and hence a volumetric source of heat and buoyancy within the tunnel. In the simulation of fires, when the heat release rate is increased, the volume of combustion also increases, but the critical velocity remains nearly constant, which validates the appearance of the ‘super-critical’ velocity. The effect of tunnel inclination on the critical velocity is then studied. The influence of slope (defined as negative when the entrance of fresh air is at a lower elevation than the source) on the movement of smoke is mainly related to the role of the component of buoyancy along the tunnel axis. A positive slope helps the formation of the backlayer, while a negative slope helps reaching the critical condition. However, this effect depends on the source condition. Our experiments and numerical simulations on densimetric plumes suggest that the dynamical condition at the source affects the critical velocity of a buoyant plume: when the buoyant plume is momentum-driven, the influence of slope is small; when the buoyant plume is buoyancy-driven, the influence of slope is large. This behavior can be well described by a theoretical model based on the previous model of the critical velocity in a horizontal tunnel. These results have been extended to the case of fires by conducting numerical simulations and there is again a good agreement between the observed results and the theoretical model. In particular, the ratio of the critical velocities obtained for an inclined and an horizontal tunnel is independent of the power of the fire. Finally, the effect of vehicular blockage on the critical velocity is studied experimentally and numerically. The vehicles are modeled by blocks of different sizes placed upstream of the buoyancy or fire source. It is shown that only the block close to the source affects the critical velocity, whereas the effect of other blocks of the same size located further upstream is negligible. As the fire-blockage distance becomes larger, the critical velocity changes and becomes close to the value in an empty tunnel. The relative position between the blocks and the fire source has large influence on the critical velocity. When the blocks are placed at the center laterally, the ventilation flow cannot reach the fire plume directly, a larger critical velocity is needed compared with that in a corresponding empty tunnel. [...]
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Spatio-temporal coherence between spaceborne measurements of salinity and optical properties in the Amazon-Orinoco Plume Region / Signature des panaches des grands fleuves à la surface des océans : corrélation entre salinité et propriétés optiques déduites de mesures satellites

Fournier, Séverine 06 June 2014 (has links)
Avec les lancements réussis des missions ESA Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) et NASA Aquarius/SAC-D, la salinité de surface des océans peut maintenant être déduite. De plus, les produits de couleur de l'eau, tels que les mesures d'absorption et d'atténuation de la lumière et de concentration en chlorophylle, peuvent être utilisés comme traceurs de la salinité. Les signatures des panaches des grands fleuves tropicaux tels que l'Amazone et l'Orénoque peuvent être étudiées en détail grâce à ces nouvelles méthodes. En particulier, les relations de corrélations entre SSS et propriétés optiques également déduites de mesures satellites peuvent maintenant être établies et analysées sur des échelles spatiales beaucoup plus grandes. Différents efforts de recherche sont envisagés dans le cadre de ce travail de thèse. Tout d'abord, nous étudions les corrélations entre salinité de surface et propriétés optiques dans le panache de l'Amazone durant la période 2010-2013. Ensuite, la relation de mélange est établie de façon robuste selon tout d'abord une approche régionale, puis selon une approche locale. Ensuite, une fois cette loi de dilution établie de façon robuste, nous l'utilisons pour estimer un produit de salinité de surface à partir des produits couleur de l'eau sur la période 1998-2013. Enfin, nous tentons d'envisager la relation de dilution suivant une approche lagrangienne. / We enter now in a new era of global Sea Surface Salinity (SSS) observing systems from Space with therecent successful launches of the ESA Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) mission and the NASA Aquarius/SAC-D mission. These new satellite SSS observing systems are as well complemented by an increased number of devices deployed in situ. Finally, ocean color products can be used as well for tracking salinity via semi-conservative tracers such as dissolved organic matter absorption coefficient at 443 nm(acdm), light attenuation at 490 nm and chlorophyll concentration. With these new methods, we are now in an excellent position to revisit the SSS observed in the warm seas of the tropical Atlantic with multi-yeartime series of excellent remote sensing and concurrent in situ observations. The seasonal cycles in the spatial extent of low surface salinity waters of the major river plumes and freshwater pools of the tropical Atlantic oceans as the Amazon and Orinoco rivers can thus be analyzed in a new and original manner. In particular, the correlation between SSS and bio-optical properties measured from Space in the plume waters can now beestablished and analyzed over large spatial scales. In the frame of this PhD work, different major research topics were studied. First the correlations between sea surface salinity and absorption coefficient of colored detrital matter at 443 nm in the Amazon-Orinoco plume over 2010-2013 are studied. Then the conservative mixing relationship is robustely established based on two different approaches, a regional one over the whole Amazon plume and a local one. Once the SSS/acdm relationship established, it is used to retrieve a SSSproduct from 1998 to 2013 based on Ocean Color data. Finally, we attempt to explore the conservative mixing using a lagrangian approach.
