Afin de mieux comprendre les processus et les interactions entre l'atmosphère, la glace de mer et l'océan en arctique, un financement EQUIPEX a permis de développer et déployer le projet IAOOS (Ice-Atmosphere-Ocean-Observing-System) de réseau de bouées multi-instrumentées. Pour la partie atmosphère un LiDAR rétrodiffusion innovant a été développé pour répondre aux contraintes du projet et de l'environnement arctique. Un modèle analytique du rapport signal sur bruit en air clair a permis de préciser les paramètres clés de la conception. Des simulations numériques ont ensuite permis d'affiner les performances du système. Un prototype évolutif a été réalisé dans le planning serré de cet EQUIPEX, avant la mise en œuvre d'une première bouée complète au Pôle Nord en avril 2014, qui a fonctionné jusqu'en décembre 2014. Un second déploiement de deux bouées a ensuite été réalisé à l'occasion de la campagne N-ICE de janvier à juin 2015, dont l'une était équipée d'une version polarisée du LiDAR. Les deux campagnes ont permis d'obtenir des premières statistiques de la distribution des aérosols et des nuages en arctique central avec un système LiDAR autonome. Les premiers résultats montrent la présence de couches d'aérosols assez fréquentes au printemps dans la moyenne troposphère et des nuages bas très fréquents. Les mesures LiDAR ont été utilisées pour effectuer une estimation des flux infrarouge et visible descendants. Les résultats des deux premiers déploiements et les comparaisons avec des analyses et des sorties du modèle WRF fournissent des premiers éléments sur l'apport que pourra présenter ce réseau de bouées multi-instrumentées en région centrale arctique. / To improve our knowledge of the processes and interactions which occur in Arctic between atmosphere, sea ice and ocean, an EQUIPEX funding was granted to the IAOOS project. This improvement will be reached by deploying a network of multi-instrumented buoys. For the atmospheric analyses an innovative backscattering LiDAR meeting with constraints of the project and arctic environment has been developed. An analytical model of signal to noise ratio in clear sky led to the instrumental key parameters, and numerical simulations helped in improving the system performances. An evolutive prototype has been realized within the tight planning of this EQUIPEX. The first whole equiped buoy was deployed close to the north pole in April 2014 and worked until the beginning of December 2014. A second deployment of two buoys, including a polarized version, was then realized within the N-ICE campaign from January to June 2015. These first campaigns gave first statistics of aerosols and clouds distribution in the central arctic region with an autonomous LiDAR. First results show frequent aerosols layers in mid-troposphere during spring, as well as a high occurence of very low clouds. LiDAR measurements were also used to estimate downwelling longwave and shortwave at surface. Results obtained from these first deployments and comparisons with analysis and outputs from the WRF model show a first overview of what can be expected from this network of multi-instrumented buoys in the central arctic region.

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont consacrés à l'étudie du un petit instrument sophistiqué de mesure d'épaisseur optique : ODS (Optical Depth Sensor) a été conçu pour étudier l'atmosphère martienne et terrestre. L'une de ses principales missions consiste à fournir des mesures journalières de l'épaisseur optique des aérosols (AOD: Aerosol Optical Depth) et de détecter et caractériser les nuages optiquement minces à l'aube et au crépuscule. Les méthodes d'analyses sont basées sur l'utilisation de tables d'intensité reproduisant les signaux observés ODS en fonction de différents paramètres clés. Ces tables ont été réalisées à l'aide d'un code de transfert radiatif dans une géométrie en plans parallèles pour l'estimation de l'opacité des poussières, tandis que les propriétés des nuages sont issues d'un modèle de type Monte-Carlo en géométrie sphérique. Le premier objectif de ce travail a consisté à développer les algorithmes d'analyses nécessaires à l'étude du signal d'ODS. / The work presented in this manuscript is devoted to the development of reliable retrieval procedures for a lightweight and sophisticated optical depth sensor (ODS) which measures alternatively scattered flux at zenith and the sum of the direct flux and the scattered flux in the blue and red wavelength ranges. The ODS sensor is dedicated to Mars and Earth atmosphere and its principal goals are perform measurements of the daily mean aerosol optical depth (AOD) and retrieve the altitude and optical depth of high altitude clouds at twilight. The retrieval procedure is based on the use of look-up tables of intensities reproducing the signals that should be observed by ODS, as a function of different key parameters. For the estimation of AOD, the look-up tables are obtained by using a plane-parallel radiative transfer code, while for the study of cloud properties a Monte-Carlo radiative transfer code in spherical geometry is used.

