Les abondances atmosphériques du dioxyde de carbone et du méthane augmentent progressivement, modifiant probablement le climat global de l'atmosphère. Bien que ces effets soient très étudiés dans la troposphère, ils le sont peu dans l'atmosphère moyenne (20 - 120 km) où ils pourraient avoir un impact plus facilement détectable. Nous nous intéressons en particulier à la mésosphère/basse thermosphère (MLT), où apparaissent de plus en plus souvent des nuages mésosphériques polaires (PMC). La MLT est sensible au niveau d'activité solaire, qui varie selon un cycle de onze ans. Nous évaluons les impacts de ces deux changements anthropiques et de ce cycle naturel sur la température et la chimie de la MLT. Pour ce faire, nous participons au développement d'un modèle bidimensionnel de l'atmosphère : SOCRATES. Ce modèle calcule interactivement les moyennes zonales des vents, de la température et de la composition chimique de l'atmosphère en fonction de la latitude (85°S-85°N) et de l'altitude (0-120 km). Avant de nous intéresser au changement global, nous avons dû améliorer SOCRATES pour qu'il reproduise au mieux la situation chimique, dynamique et thermique actuellement observée. Nous avons ainsi modifié la résolution du système chimique; développé une nouvelle paramétrisation de l'absorption par O2 du rayonnement solaire ultraviolet à Lyman- (121.6 nm) [Chabrillat et Kockarts, 1997] ; créé une approximation des sources thermosphériques de NO; paramétrisé le forçage dynamique par déferlement des ondes de gravité pour reproduire de manière très réaliste les observations actuelles de température dans la MLT ; et développé un algorithme pour prendre en compte non seulement la diffusion turbulente mais aussi la diffusion moléculaire. Tous ces développements sont décrits en détail, et leurs effets sur la physico-chimie de la. MLT sont analysés. Les concentrations chimiques calculées par le modèle sont comparées avec succès à des observations - en particulier de l'ozone et du radical hydroxyle. Nous étudions ensuite en détail l'impact du cycle solaire de onze ans sur la MLT. Une analyse complète du budget thermique nous permet d'établir, par exemple, que la raie Lyman- est responsable de la moitié du réchauffement entre SOLMIN et SOLMAX. Nous évaluons alors la sensibilité de la MLT à un doublement (théorique) de l'abondance de C02. Nous trouvons qu'aux hautes latitudes et en été, zone d'apparition des PMC, cet effet est très faible. Puis nous réalisons une simulation où le méthane est ramené à son niveau préindustriel. L'accroissement de CH4 depuis cette époque est responsable, non seulement de l'augmentation de la vapeur d'eau dans l'atmosphère moyenne, mais aussi d'un léger refroidissement dans la MLT. Cet effet est maximal dans les régions polaires et en été, là où les deux autres sont minimaux. Nous concluons par une grande simulation intégrée de l'évolution du climat et de la chimie de l'atmosphère moyenne au cours du XXIe siècle. Nous trouvons qu'au niveau d'apparition des PMC, la tendance au refroidissement est plus faible que partout ailleurs. Par contre, la vapeur d'eau augmente plus rapidement en été qu'en hiver. Ces calculs fournissent des indices pour réconcilier les observations plus fréquentes des PMC avec une synthèse des températures mesurées dans l'été arctique, selon laquelle les températures n'auraient pas varié depuis quarante ans.

