Globale terrestrische Referenzsysteme und deren Realisierungen, die sogenannten Referenzrahmen, sind die Grundlage für die Beschreibung der Figur der Erde und ihrer Orientierung im Weltraum sowie für die Referenzierung von Vorgängen auf der Erdoberfläche und im nahen Umfeld der Erde. Die Realisierung des Internationalen Terrestrischen Referenzsystems ist eine der zentralen Aufgaben der Geodäsie. Sie erfolgt durch Kombination von Beobachtungsdaten geodätischer Raumbeobachtungsverfahren. Besondere Bedeutung kommen dabei dem Verfahren der Interferometrie auf sehr langen Basislinien, der Laserentfernungsmessung zu Satelliten sowie dem Globalen Positionierungssystem zu. Jedes dieser Verfahren weist besondere Stärken bei der Bestimmung geodätischer Parameter auf und trägt wesentlich zur Realisierung des Referenzsystems bei. In dieser Arbeit werden Methoden zur Berechnung einer zeitabhängigen und einer zeitunabhängigen Realisierung aus den Beobachtungen der genannten Verfahren entwickelt. Beide Ansätze basieren auf der Kombination bedingungsfreier Normalgleichungen, die aus der homogenen Auswertung der Beobachtungen resultierenden. Diese Vorgehensweise kann als gute Approximation der direkten Kombination der Beobachtungen angesehen werden, die bisher nicht erfolgreich umgesetzt werden konnte. Vom Internationalen Erdrotations- und Referenzsystemdienst (IERS) werden Referenzrahmen basierend auf zeitlich hochaufgelösten Eingangsdaten berechnet. Für die jüngste Lösung des IERS, den ITRF2005, wurden Stationskoordinaten und Erdrotationsparameter (Polkoordinaten und UT1-UTC) erstmalig konsistent ausgeglichen. Entsprechend diesem IERS-Standard werden auch in dieser Arbeit Eingangsdaten mit einer zeitlichen Auflösung von einem Tag beziehungsweise einer Woche verwendet. Zusätzlich zu den genannten Parametern werden Nutations- und bei der zeitunabhängigen Realisierung Troposphärenparameter berücksichtigt. Die zeitabhängige und die zeitunabhängige Realisierung unterscheiden sich hinsichtlich des Zeitraums, aus welchem Beobachtungen berücksichtigt werden und damit hinsichtlich ihrer Parametrisierung, ihres Informationsgehalts, ihres Gültigkeitsbereichs und ihrer Genauigkeit. Es werden spezifische Kombinationsmodelle entwickelt, die diese Eigenschaften berücksichtigen. Da sich Beobachtungen verschiedener Raumbeobachtungsverfahren in aller Regel nicht auf gemeinsame Referenzpunkte beziehen, müssen zur Kombination der Stationsnetze Differenzvektoren zwischen dicht beieinander liegenden Referenzpunkten verschiedener Verfahren eingeführt werden. Die gemessenen Differenzvektoren weisen teilweise große Diskrepanzen zu den Koordinatendifferenzen auf, die aus den Raumbeobachtungsverfahren bestimmt werden. Deshalb müssen geeignete gemessene Differenzvektoren für die Kombination ausgewählt werden. Zwei Kriterien werden für die Auswahl formuliert: Die Konsistenz der kombinierten Lösung soll maximal sein, und die Geometrie der verfahrensspezifischen Stationsnetze soll in der Kombination erhalten bleiben. Zur Quantifizierung der Konsistenz werden die Polkoordinaten herangezogen. Es wird gezeigt, dass diese sich in ihrer Eigenschaft als globale Parameter, die aus allen genannten Beobachtungsverfahren geschätzt werden können, hervorragend zur Beurteilung der Konsistenz eignen. Für beide Realisierungen wird nachgewiesen, dass die Kombination der verschiedenen Beobachtungsverfahren für die Mehrzahl der Parameter zu einer Genauigkeitssteigerung im Vergleich zu den verfahrensspezifischen Lösungen führt. Für einige der Parameter wird eine Verbesserung von 10\% und mehr erreicht. Es wird eine Methode zur Kombination von Troposphärenparametern entwickelt und für die Realisierung des zeitunabhängigen Referenzrahmens getestet. Die Kombination der Troposphärenparameter führt zu einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit der kombinierten Lösung. Eine Gegenüberstellung des zeitabhängigen und des zeitunabhängigen Referenzrahmens zeigen die unterschiedlichen Potentiale beider Lösungen. Anhand der Ergebnisse der Arbeit werden Empfehlungen zur Verbesserung öffentlich bereitgestellter Kombinationsprodukte formuliert. Hervorzuheben ist dabei, dass die Kombination der Beobachtungsverfahren auf der Ebene der Normalgleichungen oder - wenn möglich - auf Ebene der Beobachtungsgleichungen durchgeführt werden sollte, und dass die speziellen Eigenschaften der Parameter im Kombinationsprozess besser genutzt werden sollten. / Global terrestrial reference systems and their realizations, the so called reference frames, are fundamental for the description of the Earth's shape and its orientation in space and for referencing changes on the Earth's surface and its planetary environment. The Realization of the International Terrestrial Reference System is one of the main tasks of geodesy. It is achieved by the combination of observation data of different space geodetic techniques. The most important techniques are the Very Long Baseline Interferometry, Satellite Laser Ranging and the Global Positioning System. Each of these techniques has individual strengths with respect to the estimation of geodetic parameters and contributes significantly to the realization of the terrestrial reference system. In this thesis methods are developed, which allow for the realization of a time-dependent as well as for a time-independent reference frame from space observation data. Both methods are based on the combination of free normal equations which result from the homogeneous analysis of the different observation types. This approach is a good