Nous avons développé un détecteur intégré à base d'une diode pour être embarqué dans un ballon stratosphérique afin de caractériser l'environnement radiatif atmosphérique. Le détecteur a été calibré avec une source Californium, et il a été pleinement caractérisé lors de tests sous faisceaux de neutrons qui produisent diverses particules ionisantes secondaires. Les sections efficaces différentielles de détection pour différentes énergies de faisceaux de neutrons sont avérées être en bon accord avec les simulations effectuées avec le code MC-Oracle. Nous avons effectué un certain nombre de vols en ballon stratosphériques (avec l'ESA et le CNES) et confirmé la corrélation entre le taux de comptage et de l'altitude. En outre, nous avons observé que l'environnement radiatif n'est pas isotrope et démontré le potentiel de notre outil pour étudier l'environnement radiatif atmosphérique. Ces résultats sont utiles pour estimer le flux de particules qui affecte appareils et systèmes électroniques à bord des appareils. / We developed an integrated silicon detector to be embedded in a stratospheric balloon in order to investigate the radiative atmospheric environment. The detector was calibrated with a Californium source, and it was fully characterized under neutron beams which produced various secondary ionizing particles. Differential detection cross sections for different neutron beam energies were shown to be in good agreement with simulations performed with the MC-Oracle code. We performed four stratospheric balloon flights (with ESA and CNES) and confirmed the correlation between the count rate and the altitude. Moreover, we observed that the radiative environment is not isotropic and demonstrated the potential of our tool for investigating the radiative atmospheric environment. These results are useful for estimating the particle flux that affects electronic devices and onboard aircraft systems.

Les protubérances solaires sont de fascinantes structures magnétiques à grande échelle dans l'atmosphère solaire. Elles sont l'objet de recherches depuis des dizaines d'années mais des questions comme leur formation, leur stabilité et leur éruption ne sont toujours pas bien comprises. De grands progrès ont été obtenus dans ce domaine et celui des éruptions en particulier avec une combinaison d'observations synoptiques et continues depuis l'espace (voir SoHO/EIT, STEREO/SECCHI/EUVI, et SDO/AIA) et en spectro-imagerie multilongueurs d'onde. Depuis le lancement du satellite IRIS en 2013, beaucoup de résultats d'observations et de modélisations ont été obtenus grâce à la très haute résolution spectrale et spatiale d'IRIS tant en spectroscopie qu'en imagerie. Dans cette thèse, nous nous focalisons sur les signatures observationnelles des processus mis en avant pour expliquer les éruptions de protubérances. Nous essayons aussi de déterminer les variations de conditions physiques d'une protubérance éruptive et d'estimer à la fois les masses de matière qui quittent le Soleil et celles qui retournent au Soleil pendant une éruption. En ce qui concerne les vitesses, nous parvenons à construire le vecteur vitesse en chaque pixel de la protubérance observée, grâce à la combinaison d'une méthode de "flot optique" appliquée aux images AIA 304 et IRIS Mg II h&k ce qui donne accès aux vitesses dans le plan du ciel, d'une part, et grâce à la technique Doppler appliquée aux profils IRIS Mg II h&k ce qui permet de calculer les vitesses le long de la ligne de visée, d'autre part. En ce qui concerne les densités et températures, nous comparons les intensités absolues observées avec les valeurs déduites de calculs de transfert radiatif Hors-Equilibre Thermodynamique Local, ce qui nous permet de construire des cartes de ces quantités. Les densités électroniques ainsi déduites sont dans la gamme 1.3E9 - 7.0E10 cm⁻³ et les densités totales d'hydrogène dans la gamme 1.5E9 – 3.6E11 cm⁻³ dans les diverses régions de la protubérance. La température moyenne est d'environ 1.1E4 K une valeur plus élevée que dans les protubérances quiescentes. Le degré d'ionisation varie entre 0.1 et 10. Les flux de masse à l'intérieur de la protubérance et leurs variations temporelles ont pu ainsi être calculés. La masse totale ainsi déduite est dans la gamme 1.3E14 - 3.2E14 g. La perte totale de masse de la protubérance vers la surface solaire évaluée sur la durée d'observation avec IRIS est d'un ordre de grandeur plus faible que la masse totale de la protubérance. Nous explorons aussi les corrélations entre indices spectraux observables dans les raies h et k de Mg II et des quantités physiques comme la densité et la mesure d'émission (ME). Nous avons choisi de calculer des modèles uni-dimensionnels (1D) isothermes et isobares en utilisant le code PRODOP_Mg NLTE disponible à MEDOC (IAS) et en procédant au calcul exact du rayonnement incident. Nous en déduisons des corrélations entre les intensités émergentes dans les raies h et k d'une part, et les densités et les ME d'autre part. Moyennant quelques hypothèses sur la température, nous établissons une relation entre les intensités k (et h) et la ME, une relation qui devrait être utile pour déterminer les densités d'hydrogène et d'électrons aussi bien que l'épaisseur effective d'une protubérance observée. Ainsi donc, l'évolution des propriétés morphologiques et thermodynamiques d'une protubérance éruptive ont été étudiées de dans cette thèse. Ces travaux conduisent à une meilleure compréhension de quelques aspects des protubérances (éruptives), tels la distribution et l'évolution des densités, de la température, des vitesses et du degré d'ionisation. Nous avons