Le sondeur infrarouge hyperspectral IASI (Interféromètre Atmosphérique de Sondage Infrarouge), développé conjointement par le CNES et EUMETSAT à bord du satellite européen Metop, permet, entre autres, le sondage de la température, de l'humidité ainsi que la restitution de paramètres de surface. Bien que l'on tire le meilleur parti de ces données sur la mer, leur utilisation est encore limitée au-dessus des terres dans le contexte de la prévision numérique du temps, à cause de l'incertitude plus grande sur l'émissivité et la température de surface (Ts). Ces erreurs se répercutent sur la qualité des simulations de transfert radiatif et empêche l'utilisation de ces mesures dans les modèles de prévision numérique du temps. Seuls les canaux non sensibles à la surface terrestre sont assimilés de façon opérationnelle, limitant ainsi le potentiel de sondage aux couches atmosphériques les plus élevées. Cette thèse a pour but l'amélioration de la description des paramètres de surface dans le modèle global ARPEGE de Météo-France en vue de l'assimilation des données du sondeur IASI sur les continents. Nous avons d'abord cherché à améliorer la modélisation de la surface (émissivité et Ts) sur les continents dans le modèle ARPEGE. Pour cela, différents atlas d'émissivité ont été intégrés dans ce modèle : l'un a été calculé à partir des données MODIS (Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer) par l'Université du Wisconsin et le second a été construit à partir des produits IASI de niveau 2 (L2) développés par EUMETSAT. La Ts a ensuite été restituée à partir de canaux de surface IASI en profitant d'une meilleure connaissance de l'émissivité de surface donnée par ces atlas. Ces Ts ont été évaluées par comparaison avec les produits MODIS de la NASA et les produits IASI L2 d'EUMETSAT. Ces comparaisons nous ont permis de sélectionner une combinaison de canaux qui fournit les meilleures estimations de Ts. L'utilisation d'une modélisation de surface réaliste a contribué à l'amélioration de la qualité des simulations de transfert radiatif pour les canaux sensibles à la surface. Les radiances IASI sensibles à la surface ont alors pu être assimilées sur les continents dans le modèle ARPEGE en ciel clair et en utilisant la paramétrisation de surface définie précédemment. Les impacts sur la qualité des analyses et des prévisions ont été étudiés. La prise en compte d'une émissivité et d'une Ts précises a permis d'augmenter significativement le nombre d'observations assimilées. Les principales améliorations concernent les prévisions de géopotentiel et de température pour des pressions inférieures à 400~hPa (en dehors des tropiques). Enfin, dans un cadre plus spécifique et climatologique, nous nous sommes intéressés à la validation de l'utilisation des données IASI en Antarctique durant la campagne Concordiasi. Cette étude a permis d'améliorer les profils inversés de température et de vapeur d'eau par comparaison avec les profils provenant du modèle. L'amélioration est particulièrement importante pour la température de surface. Dans ce cadre, les Ts restituées dans cette thèse ont été comparées à Concordia et au Pôle Sud avec des mesures in-situ et se sont révélées particulièrement précises à Concordia. / The Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI), on-board the EUMETSAT Polar System Metop satellite, is developed by CNES in the framework of a co-operation agreement with EUMETSAT. IASI enables, amongst other, infrared soundings of temperature, moisture and retrievals of surface parameters. However in the numerical weather prediction context, these observations are not as intensively used over land as they are over sea because of larger uncertainties about land emissivity and land surface temperature (LST). These uncertainties have an impact on the quality of radiative transfer simulation and hinder the use of these measurements in numerical weather prediction models. Only channels that are not sensitive to the surface are currently assimilated in operations, which limits the potential of sounding instruments to the highest atmospheric layers. This PhD aims to improve the description of land surface parameters in the ARPEGE global model of Météo-France to assimilate IASI data over land. First of all, we tried to improve the surface modelling (surface emissivity and LST) over land in the ARPEGE model. To this end, two emissivity atlases were integrated in this model. The first one is the emissivity climatology computed from the IASI Level-2 products from EUMETSAT and the second one is the global high spectral resolution infrared land surface emissivity database (called UWIREMIS) developed by the Space Science and Engineering Center at University of Wisconsin. Hence, the LST was retrieved from IASI surface channels using these atlases as input parameters in the radiative transfer model. These LSTs were compared to land LST products: the MODIS (Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer) products from the NASA and the IASI Level-2 products from EUMETSAT. These comparisons enabled us to choose the IASI channel combination that provided the best LST estimates. The use of a realistic surface modelling contributed to improve the quality of radiative transfer simulations for surface sensitive channels. Then, surface sensitive IASI radiances were assimilated over land in ARPEGE in clear sky conditions using the surface parameters as previously defined. The impact on analysis and forecast quality was studied. The use of good estimates of surface emissivity and LST significantly increased the number of assimilated observations. The main improvements are for geopotential and temperature forecasts for pressure levels lower than 400~hPa (except in the tropics and in the stratosphere). Finally, from a climatological point of view and within the more specific framework of the Concordiasi campaign, we assessed and validated the use of IASI data in Antarctica. The temperature and humidity retrieved in this particular study proved of better quality than the model profiles, as assessed against the sonde measurements. The improvement is particularly striking for surface temperature. In this framework, the LST retrieved in this PhD were compared with in situ measurements at Concordia and at South Pole station. These estimates are of a great accuracy at Concordia.