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L'observation du Soleil à haute résolution angulaire est d'une grande importance en astronomie. Dans ce contexte, je montre les effets de la turbulence optique sur les images solaires, notamment sur les mesures astrométrique du diamètre solaire en longue pose. Je propose, dans l'approximation des faibles perturbations, une modélisation des fluctuations d'angle d'arrivée locales chromatiques et polychromatiques qui a des retombées directes pour les observations diurnes de la turbulence optique. Afin d'extraire les fluctuations d'angle d'arrivée à partir des images courte pose du bord solaire, je propose une approche efficace et stable qui consiste en une intégration photométrique saturée avec test de l'anisoplanétisme local. Cette méthode améliore l'efficacité des méthodes précédentes. Elle a aussi des retombées sur la mesure du diamètre solaire en longue pose et la définition du diamètre photométrique. Une autre manière de mesurer les fluctuations d'angle d'arrivée de jour est de le faire dans le plan conjugué de la pupille. J'étudie cette approche avec sa validité et ses limites. Comme application directe on présente le concept d'un moniteur profileur de la turbulence optique basse altitude. Une autre partie importante de mon travail est la modélisation de la variation temporelle de la turbulence optique en introduisant le bouillonnement propre. Le modèle théorique que je propose est présenté avec des exemples liés à des techniques diverses de l'observation à haute résolution angulaire (interférométrie, optique adaptative...) en présence de turbulence optique.

La turbulence tridimensionnelle se caractérise par sa capacité à transférer de l'énergie des grandes vers les petites échelles où elle est finalement dissipée. Lorsqu'elle se produit dans un plasma non-collisionnel comme le vent solaire, une modélisation cinétique semble a priori nécessaire. Toutefois, la complexité d'une telle approche limite les développements théoriques et condamne les expériences numériques à se restreindre à des nombres de Reynolds peu élevés. Dans quelles mesures un modèle mono-fluide comme la MHD Hall permet-il de rendre compte des phénomènes observés dans le vent solaire aux échelles sub-ioniques ? C'est la problématique à laquelle s'est attaquée cette thèse. L'idée directrice de ce travail est de tirer profit de la relative simplicité des modèles fluides et de la puissance algorithmique des méthodes pseudo-spectrales pour aborder la turbulence du vent solaire par des simulations numériques directes tridimensionnelles massivement parallèles à grands nombres de Reynolds. Ces simulations numériques ont permis de mettre en évidence l'existence d'une brisure spontanée de symétrie chirale en turbulence MHD Hall incompressible, ainsi que l'existence d'un nouveau régime appelé ion MHD (IMHD). Un modèle phénoménologique a été proposé pour rendre compte de ces résultats et de nouvelles prédictions ont été faites, puis confirmées numériquement. Enfin, l'étude de l'effet d'un fort champ magnétique uniforme sur la dynamique turbulente a permis de confirmer pour la première fois une ancienne conjecture. L'inertie des électrons a ensuite été prise en compte toujours dans un modèle fluide. Par une approche hydrodynamique classique, une loi universelle a été obtenue pour les fonctions de structure d'ordre trois. L'ensemble de ces résultats est qualitativement en accord avec les mesures in situ du vent solaire et remet en cause le paradigme selon lequel les raidissements successifs du spectre des fluctuations magnétiques sont provoqués nécessairement par des phénomènes d'origine cinétique. De manière plus générale, cette thèse soulève des questions fondamentales sur les processus non-collisionnels de dissipation dans les plasmas turbulents.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Le dernier rapport du GIEC souligne que le rôle de la stratosphère dans le changement climatique est mal connu et invite à poursuivre son étude. Les mesures d'occultation solaire et in situ sont appropriées à cette étude mais il est nécessaire de les valider. Nous avons tout d'abord développé notre propre algorithme d'inversion des transmissions de SAGE III et avons comparé nos produits (profils verticaux des concentrations en O3 et en NO2 et coefficients d'extinction des aérosols (CEA)) à ceux issus de l'algorithme officiel et d'un troisième algorithme. De bons accords ont été obtenus entre ces inversions pour toutes les espèces. Nous avons poursuivi avec des comparaisons à des mesures corrélatives obtenues à l'aide d'instruments spatiaux et d'un instrument sous ballon (SPIRALE) déjà validés. Si on exclut les CEA, les résultats sont satisfaisants. Toutefois, la comparaison aux mesures in situ de SPIRALE obtenues aux abords du vortex polaire donne un désaccord pour NO2 démontrant ainsi les limites de l'occultation solaire dans la mesure d'espèces réactives dans des conditions dynamiques complexes. Une fois ces validations réalisées, nous nous sommes intéressés aux intrusions dans la stratosphère d'aérosols issus de feux de forêt et