ainsi fourni des contraintes utiles à la modélisation des protubérances. Dans notre conclusion, nous résumons nos résultats et proposons quelques suggestions pour de futures analyses et observations et pour des capacités instrumentales optimisées. / Solar prominences are fascinating, large-scale magnetic structures in the solar atmosphere. They have been investigated for many decades, but the issues of their formation, stability, and eruption are still not well understood. Much progress has been made in our knowledge of prominences and their eruptions with both synoptic measurements from space (with SoHO/EIT, STEREO/SECCHI/EUVI, and SDO/AIA) and multiwavelength spectro-imaging. Since the launch of IRIS in 2013, a lot of results have been obtained in both observational and modeling domains with IRIS high spectral and spatial resolution imaging and spectroscopy. In this thesis, we focus on the observational signatures of the processes which have been put forward for explaining eruptive prominences. We also try to figure out the variations of physical conditions of the eruptive prominence and estimate the masses leaving the Sun vs. the masses returning to the Sun during the eruption. As far as velocities are concerned, we derive a full velocity vector for each pixel of the observed prominence by combining an optical flow method on the AIA 304Å and IRIS Mg II h&k images in order to derive the plane-of-sky velocities and a Doppler technique on the IRIS Mg II h&k profiles to compute the line-of-sight velocities. As far as densities and temperatures are concerned, we compare the absolute observed intensities with values derived from Non-Local Thermodynamic Equilibrium (NLTE) radiative transfer computations to build maps of these quantities. The derived electron densities range from 1.3E9 to 7.0E10 cm⁻³ and the derived total Hydrogen densities range from 1.5E9 to 3.6E11 cm⁻³ in different regions of the prominence. The mean temperature is around 1.1E4 K which is higher than in quiescent prominences. The ionization degree is in the range of 0.1 to 10. The mass flows in the prominence and their variations with time are consequently computed. The total mass is 1.3E14 to 3.2E14 g. The total mass drainage from the prominence to the solar surface during the observation of IRIS is about one order of magnitude smaller than the total mass of prominence. We also explore the correlations between the observable spectral features in h and k lines of Mg II to physical quantities such as the density and the Emission Measure (EM). We choose to compute one-dimensional (1D) isothermal and isobaric models using the PRODOP_Mg NLTE code available at MEDOC (IAS) with the exact computation of the incident radiation. Then we derive correlations between the k and h emergent intensities on one hand and the densities and EM on the other hand. With some assumptions on the temperature, we obtain a unique relation between the k (and h) intensities and the EM that should be useful for deriving either the hydrogen and electron densities or the effective thickness of an observed prominence. Thus, the evolution of the morphology and thermodynamic properties of an erupting prominence have been studied in the thesis. These investigations lead to our understanding in some aspects of prominences, e.g., the distribution and evolution of densities, temperatures, velocities and ionization degree. These could be useful constraints for theoretical prominence models. In the conclusion, we summarize our results and provide some suggestions for future analysis, observations and ideal observing capabilities.

Les recherches de SNe ont commencé il y a plus de 100 ans. Depuis, il a été possible de collecter beaucoup de données d'observations astronomiques. Les astronomes ont développé une classification détaillée et ont abouti un relatif consensus sur la nature physique de ces événements très différents. Néanmoins, beaucoup de questions restent sans réponse. En résumé, les supernovæ de type II (riche en hydrogène) résultent de l'éjection l'enveloppe des supergéantes rouges (SGR). Les principales sources de connaissance sur ces objets sont l'évolution de leur luminosité en fonction du temps (`courbes de lumière') et leurs spectres observés à différentes époques. La méthode la plus utilisée pour extraire les informations des données d'observation est la modélisation des courbes de lumières et des spectres des supernovæ. Dans le Chapitre 1 (Introduction), nous présentons successivement l’évolution stellaire, la physique des explosions et l’évolution des éjectas. Nous décrivons aussi les différents types de supernova ; l’état actuel des connaissances sur les CCSNe ainsi que ces limitations. Nous discutons de la théorie de l'évolution stellaire. Nous décrivons notre approche numérique au Chapitre 2 (Supernova modelling). Elle consiste en trois étapes principales : la modélisation de l'évolution stellaire, l'explosion de l'étoile SGR résultante, et la modélisation de l'évolution des éjectas. Nous présentons la structure modélisée des étoiles SGR ; ces modèles et techniques de calcul sont similaires aux modèles utilisés dans les chapitres suivants. Nous discutons notre méthode d'explosion d'un progéniteur quand son noyau dégénéré commence à s'effondrer. Dans le Chapitre 3 (Observational properties), nous discutons les propriétés observées en photométrie et spectroscopie des CCSNe. Nous extrayons les propriétés statistiques de l'échantillon existant. En utilisant la technique présentée, nous avons effectué une étude détaillée de SN 2008bk, une supernova bien observée (Chapitre 4). Nous pouvons contraindre les