Dans les années à venir, plusieurs missions spatiales permettront l'observation globale des concentrations de nombreux gaz traces dans l'atmosphère. L'objectif de cette thèse a été d'évaluer les capacités d'un instrument mesurant depuis l'espace le rayonnement du système Terre – atmosphère dans l'infrarouge thermique par visée au nadir pour l'observation de l'ozone troposphérique.<br />Ces travaux ont été réalisés dans le cadre de la préparation de la mission IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer), pour laquelle le Service d'Aéronomie développe un algorithme opérationnel d'inversion des gaz traces CO, CH4 et O3. Les lancements des trois instruments IASI sont prévus en 2006, 2010 et 2015 sur les trois plates-formes successives MetOp. Un algorithme d'inversion de l'ozone a été développé, ainsi qu'un module d'analyse de l'erreur d'inversion. Les données satellitaires mesurées par l'instrument IMG (Interferometric Monitor for Greenhouse Gases), présent sur le satellite ADEOS (1996-1997), et les mesures ballon LPMA/IASI mesurées en août 2002, nous ont permis de tester les développements sur des mesures réelles et de valider la méthode. Une première interprétation des distributions globales d'ozone troposphérique IMG/ADEOS a été réalisée en comparant les différentes informations disponibles sur sa production et son transport.<br />Les études entreprises pour IASI ont été étendues à l'évaluation des capacités d'un instrument similaire embarqué sur un satellite en orbite géostationnaire pour l'observation des gaz traces.

L'étalonnage de SPOT-HRV est réalisé depuis plus de dix ans sur le site de La Crau. Lors de campagnes de mesures, plusieurs équipes caractérisent l'atmosphère et la réflectance de surface afin de prédire le signal d'entrée de HRV. Notre objectif est de réaliser cet étalonnage à partir de mesures automatiques en continu.<br /><br />La théorie du transfert radiatif est utilisée pour prédire le signal satellitaire et nous en rappelons les principes. Nous présentons ensuite les satellites SPOT, en particulier SPOT4. Enfin, nous exposons les méthodes employées pour l'étalonnage absolu et relatif des capteurs.<br /><br />Notre instrumentation consiste en un radiomètre entièrement étalonné in situ. L'étalonnage en éclairement est basé sur la méthode de Bouguer. En luminance, il est effectué aux courtes longueurs d'onde sur la diffusion Rayleigh. Enfin, l'étalonnage est propagé aux<br />grandes longueurs d'onde grâce à une méthode originale. Nous présentons un bilan de l'étalonnage in situ de la station.<br /><br />Les effets atmosphériques et la réflectance de surface sont évalués à partir des mesures de la station. Les aérosols sont décrits par leur épaisseur optique et leur granulométrie, représentée par un modèle de Junge. La réflectance bidirectionnelle est ramenée dans la<br />géométrie de visée du satellite grâce à une modélisation des effets directionnels.<br /><br />La luminance TOA est alors estimée. La transmission gazeuse est calculée par le code 6S. Le code des Ordres Successifs de Diffusion est utilisé pour calculer le signal TOA. Nous avons évalué quatre jeux de coefficients pour SPOT4 et un pour SPOT2. La comparaison avec les coefficients du CNES montre un écart plus important que l'incertitude estimée de notre méthode. L'écart reste comparable à ceux obtenus auparavant sur La Crau. Il ne semble pas dû à un biais systématique et pourra être réduit par une collecte conséquente. Maintenant opérationnelle, la station permettra cette collecte, améliorant ainsi l'estimation des coefficients de SPOT.