nous avons montré qu'elles conduisent à une forte augmentation du nombre de particules. Enfin, dans un cadre international, nous avons participé à la validation des instruments de la mission ACE (FTS, MAESTRO, Imager) à l'aide de SAGE III et de SPIRALE. Cela nous a permis de valider certains produits (O3 et NO2 de FTS et MAESTRO), d'en invalider d'autres (CEA d'Imager) et de confirmer le désaccord pour NO2 entre mesures in situ et à distance. / One of the conclusions of the last IPCC reports is that the role of the stratosphere in the current climate change is not weil known. Consequently, stratospheric studies must continue. Solar occultation and in situ measurements are weil suited to these studies but it is necessary to validate them. First, we have developed our inversion algorithm of the SAGE III transmissions and we have compared our products (vertical profiles of O3 and N02 concentrations and of aerosol extinction coefficients (AEC)) to those from the officiaI algorithm and from a third algorithm. Good agreements are obtained between these inversions for ail species. Then, we have compared our products to those from correlative validated measurements obtained by satellite and balloon borne instrument (SPIRALE). Except CEA, results are satisfying. However, the comparison with in situ measurements from SPIRALE obtained on the edge of the polar vortex exhibits a disagreement for NO2 proving that the solar occultation method are not weil suited for reactive species in complex dynamical situation. Once these validations carried out, we have studied the stratospheric intrusions of aerosols resulting from forest fires and we have shown that they lead to a strong increase in the number of particles. Finally, in an international framework, we have taken part in the validation of the instruments of the ACE mission (FTS, MAESTRO and Imager) with SAGE III and SPIRALE data. That enabled us to validate sorne products (O3 and NO2 from FTS and MAESTRO), to invalidate others (CEA from Imager) and to confirm the discrepancy for NO2 between in situ and remote measurements

Le rayonnement ultraviolet (UV) est un cancérigène pour lequel peu d’informations sur l’exposition des populations est disponible. L’intensité et les variations de l’exposition au rayonnement UV solaire, principale source d’exposition, a un impact sur la santé mais il est difficile de les surveiller. Le travail de cette thèse a permis de développer un outil pour une estimation quantitative de l’exposition individuelle à l’UV solaire pour l’épidémiologie. Nous avons créé un atlas des moyennes mensuelles d’irradiation journalière en Europe. Certaines données manquantes au niveau des pays nordiques en hiver ont dû être extrapolées. Nous avons vu que la saisonnalité est forte et que la répartition spatiale ne suit pas seulement le gradient de latitude. Par exemple, l’irradiation UV est plus élevée au sud des pays nordiques qu’au centre de l’Europe. Une enquête a été menée dans huit populations européennes afin d’estimer l’exposition individuelle. Ces populations ont des comportements différents vis-à-vis de l’exposition au soleil. Après une étape de modélisation pour estimer les données d’irradiation UV manquantes au nord de la Norvège sur l’ensemble de l’année, nous avons pu quantifier l’exposition chronique et l’exposition pendant les vacances dans trois populations (française, italienne et norvégienne). L’outil développé au cours de cette thèse pourra être utilisé pour de futures études épidémiologiques qui permettront de connaître l’exposition au rayonnement ultraviolet solaire de populations et de mieux comprendre son rôle dans l’étiologie de diverses maladies, telles que les cancers cutanés. / Ultraviolet radiation (UV) is a carcinogenic agent for which little information on human exposure is available. The intensity and the changes of solar UV exposure, which is the main source of exposure, have an impact on health but are difficult to monitor. The work of this thesis led to the creation of a tool for quantitative estimation of individual exposure to solar UV that can be used in epidemiological studies. We created an atlas of monthly average daily radiation across Europe. Some missing values from the Nordic countries during winter had to be extrapolated. We observed a strong seasonality and characteristics in the spatial distribution which does not always follow the gradient of latitude. For instance, UV radiation is higher in the southern area of the Nordic countries than in central Europe. A survey was conducted in eight European populations to estimate individual exposure. These populations have different behaviours regarding sun exposure. After a step of modeling to estimate missing values in northern Norway throughout the year, we quantified chronic and holiday exposure in three populations (France, Italy and Norway). The tool developed during this thesis will be used for future epidemiological studies that will contribute to improving the knowledge about UV exposure in populations and better understanding its role in the aetiology of various diseases, such as skin cancers.