propriétés du progéniteur et des paramètres d'explosion. Notre modélisation nous permet de comparer non seulement les propriétés de base telles que la luminosité, mais aussi à analyser en détail les caractéristiques spectrales, telles que la présence de certaines raies spectrales ainsi que leur morphologie. Nous montrons qu'une étoile de 12M⊙ sur la séquence principale est un bon candidat au progéniteur de SN 2008bk. Aussi, nous discutons de la forme asymétrique de la raie Hα et concluons qu'elle provient du chevauchement avec la raie forte du Ba II 6596.9 Å. SN 2008bk, avec quelques dizaines d'autres objets, forme une sous-classe importante de CCSNe — supernovae à faible luminosité. Nous avons consacré une attention particulière à cette classe d'objets, dont l'uniformité et les données d'observation nous permet de tirer des conclusions importantes. Au Chapitre 5, nous étudions l'échantillon de 17 SNe de faible luminosité et analysons la possibilité que ces événements résultent d'explosions de progéniteurs de petite ou de grande masse. Il n'y a pas d'accord solide dans la communauté astronomique sur les progéniteurs possibles des explosions de SNe à faible luminosité. Notre analyse montre que les étoiles massives de masse inférieure (~12 M⊙) sont de bons candidats pour les progéniteurs de cette sous-classe de SNe. De plus, nos simulations d'étoiles de masse élevée (25 et 27 M⊙) montrent qu'une explosion ayant une luminosité aussi faible aurait des propriétés d’observation remarquables qui ne sont pas présentes dans les données. Dans le Chapitre 6, nous étendons notre étude sur toutes les CCSNe, en utilisant des modèles plus énergétiques que dans les Chapitres 4 et 5. Nous fournissons des preuves que ce qui différencie la diversité de SNe II est l'énergie d'explosion plutôt que la masse des éjectas (ou plus précisément la masse de l'enveloppe riche en H de progéniteur). / Dedicated SN searches started over 100 years ago. Over that time, astronomers have collected large sets of observational data. They have developed detailed classification and achieved general agreement on the nature of these events. Nevertheless, a lot of questions remain unanswered. In short, most Type II SNe (hydrogen-rich SNe) are terminal explosions of red supergiant (RSG) stars. The main source of knowledge about these objects are the way their luminosity changes with time (`light curves') and how their radiation is distributed in wavelength. One of the widely used methods to extract the information from the observational data is computer modelling. The largest part of our work lays in the numerical simulations. In Chapter 1 (Introduction), we present succinctly the necessary theory which includes stellar evolution, explosion physics and ejecta evolution. We discuss different types of SNe; the modern knowledge on CCSNe and its problems. We discuss stellar evolution theory. We describe the nucleosynthesis that takes place in the cores of massive stars and gives rise to their final chemical stratification. We describe our numerical approach in Chapter 2 (Supernova modelling). It includes three major steps: stellar evolution modelling, explosion of the resulting RSG star, and ejecta evolution modelling. We present modelled structure of RSG stars; these models and computational techniques are similar to models used in subsequent chapters. We then discuss our numerical methods of exploding a SN once its degenerate core starts collapsing. We discuss explosive nucleosynthesis and its impact on the progenitor composition, production of unstable isotopes and the basic physics of radioactive decay. In Chapter 3 (Observational properties), we discuss the photometric and spectral observational properties of core-collapse SNe. We extract statistical properties of the existing sample. Using the presented technique, we performed a detailed study of the well observed object SN 2008bk (Chapter 4). We are able to constrain its progenitor and explosion properties. Our modelling allows us to compare not only the basic properties such as luminosity, but also to analyze in detail the spectral features, such as line identification and morphology. We show that a 12 M⊙ star on the main sequence is a good candidate for the progenitor of SN 2008bk. Also we discuss the asymmetric shape of the Hα line and conclude that it stems from the overlap with the strong Ba II 6596.9 Å line. SN 2008bk, together with about 20 objects, form a subclass of low-luminosity CCSNe Type II. We devoted a particular attention to this class of objects, whose uniformity and observational data allows us to draw important conclusions. In Chapter 5 (Low-luminosity Type II-P SNe), we study the sample of 17 low-luminosity SNe and analyze the possibility that these events are the result of explosions of low- and high-mass progenitors. There is no solid agreement in the astronomical community on the possible progenitors of the low-luminosity explosions of Type II SNe. Our analysis shows that lower-mass massive stars (~12 M⊙) are good candidates for the progenitors of this subclass of SNe. Moreover, our simulations of high-mass stars (25 and 27 M⊙) show that such low brightness of the explosion of such a massive object would have notable observational properties which are not present in the data. In Chapter 6 (Kinetic energy variation), we extend our study further on the whole class of hydrogen-rich core-collapse SN, using more energetic models than in Chapters 4 and 5. We provide evidences that what differentiates the diversity of SNe II is the explosion energy rather than the ejecta mass (or H-rich envelope mass of the progenitor).