L’océan Arctique est marqué par une forte saisonnalité qui se manifeste par la présence d’une banquise permanente dont l’extension varie entre 6 et 15 millions de kilomètres carré. Interface plus ou moins perméable, la banquise limite les échanges atmosphère - océan et affecte le budget énergétique global en réfléchissant une part importante du rayonnement incident. Le manteau neigeux qui se forme à sa surface est un élément essentiel notamment parce qu’il contribue fortement aux propriétés optiques de la banquise. D’une part par son albédo, proche de l’unité dans le visible, qui retarde sensiblement la fonte estivale de la glace. Et d’autre part, il est majoritairement responsable de l’extinction verticale de l’éclairement dans la banquise. Or, la faible intensité lumineuse transmise à la colonne d’eau constitue un facteur limitant important à l’accumulation de biomasse des producteurs primaires souvent des micro-algues, à la base des réseaux trophiques. Le manteau neigeux en surface, par ces propriétés physiques et leurs évolutions temporelles, joue donc un rôle essentiel en impactant directement l’initiation et l’amplitude de la floraison phytoplanctonique printanière. Dans le cadre du réchauffement climatique actuel, les mutations que subit la banquise : amincissement, réduction de son extension estivale et variations des épaisseurs du manteau neigeux bouleversent d’ores et déjà la production primaire arctique à l’échelle globale et régionale.Cette thèse vise à mieux comprendre la contribution du manteau neigeux au transfert radiatif global de la banquise, afin de mieux estimer son impact sur la production primaire arctique. Elle s’appuie sur un jeu de données collecté lors de deux campagnes de mesures sur la banquise en période de fonte. Les propriétés physiques de la neige, SSA et densité, permettent une modélisation précise du transfert radiatif de la neige qui est validée, ensuite, par les propriétés optiques comprenant : albédo, profils verticaux d’éclairement dans le manteau neigeux et transmittance à travers la banquise.Au printemps, la neige marine, marquée par une importante hétérogénéité spatiale, évolue suivant quatre phases distinctes. La fonte, d’abord surfacique puis étendue à toute l’épaisseur du manteau, se caractérise par une baisse de la SSA de 25-60 m2kg-1 à moins de 3 m2kg-1 provoquant une diminution de l’albédo dans le proche infrarouge puis à toute longueur d’onde ainsi qu'une augmentation de l’éclairement transmis à la colonne d’eau. Cette période est chaotique, et marquée par une forte variabilité temporelle des propriétés optiques causées par la succession d’épisodes de fonte et de chutes de neige. Les propriétés physiques de la neige sont utilisées par un modèle de transfert radiatif afin de simuler les profils verticaux d'éclairement, l’albédo et la transmittance de la banquise. La comparaison entre ces simulations et les profils d’éclairement mesurés met en évidence la présence d’impuretés dans la neige dont leurs natures et leurs concentrations sont estimées. En moyenne, la neige échantillonnée contenait 600 ngg-1 de poussières minérales et 10 nng-1 de suies qui réduisaient par deux l’éclairement transmis à la colonne d’eau. Enfin, la modélisation de l’éclairement à toute profondeur de la banquise, représentée de manière innovante par des isolumes, est mise en relation avec l’évolution temporelle de la biomasse dans la glace. Il apparaît que la croissance des algues de glace est systématiquement corrélée avec une augmentation de l’éclairement, et ce, jusqu’à des niveaux d’intensité de l’ordre de 0.4 uEm-2s-2. Ces variations d’éclairement sont causées par le métamorphisme et la fonte de la neige en surface. / The Arctic ocean shows a very strong seasonality trough the permanent presence of sea ice whose extent varies from 6 to 15 millions km2. As an interface, sea ice limits ocean - atmosphere interactions and impacts the global energy budget by reflecting most of the short-wave incoming radiations. The snow cover, at the surface, is a key element contributing to the optical properties of sea ice. Snow enhances further the surface albedo and thus delays the onset of the ice melt. In addition, snow is the main responsible for the vertical light extinction in sea ice. However, after the polar night, this low light transmitted to the water column is a limiting factor for primary production at the base of the oceanic food web. The snow cover, through the temporal evolution of its physical properties, plays a key role controlling the magnitude and the timing of the phytoplanktonic bloom. In the actual global warming context, sea ice undergoes radical changes including summer extent reduction, thinning and shifts in snow thickness, all of which already alter Arctic primary production on a regional and global scale.This PhD thesis aims to better constrain the snow cover contributions to the radiative transfer of sea ice and its impact on Arctic primary production. It is based on a dataset collected during two