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Caractérisation et modélisation sous-maille des panaches d'éclairs : implication sur le bilan de l'ozone et les espèces azotées de la haute troposphère / Characterization of lightning-related plumes and the associated sub-grid modeling : impact on the ozone and nitrigen oxide burdens of the upper troposphere

Gressent, Alicia 25 September 2015 (has links)
Les éclairs représentent une des sources majeures d'oxydes d'azote (N Ox = N O + N O2 ) dans la haute troposphère. Ces émissions locales sont à l'origine de fortes concentrations de NOx, dont le temps de vie est augmenté dans cette partie de l'atmosphère, et sont associées à des panaches transportés à l'échelle intercontinentale. Aussi, l'importance des émissions par les éclairs pour la chimie de la haute troposphère et notamment pour la production d'ozone et la capacité oxydante de l'atmosphère n'est plus a prouver. Mon travail de thèse est dédié à la caractérisation des panaches de NOx issus des éclairs et la modélisation sous-maille associée afin de déterminer leur impact sur le bilan de l'ozone et les espèces azotées de la haute troposphère. L'analyse des mesures in-situ du programme aéroporté MOZAIC, dans les moyennes latitudes nord, couplées aux calculs du modèle lagrangien FLEXPART, et aux observations au sol et depuis l'espace des flashs d'éclairs et des nuages est réalisée. Cette étude met en évidence l'existence des panaches très étendus de N Oy issus des émissions d'éclairs et rend compte de leur fréquence, leur composition et leur évolution chimique au cours du transport. Un gradient négatif (positif) de NOy (O3) est mesuré dans les panaches de -0,4 (+18) ppbv de différence, pendant le printemps et -0,6 (+14) ppbv de différence, en été, entre l'Amérique du Nord et l'Europe. De plus, pour la première fois, une paramétrisation de panache associée aux émissions d'éclairs est implémentée dans un CTM. Cette approche permet le transport des effets de la chimie non-linéaire ayant lieu dans les panaches et conduit à une diminution significative des NOx et de l'O3 dans les régions caractérisées par une activité électrique électrique intense (-25 % et -8%, respectivement, en Afrique Centrale, en juillet) et une augmentation dans le vent des émissions (+10 % et +1 %, respectivement, sur l'Océan Atlantique, en juillet). Ces travaux permettent ainsi de réduire les incertitudes sur la représentation de ces processus non-linéaires et à une échelle plus petite que celle de la maille des modèles en vue d'une meilleure estimation (i) des distributions d'oxydes d'azote liées aux éclairs et (ii) de la production d'ozone associée à l'échelle globale. / Lightning emissions are one of the most important sources of nitrogen oxides (NOx = NO+NO2 ) in the upper troposphere. They imply high N Ox concentrations where their lifetime is longer in this part of the atmosphere and can be associated to large plumes transported over long distance. Furthermore, the decisive role of lightning emissions in the upper tropospheric chemistry and especially on the ozone production and the oxidizing capacity of the atmosphere is well known. My PhD is dedicated to the characterization of the lightning-NOx related plumes and the associated sub-grid modeling in order to determine their impact on the ozone and nitrogen oxyde burden in the upper troposphere. The analysis of the MOZAIC measurements in the northern-mid-latitudes coupled with FLEXPART Lagrangian model calculations, ground and space-based observations of lightning flashes and clouds is made. This study highlights the existence of large scale plumes of NOy from lightning emissions and describes their frequency, their chemical composition and evolution during the long-range transport. A negative (positive) gradient of NOy (O3) is found within the large scale plumes of about -0.4(+18) ppbv difference, during spring, and -0.6(+14) ppbv difference, in summer, between North America and Europe. Therefore, for the first time, a plume parameterization for lightning NOx emissions is implemented into CTM. This approach allows the transport of the non-linear chemistry effects occurring within plumes. The implementation of the plume-in-grid parameterization leads to a significant NOx and O3 decrease over the region characterized by a strong lightning activity (up to -25 % and -8 %, respectively, over Central Africa, in July) and a relative increase downwind of lightning NOx emissions (up to +10 % and +1 %, respectively, over Atlantic ocean, in July). This work allows to reduce the uncertainties on the representation of the non-linear processes at a smaller scale than the model grid in order to provide better estimates of (i) the nitrogen oxide distribution related to lightning and (ii) the associated ozone production at the large scale.