La résolution numérique directe des problèmes de transport de photons en interaction avec un milieu matériel est très coûteuse en mémoire et temps CPU. Pour pallier ce problème, une méthode consiste à construire des modèles réduits dont la résolution est moins coûteuse. La littérature abonde de ce genre de modèles : modèles probabilistes (Monte-Carlo), modèles aux moments (M₁, PN), modèles aux ordonnées discrètes (SN), modèles de diffusion... Dans cette thèse, nous nous intéressons aux modèles PN dans lesquels l'opérateur de transport est approché par projections sur une base tronquée d'harmoniques sphériques. Ces modèles ont l'avantage d'être arbitrairement précis sur la dimension angulaire et ne présentent pas les défauts connus des autres méthodes (bruit stochastique, "effets de raies") pouvant briser les éventuelles symétries du problème. Ce dernier point est capital pour la simulation d'expériences de fusion par confinement inertiel (FCI) où la symétrie sphérique joue un rôle important dans la précision des résultats. Nous étudions donc dans cette thèse la structure mathématique des modèles PN ainsi que leur discrétisation dans le cas d'une géométrie 1D sphérique.Nous commençons par le cas du transport linéaire dans le vide. Même dans ce cas simple, les équations du modèle PN contiennent des termes sources d'origine géométrique dont la discrétisation s'avère délicate. Jusqu'à présent, les différents schémas utilisés étaient insatisfaisants pour les raisons suivantes : (1) mauvais comportement au voisinage de r = 0 (phénomène de "flux-dip"), (2) non préservation des équilibres stationnaires, (3) pas de preuve formelle de stabilité. À la lumière de récents travaux, nous proposons une nouvelle discrétisation qui capture exactement les états d'équilibres. Nous démontrons en particulier la stabilité en norme L² du schéma. Nous étendons par la suite ce schéma au cas du transport de photons dans un milieu matériel figé et nous nous intéressons au comportement du schéma en limite diffusion (propriété "asymptotic-preserving").Dans un second temps, nous nous intéressons au couplage entre rayonnement et hydrodynamique. Devant l'absence de consensus sur les modèles "transport" d'hydrodynamique radiative issus de la littérature, nous établissons une étude comparative de ceux-ci basée sur leurs propriétés mathématiques. Nous nous intéressons particulièrement aux propriétés suivantes : (1) conservation de l'énergie et de l'impulsion, (2) précision des effets comobiles, (3) existence d'une entropie mathématiques compatible et (4) restitution de la limite diffusion. Notre étude se réduit aux modèles dits "mixed-frame" et une attention particulière est toujours portée sur l'approximation "PN" de l'opérateur de transport. Nous identifions des défauts (conservation ou entropie) sur des modèles existants et proposons une correction entropique conduisant à un modèle PN satisfaisant toutes les propriétés mathématiques listées ci-dessus. / Computational costs for direct numerical simulations of photon transport problemsare very high in terms of CPU time and memory. One way to tackle this issue is todevelop reduced models that a cheaper to solve numerically. There exists number of these models : moments models, discrete ordinates models (SN), diffusion-like models... In this thesis, we focus on PN models in which the transport operator is approached by mean of a truncated development on the spherical harmonics basis. These models are arbitrary accurate in the angular dimension and are rotationnaly invariants (in multiple space dimensions). The latter point is fundamental when one wants to simulate inertial confinment fusion (ICF) experiments where the spherical symmetry plays an important part in the accuracy of the numerical solutions. We study the mathematical structure of the PN models and construct a new numerical method in the special case of a one dimensionnal space dimension with spherical symmetry photon transport problems. We first focus on a linear transport problem in the vacuum. Even in this simple case, it appears in the PN equations geometrical source terms that are stiff in the neighborhood of r = 0 and thus hard to discretise. Existing numerical methods are not satisfactory for multiple reasons : (1) unaccuracy in the neighborhood of r = 0 ("flux-dip"), (2) do not capture steady states (well-balanced scheme), (3) no stability proof. Following recent works, we develop a new well-balanced scheme for which we show the L² stability. We then extend the scheme for photon transport problems within a no moving media, the linear Boltzmann equation, and interest ourselves on its behavior in the diffusion limit (asymptotic-preserving property). In a second part, we consider radiation hydrodynamics problems. Since modelisation of these problems is still under discussion in the litterature, we compare a set of existing models by mean of mathematical analysis and establish a hierarchy. For each model, we focus on the following mathematical properties : (1) energy and impulsion conservation, (2) accuracy of the comobile effects, (3) existence of a mathematical entropy and (4) behavior in the diffusion limit. Our study reduces to « laboratory frame » models and we are still interested in the PN approximation of the transport operator. We identify defects in entropy structure of existing models and propose an entroy correction which leads to PN-based radiation hydrodynamics models which satisfy all the properties listed above.