sampling campaigns on landfast sea ice. Physical properties of snow such as snow specific surface area (SSA) and density allow a precise modeling of the radiative transfer which is then validated by optical measurements including albedo, transmittance through sea ice and vertical profiles of irradiance in the snow.During the melt season, marine snow which shows strong spatial heterogeneity evolves fol- lowing four distinctive phases. The melting, which first appears at the surface and gradually propagates to the entire snowpack, is characterized by a decrease in SSA from 25-60 m2kg-1 to less than 3 m2kg-1 resulting in a decrease in albedo and an increase in sea ice transmittance. This is a chaotic period, where optical properties show a very strong temporal variability induced by alternative episodes of surface melting and snowfalls. The physical properties of snow are used in a radiative transfer model in order to calculate albedo, transmittance through sea ice and vertical profiles of irradiance at all depths. The comparison between these simulations and measured vertical profiles of irradiance in snow highlights the presence of snow absorbing impurities which were subsequently qualitatively and quantitatively studied. In average, impurities were composed of 660 ngg-1 of mineral dust and 10 ngg-1 of black carbon. They were responsible for a two-fold reduction in light transmitted through sea ice. The light extinction, calculated at all depths in sea ice, and represented by isolums, was compared to the temporal evolution of ice algae biomass. The results show that every significant growth in ice algae population is related to an increase of light in the ice. These growths were observed even at very low light intensities of 0.4 uEm-2s-2. Light variations in the ice were linked by snow metamorphism and snow melting at the surface.

Parce que les processus nuageux sont des processus complexes qui opèrent à des échelles spatiales très différentes, l'évolution de l'effet radiatif des nuages (CRE) dans un climat qui se réchauffe est incertaine. Afin de mieux comprendre l'évolution du CRE, il est utile de l'exprimer en fonction de propriétés nuageuses fondamentales et observables. Dans l'infrarouge (LW), l'altitude des nuages est une des propriétés fondamentales, ainsi que leur couverture et leur opacité. Les observations collectées par le lidar spatial CALIOP durant la dernière décennie nous ont permis d'exprimer le CRE LW en fonction de cinq propriétés nuageuses. Nous montrons que le CRE LW dépend linéairement de l'altitude des nuages. Cette linéarité permet de décomposer les variations du CRE LW en contributions dues aux cinq propriétés nuageuses. On observe ainsi que la couverture des nuages opaques a piloté les variations du CRE LW durant la dernière décennie. L'analyse de simulations climatiques suivant la même approche à l'aide d'un simulateur lidar montre que les variations du CRE LW dans le climat actuel sont pilotées par l'altitude des nuages opaques, en désaccord avec les observations. Lorsqu'on étend cette analyse aux rétroactions nuageuses LW simulées dans un climat futur, on remarque que celles-ci sont également pilotées par l'altitude des nuages opaques. Ces résultats suggèrent que les observations par lidar spatial apportent une forte contrainte observationnelle sur les rétroactions nuageuses LW, qui sont l'une des principales sources d'incertitude dans les prévisions d'évolution de la température moyenne globale dues aux activités humaines. / Because cloud processes are complex processes which operate at very different spatial scales, the evolution of the cloud radiative effect (CRE) in a warming climate is uncertain. To improve our understanding of the evolution of the CRE, it is useful to express it as a function of fundamental and observable cloud properties. In the infrared (LW), the altitude of clouds is one of the fundamental properties, together with their cover and opacity. The observations collected by the space-lidar CALIOP during the last decade allowed us to express the LW CRE using five cloud properties. We show that the LW CRE depends linearly on the cloud altitude. This linearity allows to decompose the variations of the LW CRE into contributions due to the five cloud properties. We observe that the cover of the opaque clouds drove the variations of the LW CRE during the last decade. The analysis of climate simulations performing the same approach by means of a lidar simulator shows that the variations of the LW CRE in the current climate are driven by the opaque cloud altitude, in disagreement with the observations. When we extend this analysis to the LW cloud feedback simulated in a future climate, we notice that they are also driven by the opaque cloud altitude. These results suggest that the space-lidar observations bring a strong observational constraint on the LW cloud feedbacks, which are one of the main sources of uncertainty in predicting future global average temperature evolution due to human activities.