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Le travail de thèse s'est organisé autour de l'application de l'algorithme de télédétection des aérosols au-dessus des terres émergées développé pour le capteur ENVISAT/MERIS sur une base de données du capteur SeaSTAR/SeaWiFS. La télédétection des aérosols au-dessus des terres émergées est basée sur la détection des cibles de végétation sombre dans le bleu et le rouge (DDV) à l'aide d'un seuil sur l'ARVI. Le point critique de l'algorithme est la faible couverture du produit aérosol (inférieure à 2% des terres émergées). Pour remédier à cette faible couverture, le concept de DDV a été étendu à des surfaces plus brillantes appelées LARS. La réflectance des LARS est modélisée grâce à la linéarité de la réflectance de surface en fonction de l'ARVI. Une étude statistique sur les données SeaWiFS basée sur l'homogénéité spatiale des aérosols sur ces petites sous scènes a permis de confirmer le nouveau modèle établi par HYGEOS sur les données MERIS. La comparaison des produits aérosols SeaWiFS avec les données photométriques du réseau AERONET montre une bonne inversion des épaisseurs optiques des aérosols dans le bleu et une surestimation des épaisseurs optiques des aérosols dans le rouge. Nous avons maintenant un produit aérosol opérationnel sur les données SeaWiFS. Dans le cadre de deux projets européens, nous avons été amenés à appliquer l'algorithme de télédétection des aérosols au-dessus des terres émergées. Le projet EXPER/PF porte sur la qualité de l'air et la possibilité de conversion des épaisseurs optiques des aérosols en mesure de « Particulate Matter » à l'aide d'une large base de données sur les particules et des données auxiliaires. Le projet SISCAL concerne la « couleur de l'eau » et l'application de la télédétection des aérosols au-dessus des terres émergées dans une approche innovante des corrections atmosphériques au-dessus des eaux intérieures.

Un développement récent de la polarimétrie en imagerie radar consiste à l'associer à l'interférométrie. L'analyse polarimétrique permet de comprendre les mécanismes électromagnétiques qui ont lieu au sein d'une cellule de résolution, tandis que l'interférométrie permet de calculer la hauteur du "centre de phase" de cette même cellule. L'utilisation conjointe de ces deux techniques permet d'envisager des bénéfices aussi divers que l'amélioration de la qualité des cartes d'élévations pour une zone urbaine, ou l'estimation des paramètres descriptifs d'une forêt à partir de modèles de diffusion. Les principaux outils théoriques proposés sont validés par des résultats de mesures en chambre anéchoïque et des images SAR du système aéroporté RAMSES de l'ONERA en bandes X, P et L.

Le but de cette étude est de caractériser le passage progressif d'une mangrove d'estuaire d'une part, à une formation mixte mangrove - forêt marécageuse d'autre part. Ce travail s'inscrit dans une optique plus large qui vise à comprendre l'évolution de cette mangrove d'estuaire et à prédire, à terme, le sens de son évolution. La structure de la végétation de l'estuaire du Sinnamary (Guyane Française) est étudiée en relation avec les paramètres physico-chimiques du sol et en fonction de l'histoire sédimentaire de la zone. La zone d'écotone Mangrove - Forêt marécageuse est tout particulièrement étudiée avec la recherche de paramètres caractérisant le gradient de l'influence marine. Trois types de formations végétales sont décris au moyen de paramètres structuraux (composition floristique, diamètre, hauteur, densités) sur 5 sites répartis sur 350 km² et représentant 26 225 m² d'inventaire. A partir de ces mesures, la dynamique des populations a été mise en évidence. L'évolution des densités au cours du temps, l'accroissement diamétrique annuel et la répartition des espèces majeures ont été caractérisés. Les relations entre les paramètres physico-chimiques du sol et la répartition des espèces ont également été précisées. Enfin, l'évolution du peuplement au cours des 50 dernières années a été étudiée a travers des photographies aériennes à différentes échelles et la télédétection spatiale. L'étude de la structure du peuplement a permis de caractériser les différents faciès de mangrove observés et de proposer des modèles empiriques d'évolution des paramètres de structure (Composition floristique, densité spécifique, surface terrière). Les relations allométriques entre la hauteur et le diamètre des principales espèces ont également été précisées. L'étude de la dynamique des populations a permis de rendre compte de la répartition spécifique pour les principales espèces. L'analyse de ces répartitions a mis en évidence les stratégies de colonisation et d'occupation du milieu par les différentes espèces ainsi que les effets des conditions du milieu sur la mise en place de ces stratégies. Contrairement à ce qui est observé en forêt de terre ferme, l'analyse des données d'accroissement diamètrique a montré l'absence de rythmicité de croissance des individus dans ce milieu. L'étude et le suivi des formations par télédétection (sensus lato) a permis de visualiser et de quantifier les phénomènes de transformation de la mangrove avec une précision toute particulière sur la période d'étude (1996-1998). Enfin, l'étude des caractéristiques physico-chimiques des sols a permis de mettre en évidence les phénomènes d'évolution des sols et d'en identifier le déterminisme. Les relations sols¬végétation ont été précisées, apportant des données nouvelles pour ces milieux. Les connaissances sur la structure du peuplement, sur la dynamique du peuplement, sur les inter-relations sol-végétation, ainsi que les modèles d'évolution des paramètres structuraux en fonction du temps proposés constituent une base solide pour l'étude de ces milieux à l'échelle régionale par des techniques de télédétection spatiale ou aéroportées et pour la compréhension des mécanismes de transformation de ces milieux.