Du fait de son impact sur le climat urbain, le suivi temporel du bilan radiatif urbain Q*, avec prise en compte de sa variabilité spatiale, est un axe de recherche en développement. Q* est la différence entre l'éclairement (i.e., rayonnement incident) et l'exitance (rayonnement sortant) sur le domaine spectral qui englobe l'essentiel du rayonnement solaire (i.e., courtes longueurs d'ondes ) et de l'émission thermique terrestre (i.e., grandes longueurs d'ondes). Les images satellites optiques fournissent une information unique et indispensable mais très partielle, car uniquement pour la configuration d'observation (direction de visée et bandes spectrales du capteur satellite), alors que Q* est une quantité intégrée sur toutes les directions de l'espace et sur l'ensemble des courtes (Qsw*) et grandes (Qlw*) longueurs d'onde. Ces intégrations appliquées aux images satellites sont très compliquées du fait de la complexité de l'architecture tridimensionnelle (3D) urbaine, et de l'hétérogénéité spatiale des propriétés optiques et températures des matériaux urbains. Durant cette thèse, une approche originale a été conçue pour effectuer ces intégrations et ainsi obtenir des séries temporelles de cartes de Q* à la résolution spatiale des images satellites utilisées (i.e., Sentinel-2, Landsat-8, etc.). Elle s'appuie uniquement sur un modèle de transfert radiatif 3D, des images satellites et une base de données géométriques urbaine incluant le relief, le bâti (i.e., immeubles, maisons, routes, etc.) et la végétation (i.e., arbres, pelouses, etc.). De manière schématique, le modèle de transfert radiatif DART (www.cesbio.ups-tlse.fr/dart), développé au CESBIO, est utilisé en mode inverse pour transformer des images satellites en cartes de propriétés optiques et de température de matériaux urbains, puis en mode direct pour calculer des cartes de bilan radiatif par bande spectrale satellite Q*Δλ. L'intégration spectrale des cartes Q*Δλ donne alors les cartes Q* recherchées. Toute série temporelle de carte Qsw* est alors générée efficacement à partir de cartes d'albédo direct (i.e., black sky albedo) et diffus (i.e., white sky albedo) pré- calculées par DART avec la base de données géométrique urbaine et des cartes de propriétés des matériaux dérivées de l'image satellite la plus proche. Ces cartes sont complétées par des données externes thermiques pour la construction des séries temporelles. Cette approche a été conçue et mise au point avec 3 villes de géométries et propriétés optiques très diverses : Londres (Royaume-Uni), Bâle (Suisse), et Héraklion (Grèce). Le projet H2020 URBANFLUXES de la Communauté Européenne a utilisé les cartes de Q* simulées pour estimer les flux urbains de chaleur anthropogénique via le calcul du bilan énergétique urbain à partir d'images satellites. La précision de l'approche développée a été évaluée via l'écart relatif EL des luminances des images DART et satellites (EL < 2% pour toute bande spectrale) et via l'écart relatif EQ* des bilans Q* simulés et mesurés par les tours de flux. En 2016, |EQ*|< 4.5% pour la série temporelle de 321 cartes de Q* de Bâle, et |EQ*|< 4.4% pour les 278 cartes de Q* de Londres. Cette possibilité de dériver d'images satellites des cartes précises de Q* est très prometteuse au vu de la disponibilité croissante des bases de données urbaines et des séries temporelles d'images satellites à haute résolution spatiale, et de l'amélioration des modèles de transfert radiatif 3D. / Optical remote-sensing imagery provide a unique and very needed information, but still a partial one, because only in the observation configuration of the satellite sensor (i.e. viewing direction and spectral bands), whereas Q* is an integrated quantity over all the directions and over the whole shortwave (Qsw*) and longwave (Qlw*) spectral domain. These integrations applied to satellite images are very complicated because of the complexity of the urban tri-dimensional (3D) architecture, and because of the urban materials temperature and optical properties spatial heterogeneity. Over the course of this PhD, an innovative approach has been conceived in order to achieve those integrations and thus obtain temporal series of Q* maps at the spatial resolution of the used satellite sensors (i.e. Sentinel-2, Landsat-8, etc.). This approach is using solely a 3D radiative transfer model, satellite images, and a geometrical urban database including the topology, the urban constructions (i.e. buildings, roads, etc.) and the vegetation (i.e. trees, gardens, etc.). Schematically speaking, the radiative transfer model DART (www.cesbio.ups-tlse/dart), developed at CESBIO, is used in inverse mode in order to transform satellite images into urban materials optical properties and temperature maps, and then in direct mode in order to compute radiative budget Q*Δλ maps for each spectral band of the used satellite sensor. Then, the spectral integral of those Q*Δλ maps leads to the desired Q* maps. Each temporal series of Qsw* maps is then generated efficiently from direct albedo maps (i.e. black sky albedo) and diffuse (i.e. white sky albedo) pre-computed using DART from the geometrical urban database of the considered city and optical properties derived from the closest satellite image. These maps are complemented by external thermal data for the computation of the temporal series. This method has been conceived and refined using 3 cities with very varying geometries and optical properties: London (United- Kingdom), Basel (Switzerland), and Heraklion (Greece). The H2020 project URBANFLUXES of the European Community used the simulated Q* maps in order to estimate the urban anthropogenic heat fluxes using the derivation of urban energy budget computed from satellite imagery. The precision of the developed method has been estimated using the relative error ER between the radiance images simulated by DART and measured by satellite sensors (ER<2% for any spectral band) and the relative error EQ* between Q* simulated and measured by flux towers. For the year 2016, |EQ*|< 4.5% for 321 Q* maps over Basel, and |EQ*|< 4.4% for 278 London Q* maps. This capacity of deriving from satellite imagery precis Q* maps is really promising in light of the always increasing availability of urban geometrical databases, of high resolution temporal series of satellite images, and of the improvement of 3D radiative transfer modeling.