L'objet de cette thèse est l'étude des répartitions spatiales des abondances chimiques de la troposphère de Jupiter. Le cas du NH3 est particulièrement étudié. Deux types de données ont été utilisées : des observations au sol via l'instrument TEXES monté sur le télescope IRTF, et des observations spatiales via l'instrument JIRAM embarqué sur la sonde JUNO. Les données sont analysées par un code parallélisé développé au cours de la thèse, combinant un transfert radiatif raie-par-raie et une méthode d'inversion non-linéaire optimale. Les données TEXES ont permis d'établir une carte du NH3 troposphérique (entre 1 et 4 bar) à une précision de l'ordre de 20% sur environ trois quarts de la surface de Jupiter à une résolution spatiale d'environ 1200 km (1,4"). Cette carte met en évidence d'importantes variations latitudinales de l'abondance de NH3 troposphérique, qui peut varier de 60 ppmv dans la NEB à proximité des "hotspots", à plus de 500 ppmv dans les zones. Les résultats dans les zones souffrent toutefois d'un faible rapport signal-sur-bruit, ce qui augmente leur incertitude. La carte met également en évidence des variations longitudinale, en particulier dans la SEB. Ces résultats sont en bon accord avec ceux de JIRAM et de MWR (un autre instrument de JUNO), avec toutefois pour ce dernier une différence importante au niveau la NEZ. / The goal of this thesis is the study of the Jupiter's troposphic chemical species spatial repartition, with an emphasis on NH3. Two types of data were used: ground-based observations with the TEXES instrument mounted on the IRTF, and space-based observations with the JIRAM instrument mounted on the JUNO spacecraft. The data were analysed by a parallelised code developped during this thesis, combining a line-by-line radiative transfer and an optimal non-linear retrieval method.The TEXES data were used to draw a map of the tropospheric NH3 (between 1 and 4 bar) with an uncertainty of 20% on three quarters of Jupiter's surface with a spatial reslution of approximately 1200 km (1.4"). This map highlight important latitudinal variations of the tropospheric NH3, which can vary from 60 ppmv near the hotspots of the NEB, to more than 500 ppmv into the zones. However, the results in the zone have a low signal-to-noise ratio, increasing their uncertainties. The map also highlight longitudinal variations, particularly in the SEB. These results are in good agreement with those of JIRAM and MWR (another instrument of JUNO), albeit an important discrepancy with MWR's results in the NEZ.

Les forêts ont un impact sur le climat mais cet effet est incertain, notamment dans les régions soumises à un climat tempéré. En effet, les processus biogéochimiques et biophysiques caractéristiques des forêts tempérées peuvent avoir un effet soit de refroidissement soit de réchauffement du climat. Une première étape dans l'amélioration de l'évaluation de l'effet climatique des forêts est d'avancer dans la modélisation de l'ensemble de leurs processus biogéochimiques et biophysiques dans les LSM (" Land Surface Model "), utilisés dans les modèles atmosphériques de prévision du temps et du climat. L'albédo de surface est identifié comme une variable clé pour l'étude de l'impact des forêts en termes de forçage radiatif. Pourtant, elle est représentée de façon très simplifiée dans la plupart des LSM, où elle est bien souvent non évolutive. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est de contribuer à l'amélioration de la représentation de l'albédo de surface dans les LSM. Il s'est agi en particulier d'identifier à partir d'observations satellitaires les variables biophysiques qui pilotent l'albédo de surface des forêts dans l'espace et dans le temps. Un modèle prédictif de l'albédo des forêts aux échelles spatiales considérées par les LSM a été développé. La France métropolitaine a été choisie comme région d'étude et la période allant de 2001 à 2013 a été considérée. Il a été mis en évidence que, sur cette période, 94.4% de la surface occupée par les forêts présente un cycle saisonnier de l'albédo relativement stable d'une année à l'autre. Parmi les 5.6% restants, les changements ont été induits par des modifications soudaines du couvert végétal mais également par un "verdissement" de certaines forêts. Dans le but d'identifier les variables qui pilotent les variations saisonnières de l'albédo de surface des forêts, une nouvelle méthode permettant de désagréger les albédos de surface satellitaires, en albédo du sol nu et de la végétation, a été développée. Les albédos du sol obtenus présentent une dynamique temporelle inter- et intra-annuelle qui est corrélée avec celle de l'humidité superficielle du sol. La variabilité temporelle de l'albédo du sol moyen peut être caractérisée par son écart type, qui est de 0.016. La valeur obtenue par des méthodes pré-existantes est de 0 à 0.004. D'autre part, le cycle saisonnier de l'albédo du sol est cohérent avec le régime des pluies : les valeurs mensuelles moyennes maximales correspondent aux mois les moins pluvieux. C'est vrai dans 68 % des cas, contre 32 % pour