Les nuages sont une incertitude majeure pour l'étude du climat. Parmi eux, les cirrus en sont des modulateurs essentiels, par leur effet de serre élevé et leur effet d'albedo. Cependant, leur haute altitude et leur composition atypique compliquent leur étude. Les nombreuses campagnes de mesure des vingt dernières années ont montré la complexité de leur composition et la forte variabilité de leurs propriétés microphysiques : taille, forme et orientation des cristaux qui les composent. Ce manque de connaissance entraîne de graves lacunes dans leur modélisation, et une incohérence certaine dans les résultats des simulations climatiques à grande échelle. Les avantages des instruments de télédétection pourraient conduire à de nouvelles méthodes d'étude des cristaux dans les cirrus. Cette thèse analyse l'apport potentiel de mesures spatiales pour caractériser les nuages de glace, en prévision de l'Aqua-Train, une formation de satellites pour l'étude de l'atmosphère. La diffusion lumineuse dans les cristaux a été modélisée en prenant en compte leurs multiples propriétés, menant à plusieurs techniques de restitution de la microphysique des cirrus par des mesures de l'état de polarisation de la lumière par télédétection active et passive. Ces techniques ont été appliquées à des données sol pour évaluer leur pertinence, et leur application potentielle à des mesures spatiales envisagée. Combinées dans un cadre théorique homogène, elles ont conduit à la restitution cohérente des propriétés des cristaux dans les cirrus : orientation spatiale et angle maximum de déviation à partir de mesures polarisées (lidar à balayage, radiomètre) ; facteur de forme par observations lidar polarisées ; taille par synergie multi-instruments (lidar, radiomètre IR). La restitution de ces paramètres à l échelle globale conduira à une meilleure compréhension des propriétés radiatives des cirrus, et à une meilleure interprétation de leur importance dans le contexte du bilan radiatif terrestre.

Les nuages jouent un rôle important dans l'évolution de l'atmosphère météorologique et dans le contrôle du climat. Or leur représentation paramétrique dans les modèles numériques de prévision météorologique et climatologique n'est toujours pas validée à ce jour. La préoccupation de la communauté scientifique internationale d'être à même de mieux contrôler à l'échelle globale l'effet radiatif des nuages a stimulé plusieurs programmes spatiaux mettant en œuvre une combinaison radar-lidar (CLOUDSAT/CALIPSO et EarthCare). De telles expériences spatiales ont besoin de démonstrateurs aéroportés tels que RALI (système synergique RAdar nuage - LIdar), qu'il s'agisse de la mise au point des algorithmes de traitement de données, ou de la validation des produits de la mission spatiale. Ainsi, le projet RALI vise le développement et l'exploitation d'une combinaison instrumentale radar-lidar aéroportée ou au sol, pour documenter les profils verticaux des propriétés microphysiques, dynamiques et radiatives des nuages glacés non précipitants. C'est dans ce cadre que s'inscrit cette thèse. Dans un premier temps, un modèle inverse reliant les paramètres de télédétection aux paramètres nuageux a été construit. Ce modèle permet de s'affranchir de la forme de la distribution dimensionnelle des particules; il sert de base à l'application de l'algorithme synergique radar-lidar. Celui-ci, prenant en compte la variation verticale de la concentration des particules nuageuses, a également été développé. Des tests de simulation ont été effectués afin de déterminer sa robustesse, sa précision et les conditions optimales d'application. Les résultas obtenus sur des cas d'expérimentations instrumentales (Clare'98, Carl'99 et Clare'2000), comparés à des mesures in-situ microphysiques, ont montré sa capacité à restituer le rayon effectif des particules nuageuses, le contenu en glace et l'épaisseur optique des nuages sondés. L'algorithme est également capable de restituer le contenu en eau des couches de phase mixtes et sa capacité a été testée sur un cas d'altocumulus de Clare'2000.