Le stockage par supercondensateurs de l'énergie photovoltaïque est modélisé afin de disposer d'un modèle suffisamment fin et accessible permettant de les intégrer dans des chaînes de conversion de l'énergie solaire. Les supercondensateurs sont modélisés par un circuit multibranche comportant des résistances et capacités variables suivant la tension, dont les valeurs sont déterminées par une expérience de caractérisation ayant une bonne précision. Par ailleurs, tous les éléments d'une chaîne typique de conversion de l'énergie photovoltaïque sont modélisés avec le logiciel Matlab/Simulink (gisement solaire, conversion photovoltaïque des panneaux, régulateur, batterie et charges). Le modèle de stockage de l'énergie photovoltaïque par supercondensateurs est ensuite validé par la bonne concordance des mesures relevées en conditions réelles avec les résultats donnés par les simulations. Enfin, deux exemples d'exploitation du modèle sont proposés et discutés : la détermination du temps de charge des supercondensateurs suivant l'éclairement solaire et la température ambiante, et l'intégration des supercondensateurs dans la chaîne d'alimentation électrique d'un moteur à courant continu permettant de réduire les sollicitations électriques sur la batterie lors de l'appel de puissance nécessaire au démarrage du moteur / The storage by ultracapacitors of photovoltaic energy is modeled in order to have an accurate and accessible model to integrate ultracapacitors into solar energy conversion systems. Ultracapacitors are modeled by a multibranch circuit representation composed of resistors and capacitors with variable voltage whose values are determined by an accurate characterization experiment. Moreover, all the elements of a typical photovoltaic energy conversion system are modeled by using the Matlab/Simulink software (solar radiation, photovoltaic panels, batteries and charges). The energy storage model by ultracapacitors is then validated by the good agreement of measured values taken in real conditions with the results provided by simulations. Finally, two examples are proposed and discussed: the determination of the storage duration of ultracapacitors versus solar irradiance and ambient temperature, and the integration of ultracapacitors in the electrical feeding system of a DC motor to reduce the electrical current peak of the battery at the start of the motor

L'objectif d'amélioration des performances de cellules solaires sur des substrats de silicium cristallin de plus en plus en minces (< 200 µm) est indispensable à la réduction des coûts du module et donc à l'essor du photovoltaïque à l'échelle mondiale. Cette thèse se propose de répondre à la problématique d'amincissement des plaquettes sur substrats monocristallins (Cz) de type p de grande surface (239 cm2 - 180 µm) par le développement d'une structure en face arrière capable de générer un rendement de conversion élevé tout en limitant le degré de complexité du procédé de fabrication de la cellule. La solution explorée est celle des cellules à face arrière passivée et contacts localisés et les schémas de passivation étudiés s'appuient sur l'utilisation d'empilements diélectriques à base d'oxydes de silicium (SiO2) et d'aluminium (Al2O3) couplés au nitrure de silicium (SiNx). Ces travaux ont pour objectif d'optimiser les propriétés de passivation des couches diélectriques tout autant que les briques technologiques nécessaires à leur intégration dans la structure de cellule finale (conditionnement de surface, ablation laser sélective, métallisation par sérigraphie). Le procédé de fabrication résultant a permis d'obtenir des cellules avec un rendement de conversion de 19.1% pour l'empilement SiO2/SiNx. Il est cependant démontré que les limitations des performances de cette structure peuvent être partiellement compensées en introduisant une couche d'alumine, permettant d'atteindre un rendement remarquable de 19.5% (+0.4% par rapport à une structure standard). / Improving the solar cell efficiency on thin wafers (< 200 µm) has become a must in