l'albédo de surface. Les valeurs moyennes de l'albédo de la végétation (sol) ont été estimées avec une incertitude de 2 % (10 %). Ces albédos désagrégés dynamiques ont permis de construire des cycles annuels moyens. Ces derniers sont utilisés pour forcer le modèle prédictif de l'albédo des forêts fondé sur des variables pouvant être simulées par les LSM. Une validation par rapport à l'albédo de surface satellitaire MODIS a mis en évidence une erreur moyenne de 12% et 8 %, respectivement dans le VIS et dans le NIR (R de 0.63 dans le VIS), soit une amélioration par rapport aux autres méthodes (R de 0.45 dans le VIS). Cette désagrégation de l'albédo de surface a permis de mettre en évidence que l'effet des forêts tempérées sur le bilan d'énergie dépend de la saison, du type de forêt et du type de sol. Il est montré qu'en France métropolitaine, 77.3 % des forêts présentent un bilan radiatif pouvant entraîner un effet de réchauffement durant l'été. Si le verdissement de certaines forêts constaté dans cette thèse devait se généraliser, l'impact radiatif moyen durant l'été pourrait être de 0.187±0.04 W.m-2. La méthode de désagrégation développée durant cette thèse est en cours d'implémentation dans la chaîne opérationnelle du service LSA-SAF d'EUMETSAT. Elle pourra à terme permettre de développer une paramétrisation de ces albédos désagrégés dans les LSM. Cela permettra l'assimilation d'observations de l'albédo de surface dans les LSM. / The forests impact the climate but their effect is uncertain, in particular in the areas with temperate climate. In temperate forests, biogeochemical and biophysical processes can present either a cooling or a warming effect on climate. A first step to improve the evaluation of the climatic effect of forests is to go forward with the modeling of all biogeochemical and biophysical processes in LSMs ("Land Surface Models") used in the atmospheric models used for numerical weather forecast and climate predictions. Surface albedo is identified as a key variable of the impact of forests in terms of radiative forcing. However, surface albedo is represented in a simplified way in LSMs and is, more often than not, non-evolutive. In this context, the objective of this PhD work is to contribute to the improvement of surface albedo modeling in LSMs. A step forward was to identify the biophysical variables which drive the surface albedo of forests in space and time, using satellite observations. A predictive model of the forest albedo was developed considering the spatial resolution used in LSMs. Mainland France was selected as a study area from 2001 to 2013. It was shown that over this period, 94.4% of the forest area presented a relatively stable seasonal albedo cycle, from one year to another. Among the remaining 5.6%, changes in albedo were induced by sudden changes in the vegetation cover, but also in some forests by an increase in greenness. With the aim of identifying the variables which drive the seasonal variations of the surface albedo of forests, a new method was developed to split satellite-derived surface albedo into soil and vegetation albedo values. Soil albedo showed inter- and intra-annual temporal dynamics which are correlated with top soil moisture. The temporal variability of the average soil albedo can be described by its standard deviation, which is of 0.016. In comparison, the values obtained with preexisting methods range from 0 to 0.004. In addition, the seasonal cycle of soil albedo is consistent with the rainfall regime: the yearly maximum average monthly albedo matches the months with less precipitation. This was the case for 68% of forest pixels, against 32% using surface albedo instead of soil albedo. The median values of the vegetation (soil) albedo were estimated with an uncertainty of 2% (10%). These disaggregated albedo values (soil and vegetation) were used to produce average annual cycles. The latter are used to force the predictive model of the forest albedo which is based on LSMs' simulated variables. The validation was conducted using MODIS satellite-derived surface albedo observations. Average error values of 12% and 8% were obtained in the VIS and the NIR spectral domains, respectively (R of 0.63 in the VIS). This is an improvement with respect to pre-existing methods (R of 0.45 in the VIS). Disaggregating surface albedo showed that the effect of temperate forests on the radiative budget depends on season, forest type and soil type. Over mainland France, 77.3% of the forests present a radiative impact which can lead to a warming effect during the summer. If the increase in greenness detected in some forests were to spread to all French forests, the average radiative impact during the summer could be as large as 0.187± 0.04 W.m-2. The disaggregation method developed during this PhD work is under implementation in the operational chain of the EUMETSAT LSA-SAF service. Thanks to this implementation it could be eventually possible to parameterize disaggregated albedo values in LSMs. This will allow the assimilation of surface albedo observations in LSMs.