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Changements d'échelle en modélisation de la qualité de l'air et estimation des incertitudes associées

Korsakissok, Irène 15 December 2009 (has links) (PDF)
L'évolution des polluants dans l'atmosphère dépend de phénomènes variés, tels que les émissions, la météorologie, la turbulence ou les transformations physico-chimiques, qui ont des échelles caractéristiques spatiales et temporelles très diverses. Il est très difficile, par conséquent, de représenter l'ensemble de ces échelles dans un modèle de qualité de l'air. En particulier, les modèles eulériens de chimie-transport, couramment utilisés, ont une résolution bien supérieure à la taille des plus petites échelles. Cette thèse propose une revue des processus physiques mal représentés par les modèles de qualité de l'air, et de la variabilité sous-maille qui en résulte. Parmi les méthodes possibles permettant de mieux prendre en compte les différentes échelles, deux approches ont été développées : le couplage entre un modèle local et un modèle eulérien, ainsi qu'une approche statistique de réduction d'échelle. Couplage de modèles L'une des principales causes de la variabilité sous-maille réside dans les émissions, qu'il s'agisse des émissions ponctuelles ou du trafic routier. En particulier, la taille caractéristique d'un panache émis par une cheminée est très inférieure à l'échelle spatiale bien résolue par les modèles eulériens. Une première approche étudiée dans la thèse est un traitement sous-maille des émissions ponctuelles, en couplant un modèle gaussien à bouffées pour l'échelle locale à un modèle eulérien (couplage appelé panache sous-maille). L'impact de ce traitement est évalué sur des cas de traceurs passifs à l'échelle continentale (ETEX-I et Tchernobyl) ainsi que sur un cas de photochimie à l'échelle de la région parisienne. Différents aspects sont étudiés, notamment l'incertitude due aux paramétrisations du modèle local, ainsi que l'influence de la résolution du maillage eulérien. Réduction d'échelle statistique Une seconde approche est présentée, basée sur des méthodes statistiques de réduction d'échelle. Il s'agit de corriger l'erreur de représentativité du modèle aux stations de mesures. En effet, l'échelle de représentativité d'une station de mesure est souvent inférieure à l'échelle traitée par le modèle (échelle d'une maille), et les concentrations à la station sont donc mal représentées par le modèle. En pratique, il s'agit d'utiliser des relations statistiques entre les concentrations dans les mailles du modèle et les concentrations aux stations de mesure, afin d'améliorer les prévisions aux stations. L'utilisation d'un ensemble de modèles permet de prendre en compte l'incertitude inhérente aux paramétrisations des modèles. Avec cet ensemble, différentes techniques sont utilisées, de la régression simple à la décomposition en composantes principales, ainsi qu'une technique nouvelle appelée "composantes principales ajustées". Les résultats sont présentés pour l'ozone à l'échelle européenne, et analysés notamment en fonction du type de station concerné (rural, urbain ou périurbain).
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Modelling of thermal convection in the earth's mantle

Glisovic, Petar 10 1900 (has links) (PDF)
Nous construisons un modèle dépendant du temps, en géométrie tridimensionnelle sphérique, de la convection dans un manteau compressible et dissipatif qui est compatible avec la dynamique de l'écoulement mantellique instantané basé sur la tomographie sismique. Nous réalisons cet objectif à l'aide d'une méthode numérique pseudo-spectrale actualisée et révisée. En résolvant le problème direct de la convection thermique dans le manteau, nous obtenons une gamme réaliste de flux de chaleur à la surface de la Terre, variant de 37 TW pour une surface rigide à 44 TW pour une surface avec plaques tectoniques couplés à l'écoulement mantellique. De plus, nos modèles de convection prédisent des flux de chaleur à la frontière noyau-manteau (CMB) qui se trouvent à la limite supérieure des valeurs estimées précédemment, à savoir 13 TW et 20 TW, pour la surface rigide et la surface avec plaques, respectivement. Les deux conditions aux limites de surface, ainsi que les profils radiaux de viscosité inférés de la géodynamique, donnent des flux convectifs en état d'équilibre qui sont dominés par de longues longueurs d'onde tout à travers la partie inférieure du manteau. À savoir la condition de surface rigide donne un spectre d'hétérogénéité mantellique dominé par le degré 4 à 1 intérieur des couches limites thermiques (TBL), et la condition de surface avec plaques donne comme résultat un spectre dominé par le degré 1. Nous démontrons que la structure initiale thermique est fortement imprimée sur l'évolution future du manteau, et aussi que la mesure dans laquelle l'hétérogénéité initiale du manteau détermine la distribution de la température finale dépend de la condition à la limite de la surface. Notre exploration de la dépendance temporelle de l'hétérogénéité spatiale indique que, pour ces deux types de condition aux limites à la surface, les remontées de matière chaude provenant du manteau profond qui sont résolues dans le modèle tomographique sont des caractéristiques durables et stables de la convection dans le manteau terrestre. Ces panaches chauds profondément enracinées dans le manteau profond