the industry in order to reduce the module cost and enhance the photovoltaics field growth worldwide. This work addresses the issues regarding the thickness reduction of large monocrystalline p-type wafers (239 cm2 - 180 µm) by developing a back side architecture capable of increasing the efficiency while limiting the cell fabrication level of complexity. Thus back passivated and local contacts, also known as PERC-type, solar cells are investigated. Those include passivation schemes relying on the use of dielectric stacks based on silicon oxide (SiO2), aluminum oxide (Al2O3) both coupled with silicon nitride layers (SiNx). This PhD study attempts to carry out an optimization of the passivation properties as well as of the technological steps required for a proper integration in the final cell structure (surface preparation, selective laser ablation, screen-printing metallization). The resulting optimized process led to the fabrication of solar cells displaying an 19.1% conversion efficiency by using SiO2/SiNx layers. Nevertheless it was shown evidence that the limited electrical performances can be overcome by introducing an Al2O3 layer, eventually reaching a remarkable 19.5% efficiency. This represents an absolute gain efficiency of +0.4% compared to the standard full-area Al-BSF solar cell architecture.

L’alliage de Nitrure de Gallium et d’Indium (InGaN) est devenu au cours des dernières années un semi-conducteur important pour la réalisation de composants optoélectroniques, du fait de sa bande interdite modulable en fonction de la composition d’indium, entre 0.7 eV à 3.4 eV. Ceci permet l’absorption d’une grande partie du spectre solaire et fait de l’alliage InGaN un excellent candidat pour la réalisation de cellules solaires multijonctions à très haut rendement. Ce travail de thèse a permis une investigation approfondie sur les performances de différentes structures de cellules solaire à base d’InGaN. Il s’inscrit dans le cadre d’un projet visant à associer des méthodes d’optimisation mathématique multivariée à une démarche rigoureuse de simulation s’appuyant autant que possible sur des modèles et résultats expérimentaux. Il s’agit d’une nouvelle approche qui permet d’étudier les performances des cellules solaires en optimisant simultanément plusieurs paramètres (physiques et géométriques) de la cellule solaire. Nous avons étudié pour cette thèse, différentes structures de cellules solaires à simple jonction, notamment de nouvelles structures sans couche P et avons fait également l’étude d’une structure complexe à double jonction. Ces études nous ont permis d’évaluer les performances optimales que pourraient avoir les cellules à base d’InGaN et seront importantes pour la conception et l’élaboration future de cellules solaires InGaN à haut rendement / In recent years, Gallium Indium Nitride (InGaN) alloy has become a semiconductor of choice for the realization of optoelectronic devices, because of its wide spectral coverage, with a bandgap that can be modulated, by changing the indium composition, between 0.7 eV and 3.4 eV. This allows the absorption of a large part of the solar spectrumand makes the InGaN alloy an excellent candidate for the realization of high efficiency multi-junction solar cells. This thesis work led to a further investigation into the performance of different InGaN-based solar cell structures. It is part of a project aiming to associate mathematical optimization methods with a rigorous simulation process based as much as possible on models and experimental results. This is a new optimization approach that optimizes the performance of solar cells by simultaneously optimizing several parameters (physical and geometrical) of the solar cell. We have studied for this thesis, different structures of single junction solar cells, including new structures without P layer and we have also studied a complex structure with double junction. These studies allowed us to evaluate the optimal performance that InGaN-based solar cells can achieve for their design and future development