L'altimétrie spatiale contribue majoritairement à la compréhension de la circulation océanique régionale et globale. Elle permet aujourd'hui de fournir une cartographie de la topographie océanique à des échelles spatiales et temporelles de plus en plus fines. Le passage du signal radar à travers la vapeur d'eau de l'atmosphère implique un retard de l'onde, qui nécessite d'être corrigé : c'est la correction troposphérique humide. Des méthodes statistiques sont actuellement utilisées pour estimer la correction troposphérique humide. Elles permettent d'inverser des mesures de températures de brillance fournies par un radiomètre couplé à l'altimètre sur une mission altimétrique, à deux ou trois fréquences proches de la bande d'absorption de la vapeur d'eau, à 22.235 GHz. Bien que ces algorithmes permettent d'estimer cette correction avec de faibles incertitudes en plein océan, des améliorations sont nécessaires pour réduire les erreurs dans les zones océaniques complexes, comme les régions d'upwelling, et sur les surfaces hétérogènes, comme en régions côtières, sur glace de mer, ou sur les eaux continentales. A ces fins, une approche variationnelle uni-dimensionnelle (1D-Var) est développée dans cette thèse. Elle permet de tenir compte de la physique de l'atmosphère et des variations de la surface dans l'environnement des mesures, pour estimer la correction troposphérique de manière globale, sur différents types de surface, dans le contexte des missions altimétriques actuelles, et futures, dont les technologies instrumentales évoluent. Une analyse fine des caractéristiques de l'approche 1D-Var, et de ses performances, permet de montrer l'apport et l'impact des différents paramètres en jeu sur les variables atmosphériques restituées, et la correction troposphérique humide estimée. Les performances du 1D-Var ainsi que ses limites sont évaluées pour l'estimation la correction troposphérique humide en plein océan, en conditions de ciel clair. L'apport des mesures de températures de brillance aux hautes fréquences, typiques des missions altimétriques futures, est également analysé. Leur potentiel est exploité dans le cadre de l'estimation de la correction troposphérique humide dans les régions côtières, où les mesures de températures de brillance sont contaminées par la présence de terre dans le signal. Enfin, une analyse des estimations des émissivités de surface, et de leurs variations sur la glace de mer, est proposée dans le cadre d'une étude préliminaire à l'estimation de la correction troposphérique humide, aux interfaces complexes mer/glace de mer, dans les régions polaires. / Space altimetry is one of the major contributors to the understanding of regional and global oceanic circulation. It currently enables to provide a map of ocean topography at higher temporal and spacial scales. A propagation delay of the altimeter signal along its path through atmospheric water vapor needs to be accounted for, and corresponds to the wet tropospheric correction. Statistical methods are currently used to estimate wet tropospheric correction. These methods are fed by brightness temperature measurements provided by a radiometer coupled to the altimeter, at two or three frequencies close to the water vapor absorption line, at 22.235 GHz. While these algorithms provide wet tropospheric correction with low uncertainties over open ocean, improvements are still needed to reduce higher uncertainties in complex oceanic areas, such as upwelling regions, and over heterogeneous surfaces, as coastal regions, sea ice or inland waters. To this end, a one-dimensional variational approach (1D-Var) is developed in the frame of this thesis. This approach accounts for atmospheric and surface variability in the surroundings of the measurements, to provide wet tropospheric correction estimates at a global scale, over various surfaces, in the context of both current and future altimetry missions, with improved instrumental technologies. We first analyze the characteristics of the 1D-Var approach and evaluate its performances. The contribution and impact of the different input parameters on retrieved atmospheric variables and wet tropospheric correction are shown through this analysis. The potential and limits of the 1D-Var approach to retrieve wet tropospheric correction over open ocean, for clear sky conditions, are evaluated. The contribution of high frequencies, typical to future altimetry missions, is also analyzed. It is fully exploited to retrieve wet tropospheric correction over coastal areas, where land contamination occurs within brightness temperature measurements. A preliminary analysis of surface emissivity estimates and their variability over sea ice is also undertaken, in the frame of the 1D-Var estimation of wet tropospheric correction over sea ice/open sea transition surfaces, in polar areas.

Les Noyaux actifs de galaxie (AGN) incluent les sources quasi stables les plus énergétiques connues dans l'univers jusqu'à aujourd’hui. Du fait de leur distance, de leur haute luminosité et de leur petite taille, leurs régions intérieures ne sont pas directement résolvables avec les télescopes actuels. C’est pour ces raisons que nous avons besoin de techniques d’observation indirectes et de modèles théoriques pour discerner leur structure. Dans cette optique, le rôle de la polarimétrie est crucial. Elle a été ces dernières années la méthode clé qui a permis de développer le modèle unifié des AGN et pourrait, à l’avenir, nous offrir des nouveaux éléments pour sonder les régions des AGN irrésolues. Dans cette thèse, j’ai conduit des simulations sur les transferts radiatifs relatifs aux rayonnements continus émis des différentes régions intérieures des AGN en utilisant la nouvelle technique de cartographie de réverbération polarimétrique. Ce travail a été inspiré par les recherches de Gaskell et al. (2012). Le but de cette recherche est de fournir des modèles théoriques sur les différents composants des AGN en considérant le rayonnement polarisé en fonction du temps. La polarisation induite par la diffusion a été modélisée et différentes géométries de poussières circumnucléaires ont été testées. Les résultats incluent les effets de l’agrégation des poussières et différentes compositions de poussière. Pour étendre le modèle, les effets complémentaires des vents ionisés s’étirant en direction des pôles ont également été étudiés ainsi que ceux de l’anneau de diffusion équatorial théorique, avec pour postulat qu'il explique l’angle de polarisation observé dans les pôles des AGN. Les simulations ont été exécutées en utilisant une version du code STOKES incluant la dépendance temporelle. Il sera possible d'étendre ce travail à l'avenir. Les prochaines étapes suggérées incluront des raies d'émission aux modélisations ainsi que plus de complexité concernant la géométrie et la distribution de la poussière et/ou des électrons dans les régions de diffusion. Ce travail sera important pour profiter de futures données observationnelles systématiques avec un bon échantillonnage temporel. / Active galactic nuclei (AGN) include the most powerful quasi-steady sources of energy known to date in the universe. Due to their distance, high brightness and small size, their inner regions are not directly resolvable with current telescopes. This is the reason why indirect techniques and theoretical models are needed to discern their structure. In this scenario the role of polarimetry is crucial. In the past it was the key method that led to the development of the Unified Model of AGN and in the future, it may give us new clues to probe unresolved AGN regions. In this thesis, I conducted radiative transfer simulations for continuous radiation of different inner regions of the AGN using the new technique of polarimetric reverberation mapping. This work has been inspired by the work of Gaskell et al. (2012). The goal of this research is to provide theoretical models of the different components of the AGN considering time-dependent polarized radiation. Scattering induced polarization has been modeled and different circumnuclear dust geometries have been explored. The results include the effects of clumpiness and different dust compositions. To further extend the model, the effects of additional extended ionized winds along the polar direction have also been explored as well as the putative equatorial scattering ring postulated to explain the polarization angle observed in pole-on AGN. The simulations were run using a time-dependent version of the STOKES code. It will be possible to extend this work in the future. Suggested future steps are including emission lines in the models, as well as more complexity in the geometry and distribution of dust and/or electrons in the scattering regions. This work will be important for taking advantage of systematic future observational data with good temporal sampling.