démontrent une longévité remarquable au cours de très longues des intervalles de temps géologiques. Cette stabilité des panaches profonds est principalement due à la forte viscosité dans le manteau inférieur inférée avec les données géodynamiques. Nous proposons également que les panaches mantelliques profondes sous les points chauds («hotspots») suivants : Pitcairn, Pâques, Galápagos, Crozet, Kerguelen, Caroline, et le Cap-Vert, sont les mieux résolus par l'imagerie tomographique du manteau à grand échelle. Afin de résoudre et évaluer la robustesse du problème inverse de la convection mantellique, nous considérons et comparons deux différentes techniques numériques actuellement utilisées dans la modélisation de la convection vers le passé : les méthodes de la quasi-réversibilité (QRV) et de l'advection vers l'arrière (BAD), sur un intervalle de temps de plus de 65 millions d'années. Nous définissons une nouvelle formulation du paramètre de régularisation pour la méthode QRV en terme d'une fonction dépendant du temps et nous quantifions la gamme des incertitudes suivantes, [7 à 29]% [11 à 37]% [8 à 33]%, et [6 à 9]% pour les champs de la divergence des plaques, les anomalies de gravité à l'air libre, la topographie dynamique de la surface, et la topographie de la CMB, respectivement. Les implications dominantes pour le problème inverse de la convection mantellique sont à la fois le choix d'un géotherme et le type de condition limite à la surface. Toutefois, l'impact critique sur la reconstruction de l'évolution thermique du manteau provient de l'intégration entre les hétérogénéités du manteau (structures décrites par degrés harmoniques l ≥ 1) et un géotherme «réaliste» (structure décrite par le degré harmonique l = 0), à l'intérieur des couches limites thermiques. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Flux de chaleur, tomographie sismique, tectonique planétaire, courants de convection, panaches mantelliques, points chauds, rhéologie du manteau, méthodes d'inversion, Cénozoïque.
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Convection et stratification induites par une paroi chauffante : mesures expérimentales et modélisations / Convection and stratification induced by a heating wall : experimental measures and modelling

Caudwell, Tobit 16 December 2015 (has links)
Cette thèse s'intéresse à l'écoulement convectif induit par une paroi chauffante isotherme. La couche limite turbulente qui s'établit le long de celle-ci s'apparente à un panache, bien que les conditions de paroi en modifient significativement certaines caractéristiques typiques. Dans l'étude présentée, l'environnement est un milieu clos. Puisque le fluide de moindre densité s'accumule dans la partie haute de l'enceinte, une stratification en température s'établit. Afin de mieux comprendre les mécanismes qui entrent en jeu dans ce type de panache et son interaction avec le fluide ambiant, nous déployons une approche à la fois expérimentale et théorique. Sur le plan expérimental, une technique combinant Velocimétrie par Images de Particules (PIV) et Fluorescence Induite par Laser (LIF) est mise au point, et permet d'acquérir simultanément la vitesse et la température du fluide dans un plan de mesure qui couvre l'ensemble de l'écoulement. Sur le plan théorique, un modèle numérique mono-dimensionnel est développé. Il est basé sur la théorie d'entraînement de Morton et al (1956) pour la partie turbulente du panache, et tient compte de son caractère laminaire initial grâce à des solutions de similarité. Les comparaisons détaillées entre ce modèle et les résultats expérimentaux montrent les limites des modèles classiques et la pertinence des améliorations introduites. Nous évaluons notamment la contribution de la portion laminaire, et mettons en évidence le fait que le coefficient d'entraînement varie en fonction de la stratification ambiante. / This thesis focuses on the convective flow induced by a heated isotherm wall. A turbulent boundary layer develops along this wall, and resembles to a plume unlike its typical characterics are significantly modified by the boundary condition at the wall. In this study the environment is a closed box in which the lighter fluid continuously accumulates in the upper part, thus producing a temperature stratification in the interior. In order to better understand the dynamics of such a plume as well as its interaction with the ambient fluid, we deploy an approach that is both experimental and theoretical. Concerning the experiments, we developed a technique which combines Particle Image Velocimetry (PIV) with Laser Induced Fluorescence (LIF). This technique allows to simultaneously acquire the velocity and the temperature of the fluid in a plane which covers the entire flow. As concerning the theory, a one-dimensional numerical model is developed. It is based on the entrainment theory by Morton et al (1956) as for the turbulent part of the plume, and it takes into account the initial laminar character of the plume thanks to similarity solutions. The detailed comparisons between this model and the experimental results show the limits of the classical models and the relevance of the introduced improvements. In particular we evaluate the contribution of the laminar part and we highlight that the entrainment coefficient varies as a function of the ambient stratification.

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