A l'heure actuelle les énergies fossiles traditionnelles (pétrole, charbon...) commencent à s'épuiser, ce qui pousse l'humanité à chercher d'autres sources d'énergie pour subvenir à ses besoins. La nature recèle beaucoup de sources d'énergie inépuisables et non polluantes comme l'énergie solaire, la biomasse et l'énergie éolienne. La disponibilité de l'énergie solaire, sa gratuité et son renouvellement encouragent sa collecte et son exploitation. L'énergie solaire peut être collectée pour diverses utilisations comme la réalisation d'une réaction chimique endothermique ou la production de l'électricité. La production de l'électricité solaire est opérée soit par des procédés photovoltaïques, soit par des procédés thermodynamiques. Ceux ci ont un rendement déjà intéressants, mais sont actuellement limités par la température des cycles à vapeur. Pour améliorer l'efficacité énergétique de ces procédés, une des solutions est de chauffer un gaz à très hautes températures en entrée d'une turbine à gaz. Le travail présenté dans ce mémoire décrit un procédé de collecte d'énergie solaire concentrée basé sur un lit fluidisé à changement de section. La collecte de l'énergie solaire se fait directement au travers d'une fenêtre transparente en quartz. La conception de notre récepteur solaire est basée sur deux études. La première consiste à tester plusieurs colonnes transparentes à froid de géométries et de dimensions différentes pour optimiser la distribution des particules lors de la fluidisation. Elle nous a permis de choisir les dimensions et la géométrie du récepteur solaire. En parallèle, nous avons réalisé un premier récepteur avec éclairement artificiel par des lampes infrarouges, au laboratoire RAPSODEE de l'Ecole des Mines d'Albi. Il nous a permis de vérifier la faisabilité du procédé et d'avoir les premiers résultats de la fluidisation à chaud. Le récepteur solaire a été ensuite testé au four solaire de 4,6 m du PROMES-CNRS à Odeillo. Durant notre travail nous avons étudié expérimentalement et numériquement les transferts thermiques dans le lit fluidisé et l'influence des divers paramètres physiques sur l'efficacité du récepteur. Un modèle mathématique des transferts radiatifs basé sur la méthode de Monte Carlo en 1 D a été réalisé. Ce modèle permet de déterminer la distribution des densités de flux thermiques dans les différentes couches du lit fluidisé ainsi que les pertes radiatives. Nous concluons sur la pertinence de nos choix dans ce travail et sur les perspectives.

Les travaux réalisés durant la thèse s'inscrivent dans une problématique scientifique liée à l'étude des transferts radiatifs. Plus particulièrement, l'application de cette étude est la télédétection infrarouge d'un écoulement diphasique réactif et turbulent à haute température. Cette étude a pour objectif la modélisation et la simulation du rayonnement infrarouge émis par cet écoulement et re¸cu par un détecteur. Pour développer un outil de simulation numérique de la signature infrarouge d'un jet de gaz et de particules à haute température, les espèces majoritaires qui sont responsables de l'émission du rayonnement ont été identifiées lors d'expérimentations. Les campagnes expérimentales ont permis la construction de bases de données concernant les gaz (CO2-CO-H2O) et les particules (oxydes métalliques) présents dans le jet. Connaissant la nature des gaz et des particules, le calcul de leurs propriétés radiatives doit être réalisé. Cette étape est nécessaire puisque ces propriétés caractérisent l'émission de rayonnement par le jet et elles doivent être connues pour résoudre l'équation de transfert radiatif. Pour les gaz, un code de calcul raie par raie de spectres synthétiques a été développé. De plus, pour diminuer le temps de calcul d'une signature infrarouge, il est préférable d'utiliser des modèles spectraux de bandes étroites. Le modèle de télédétection infrarouge est un modèle spectral utilisant des k(coefficient d'absorption)-distributions sous l'hypothèse des k-corrélés avec l'approximation d'un gaz unique pour le mélange associée à l'hypothèse des gaz fictifs. Les paramètres de ce modèle (CKFG-SMG), ont été tabulés et validés dans l'étude. En ce qui concerne les propriétés radiatives des nuages de particules sphériques, le modèle de Mie est utilisé car il est valable pour les gammes de fractions volumiques rencontrées. Pour tester l'influence de la diffusion, une étude de sensibilité à la diffusion a été réalisée. En effet, nous avons quantifié l'erreur commise sur le flux émis par différentes couches si les processus de diffusion du rayonnement sont négligés. Cette étude a montré que l'influence de la diffusion peut être négligée dans le cadre de notre étude. La modélisation de la signature infrarouge du jet diphasique réactif issu de la combustion du matériau pyrotechnique, nécessite la connaissance des températures et des concentrations en gaz et particules, en tous les points du jet. Ce jet diphasique réactif a été simulé à l'aide du logiciel Fluent. De plus, une interface graphique a été développée qui recrée la scène optronique en se servant des profils aérothermochimiques du jet diphasique et des données concernant la position du détecteur. De cette fa¸con, un outil de simulation numérique de la signature infrarouge du jet (SIRJET) a été développé qui inclue un modèle de transfert radiatif (lancer de rayon) ainsi que les paramètres tabulés (gaz et particules) du modèle spectral de télédétection infrarouge (CK, CKFG, CK-SMG, CKFG-SMG). Enfin, une confrontation est présentée entre une mesure et le résultat d'une simulation de la signature infrarouge d'un jet diphasique à haute température.