Les travaux dont les résultats font l'objet de ce mémoire de doctorat s'inscrivent dans le cadre de l'étude expérimentale et théorique des processus d'absorption/émission de rayonnement infrarouge par des milieux moléculaires gazeux. Il a été motivé par des besoins de modélisation de la signature infrarouge d'aéronefs et de télédétection. Le problème posé est celui de l'élaboration, puis de la validation, d'une approche théorique et numérique permettant de prédire les spectres infrarouges des milieux gazeux rencontrés dans les applications de télédétection. Ces derniers ont la caractéristique de mettre en jeu des trajets optiques comprenant un long parcours froid (l'atmosphère) juxtaposé à une partie plus courte et chaude (gaz de combustion). En raison de la forte variabilité des conditions thermophysiques le long des rayons, du nombre considérable de ces rayons à prendre en compte pour l'intégration sur l'angle solide de visée, et de l'étendue du domaine spectral d'intérêt, le volume de calculs associés à la prédiction de la signature infrarouge est considérable. L'approche théorique se doit donc d'être très efficace et rapide tout en restant la plus précise possible. Ce problème a été abordé ici sur le plan théorique et expérimental. L'approche prédictive développée repose sur un modèle "raie par raie" dans lequel le spectre résulte de l'addition des contributions individuelles des transitions infrarouges des espèces moléculaires présentes. Cette approche est dans l'ensemble très précise mais aussi très coûteuse en temps de calcul en raison du nombre de raies à prendre en compte et de la forte dynamique spectrale aux pressions modérées des milieux considérés. Une fois posées les bases du modèle, un effort important a été consacré à l'optimisation des calculs qui a été faite à plusieurs niveaux en autorisant des erreurs contrôlées sur le résultat final. Nous avons ainsi développé : - une technique (la plus) rapide d'évaluation du profil (Voigt) des raies ; - un système de grilles spectrales de pas différents minimisant le nombre de points de calcul ; - une méthode efficace d'élimination des raies de contribution négligeable ; - une technique de coupure des ailes de raies associée à l'utilisation de continua. Ces concepts ont servi de base pour la construction d'un code informatique profitant des fonctionnalités (notamment la gestion dynamique de la mémoire) du langage Fortran 90. Ce code a été implanté à la SNECMA et à l'ONERA, avec une version parallélisée sous MPI. Ce travail a été un succès puisque l'outil développé a réduit le temps de calcul d'un facteur trente par rapport au code raie par raie déjà optimisé dont disposait la SNECMA. Ceci a permis de mener, pour la première fois, un calcul complet de signature infrarouge avec une approche raie par raie. En parallèle, des études expérimentales ont été menées afin de tester la qualité des prédictions obtenues avec le code développé. Deux dispositifs différents et complémentaires ont été utilisés afin de reproduire, en laboratoire, des milieux "représentatifs" de ceux mis en jeu par les applications de signature. Le premier, que nous avons conçu, construit, et exploité a été développé autour d'un spectromètre à réseau et d'une cuve multi-passages pré-existante de 50 m de base au GSMA (Groupe de Spectrométrie Moléculaire et Atmosphérique, Reims). Ce travail a permis (pour la première fois) la mesure de spectres de transmission dans le domaine 2-14 μm, à température ambiante mais pression variable, pour des trajets optiques supérieurs au kilomètre, schématisant ainsi les longs parcours atmosphériques rencontrés dans les applications pratiques considérées. Les résultats obtenus ont permis de valider les calculs, à quelques exceptions mineures et locales près. Le second dispositif a été développé, à notre suggestion, par une équipe du LPALMS (Laboratoire de Physique des Atomes, Lasers, Molécules et Surfaces, Rennes). Le montage repose sur la juxtaposition d'une courte cuve chaude et d'une longue cuve froide, schématisant ainsi l'aspect gaz chauds + gaz froids des milieux mis en jeu par les applications pratiques. Des spectres du CO2 ont été enregistrés à haute résolution spectrale, à l'aide d'un spectromètre à transformée de Fourier, dans les régions de 10 et 4 μm pour des températures allant jusqu'à 1000 K. Ces données ont confirmé la qualité des calculs prédictifs sous réserve que des bases de données spectroscopiques "chaudes" soient utilisées.