Sept ans après l'application de la loi sur l'air de 1996, toutes les villes de France de plus de 100 000 habitants possèdent désormais un réseau de surveillance de la qualité de l'air. La qualité de l'air s'améliore progressivement selon certaines études. Pour autant, des effets néfastes sur la santé des habitants et l'environnement subsistent. Il devient nécessaire de caractériser au mieux le risque induit par la pollution. Cela passe par une meilleure connaissance de la distribution spatiale des polluants. L'analyse des outils actuels de surveillance montre que cette dernière information n'est actuellement pas disponible en zone urbaine et à petite résolution spatiale. Pourtant ces outils sont complémentaires pour une bonne compréhension de la distribution spatiale des polluants. De cette analyse, nous proposons une méthode de fusion de toutes les informations pour une meilleure cartographie de la pollution atmosphérique en milieu urbain. La démarche repose sur la possibilité de cartographier les petites structures d'un champ de concentration de polluants, appelé « champ typique ». La cartographie est effectuée en densifiant le nombre de points pris pour une cartographie par interpolation. Cette étude est menée en trois étapes. La première étape concerne la caractérisation des stations de mesures et de la ville entière. Des images satellitaires Landsat, des mesures in situ, un cadastre d'émission et une base de données géographiques sont utilisés pour définir des « cartes d'identité ». La deuxième étape met à profit ces cartes d'identité pour localiser des « pseudostations », lieux de la ville présentant des attributs similaires à une station de mesures. Enfin la dernière étape s'intéresse à l'estimation de la concentration en polluants par télédétection. Les pseudostations deviennent alors des stations virtuelles. La démarche est originale dans le sens où elle fait appel à des données de sources diverses qui permettent d'assurer une cohérence de la cartographie entre les échelles spatiales.

L'utilisation de modèles de diffusion radar par la végétation permet de mieux comprendre les relations entre des observables radar et les caractéristiques de la scène observée. Des études récentes ont montré l'intérêt de modéliser de manière partielle ou totale les interactions cohérentes entre les diffuseurs d'une scène, les modèles de diffusion évoluant d'une formulation en intensité (incohérente) à une formulation en champ (cohérente). Durant cette thèse, nous avons développé une formulation cohérente et polarimétrique de la diffusion radar par des scènes forestières. La diffusion par des éléments canoniques (cylindres, ellipsoïdes) a été traitée afin de mettre en évidence les domaines de validité des méthodes employées. Le modèle de diffusion est ensuite présenté puis appliqué à une forêt considérée comme un milieu discret. La contribution totale de la forêt résulte alors de la sommation cohérente des champs diffusés par chacune de ses composantes. Chaque contribution est pondérée par le déphasage dû à la position relative des diffuseurs et l'atténuation complexe lié au trajet de l'onde dans la forêt. Les modèles cohérents ayant besoin de s'appuyer sur des descriptions réalistes de la végétation, un soin particulier à été porté à la modélisation de la forêt. Ce code a été appliqué à deux types de forêts (tropicale et tempérée) et à trois bandes de fréquences différentes (P,L et C). Son application aux forêts de Mangroves a montré qu'il modélise correctement la rétrodiffusion dans un cas où de forts effets cohérents sont attendus. Les limitations de ce code sont notamment analysées dans le cas particulier des hautes fréquences/densités. Finalement le degré de cohérence interférométrique est étudié et sa composition (contributeurs et mécanismes dominants) est analysée.