Le sondeur hyperspectral infrarouge IASI, dont le premier modèle vole depuis 2006 sur le satellite défilant météorologique Metop-A, a déjà conduit a des retombées scientifiques très spectaculaires, en prévision météorologie et pour l’étude de la composition atmosphérique et du climat. Les mesures du sondeurs sont toutefois largement sous exploitées en grande partie du a la présence des nuages dans l’atmosphère. Ces derniers interagissent avec le rayonnement incident de façon hautement non-linéaire rendant le traitement de la mesure du sondeur bien plus complexe, voire parfois rédhibitoire pour accéder depuis l’espace aux propriétés des couches atmosphériques situées au-dessus du nuage, mais également en dessous dans le cas de semi-transparence. Cependant, au vue de la quantité d’informations potentielles qu’offre les sondeurs, la communauté scientifique s’intéresse de près a l’exploitation des radiances nuageuse, c’est dans ce cadre que s’inscrivent les travaux de recherche de cette thèse. Nous proposons d’étudier deux schémas nuageux radicalement différents : la clarification nuageuse et un schéma permettant de simuler la radiance nuageuse en utilisant les propriétés optique et microphysique des nuages. La première de ces méthodes, initiée par Smith et al. (1968), permet sous certaines conditions, de faire abstraction du nuage dans le pixel IASI. La méthode est basée sur l’algorithme du logiciel Scenes Heterogenes du CNES. Apres une première étape de validation, les performances de la méthode sont évaluées a travers la quantité d’information indépendante qu’offre la clarification par rapport a une chaine de traitement des radiances nuageuses mise en place au CMS. Les résultats sont favorables à la méthode testée permettant de traiter les couches atmosphériques situées sous le nuage, possédant donc une quantité plus importante. Cependant la clarification repose a la fois sur une hypothèse forte d’homogénéité atmosphérique et ne s’applique qu’à 15% des situations nuageuses. La seconde méthode est une simulation de la radiance nuageuse par des modèles de transfert radiatif rapides utilisant les propriétés optique et microphysique du nuage. Cette méthode présente l’avantage majeur d’utiliser les mêmes profils nuageux que ceux produits par les modèles de prévision numérique, laissant entrevoir l’assimilation de ces profils à partir de la mesure IASI. Cependant, l’utilisation de ces modèles de transfert radiatif rapide dans le cadre d’une assimilation de données n’en est encore qu’à ces prémices, très peu d’études ont été menées sur ce sujet. Nous proposons une étude en trois étapes permettant une utilisation en opérationnel de ces modèles de transfert radiatif. La première étape est une compréhension des modèles et de leur validité en réalisant quelques études de cas s’appuyant sur la campagne de mesures de Lindenberg. Ensuite, dans le cadre de la campagne ConcordIasi, une statistique est réalisée mettant en place des filtrage pour sélectionner uniquement les profils nuageux cohérent avec l’observation IASI. La dernière étape est une application en global, les statistiques révèlent une nette amélioration des écarts a l’ébauche grâce aux filtres, passant de 8K a 2K. Nous proposons tout au long de l’étude une discussion sur les modèles utilises (RTTOV et HISCRTM), leurs points forts et leurs défaillances. Enfin l’ultime étape, permet d’évaluer les performances des profils nuageux issus des modèles de prévision numérique. / The IASI hyperspectral infrared sounding interferometer, the first model of which has been flown on board the meteorological polar orbiting satellite MetOp-A since 2006, has already led to spectacular scientific breakthroughs in both weather forecasting and research into atmospheric composition and the climate. Measurements from the sounders are however largely underutilised, mainly because of the presence of clouds in the atmosphere. The highly non-linear way in which the clouds interact with incident radiation makes analysis of the readings much more complex, and can sometimes even prohibit access from space to the properties of not only the atmospheric layers located above the cloud, but also below them in the case of semi-transparency. However, in view of the potential amount of information offered by the sounders, the scientific community is very interested in exploiting cloud radiance. The research for this thesis stems from this interest. We plan to study two radically different cloud schemes: cloud clarification and a scheme which allows for simulation of cloud radiance by using the optical and microphysical properties of clouds. The first of these methods, initiated by Smith et al. (1968), allows us under certain conditions to disregard the cloud in the IASI pixel. This method is based on the CNES Heterogeneous Scenes software algorithm. After a first validation step, method performance is evaluated by the amount of independent information offered by the clarification, compared to a cloud radiance process chain established at CMS. The results are favorable to the tested method allowing us to deal with atmospheric layers under the cloud, which have therefore larger quantities. However clarification is based on a strong assumption of atmospheric homogeneity and only applies to 15% of cloud situations. The second method is a simulation of cloud radiance by fast radiative transfer models using the optical and microphysical properties of the cloud. The major advantage of this method is that it uses the same cloud profiles as those produced by numerical weather prediction models, allowing assimilation of these profiles from the IASI measurement. However, the use of these fast radiative transfer models in the context of data assimilation is still in the early stages, very few studies have been conducted on this topic. We are proposing a three-phase study which will allow for an operational use of these radiative transfer models. The first step is validation. This is done by conducting several case studies based on Lindenberg’s measurement campaign. Then, within the framework of the ConcordIasi campaign, a statistical analysis will be carried out by introducing filtering, to select cloud profiles which are consistent with the IASI observations. The last step is an overall application, the statistics showing a clear improvement in deviation from the draft thanks to the filters, going from 8K to 2K. Throughout the study we will discuss the models used (RTTOV and HISCRTM), their strengths and weaknesses. Finally the last step allows us to evaluate the performance of the cloud profiles obtained by the digital forecasting models