Ce travail a été réalisé dans le but de sonder des surfaces solides en utilisant la technique « LIPS » (Spectroscopie de plasmas induits par laser). Le comportement de ce type de plasmas est difficile à simuler étant donné la petitesse des échelles de temps et d'espace considérées. En plus du diagnostic classique de spectroscopie d'émission, nous avons mis en oeuvre une expérience originale d'absorption qui produit des valeurs fiables et de nombreuses informations sur la température et les densités constitutives du plasma. Cette étude, qui couple expérience et théorie dans le cadre de la résolution de l'équation de transfert radiatif, est basée sur la comparaison entre des spectres calculés et expérimentaux des raies à 308.21 et 396.15 nm de l'aluminium. Une attention spéciale a été portée à l'écriture de l'élargissement électronique et ionique par effet Stark et aux effets d'auto-absorption. Un écart important à l'équilibre a été mis en évidence tout au long de la relaxation du plasma. La mesure de la densité de l'état fondamental de l'aluminium, qui est de première importance pour valider un code collisionnel - radiatif consacré à cette situation complexe, a été menée à bien dans une large gamme de pression (5 à 1E5 Pa). La mesure des constantes de temps de relaxation met en évidence le rôle majeur joué par la diffusion dans la relaxation des espèces du plasma.

Le "climat" à l'intérieur d'une serre dépend de son aération. Le processus d'aération est complexe, il participe à l'essentiel des échanges de chaleur et de masse avec l'extérieur, et sa maîtrise permet donc de contrôler les paramètres physiques tels que la température, l'humidité, ou les concentrations de gaz comme le CO2 par exemple. Ce contrôle est essentiel pour maintenir les plantes dans des conditions métaboliques favorables (respiration, photosynthèse, transpiration) et dans un état sanitaire satisfaisant.<br />La ventilation naturelle est le système le plus économique pour réguler le microclimat interne de la serre. Néanmoins, elle n'offre qu'un contrôle limité sur l'écoulement d'air dans la serre et reste difficile à maîtriser.<br />Cette étude contribue à l'analyse et à la modélisation des phénomènes mis en jeu dans l'aération naturelle des serres en verre, de grande portée, habituellement utilisées en culture ornementale (plantes en pots), sous climat tempéré, tel qu'en Anjou. Deux approches complémentaires incluant expérimentation in situ et modélisation mathématique du climat distribué sont mises en œuvre.<br />Des campagnes de mesures ont été menées à l'intérieur d'une serre de production et dans son environnement immédiat sous conditions réelles de culture ornementale. Des données météorologiques : température de l'air, vitesse et direction du vent, rayonnement solaire et atmosphérique, ont été collectées. L'ensemble de ces mesures constitue un jeu de données conséquent destiné à fournir les entrées du modèle numérique. Parallèlement à ces mesures, nous avons systématiquement procédé à des mesures du taux de renouvellement d'air qui ont été utilisées pour valider le modèle.<br />Un modèle numérique a été mis en œuvre. Il s'appuie sur un code de mécanique des fluides numérique (Computational Fluid Dynamics). Ce code permet de prédire les champs de vitesses et de températures à l'intérieur de la serre après résolution numérique des équations de base qui régissent les mouvements d'air (équations de Navier-Stokes couplées à l'équation de l'énergie) dans le domaine de calcul considéré. La turbulence, dont l'effet est loin d'être négligeable sous serre, a été modélisée à l'aide d'une fermeture de type k-e. Le taux d'aération a pu être déduit ensuite par résolution d'une équation de transport d'un gaz traceur virtuel. Un module radiatif a été ajouté dans le modèle numérique afin de prendre en compte le rayonnement d'origine solaire et atmosphérique. Ce module résout l'équation des Transferts Radiatifs qui est couplée à l'équation de l'énergie.<br />Ce modèle « complet » a pu être vérifié et validé pour différentes conditions climatiques. Il a été ensuite utilisé pour analyser l'impact de la configuration des ouvrants sur le climat et sur les flux de chaleur au niveau de la toiture de la serre. Cette analyse a porté non seulement sur la ventilation mais aussi sur l'homogénéité de la distribution des vitesses et des températures dans la serre et notamment au niveau des cultures.<br />Enfin, des indicateurs d'efficacité de l'aération de la serre sous climat estival ont pu être dégagés pour différentes configurations d'aération (ouverture) et différentes conditions climatiques.