approximation for the direct combination of observations, which has not yet been implemented successfully. The International Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS) computes reference frames from input data with high temporal resolution. For the most recent solution, the ITRF2005, station coordinates and Earth rotation parameters (pole coordinates and UT1-UTC) were estimated consistently for the first time. In analogy to the IERS standards, input data with daily and weekly resolution are used in this work. In addition to the above mentioned parameters, nutation and troposphere parameters are considered. The time-dependent and the time-independent reference frame are based on observation data of different time spans (two years and one day respectively). Consequently, they are characterised by a different parameterisation and show discrepancies with respect to information content, validity, and accuracy. This requires the development of individual combination models for both realizations. Usually, observations of different space geodetic techniques do not refer to a common reference point. Neighbouring reference points of different techniques are combined by introducing terrestrial difference vectors. In some cases the comparison of the terrestrial difference vectors and the coordinate differences computed from the solutions of the space geodetic techniques show large discrepancies. Thus, the selection of difference vectors which are suitable for the combination is essential. Two criteria for the selection are formulated: The consistency of the combined solution shall be maximal and the geometry of the technique specific station networks shall not be changed by the combination. The consistency is quantified on the basis of the pole coordinates. It is demonstrated, that the pole coordinates are qualified to describe the consistency, since they are global parameters that can be estimated from the observations of all techniques. For both realizations it is shown, that the combination leads to an improvement of accuracy for most of the parameters compared to the technique specific solutions. For some parameters an improvement of 10\% or more is achieved. Additionally, a method for the combination of troposphere parameters is developed and tested for the computation of the time-independent reference frame. The computation of the troposphere parameters leads to a further increase of the accuracy of the combined solution. The comparison of the time-dependent and the time-independent reference frame discloses the individual potentials of both frames. Based on the results, recommendations for the improvement of official combination products are formulated. The most important suggestions are, that the combination of space geodetic techniques shall be performed on the level of normal equations, or if possible on the level of observations. Furthermore, the individual characteristics of the parameters should be used more effectively in the combination process.

La thèse, dont le sujet est "Modélisation de la propagation électromagnétique en milieux à gradient d'indice basée sur les faisceaux gaussiens - Application à la propagation en atmosphère réaliste et à la radio-occultation entre satellites" a été commencée le 2 décembre 2013, au Département ÉlectroMagnétisme et Radar (DEMR) de l'Onera de Toulouse et avec le laboratoire LAPLACE de l'Université Paul Sabatier. Elle est co-financée par l'ONERA et par la Région Midi-Pyrénées. L'encadrement a été assuré par Jérôme Sokoloff (Laplace/UPS, directeur de thèse), Alexandre Chabory (ENAC, co-directeur) et Vincent Fabbro (ONERA). L'École Doctorale est l' "École Doctorale Génie Électrique, Électronique, Télécommunications : du système au nanosystème". Le faisceau gaussien a été principalement utilisé dans la recherche scientifique afin d'étudier les systèmes optiques tels que les lasers. Des études plus rares et plus récentes ont proposé de l'utiliser pour modéliser la propagation des ondes sismiques. Ses propriétés spatiales et spectrales ont amené certains auteurs à étudier son utilisation dans des modèles de propagation atmosphériques. Cette thèse a consisté à développer un modèle, appelé GBAR (Gaussian Beam for Atmospheric Refraction), de propagation troposphérique réaliste et déterministe en utilisant le formalisme des faisceaux gaussiens. La démarche adoptée a consisté à reprendre les équations fondamentales introduites par Cerveny et Popov décrivant de façon itérative la propagation d'un faisceau gaussien en milieu inhomogène, sous hypothèse de haute fréquence (modèle asymptotique). De nouvelles équations ont été développées à partir d'elles pour obtenir une description analytique de la propagation d'un faisceau gaussien dans un milieu troposphérique décrit par les variations spatiales de l'indice de réfraction. L'hypothèse de base pour l'obtention de la formulation analytique est que le gradient de l'indice de réfraction peut être considéré vertical et constant au voisinage du faisceau. Les équations analytiques pour la description de la propagation d'un seul faisceau ont ensuite été étendues à la modélisation d'un champ quelconque dans un milieu troposphérique pouvant contenir de fortes variations du gradient d'indice, y compris des inversions de gradient. Ceci a été réalisé en couplant les équations analytiques avec la procédure de décomposition multi-faisceaux développée dans sa thèse pas Alexandre Chabory. Le modèle GBAR a été validé dans des milieux troposphériques réalistes issus de simulations du modèle météo méso-échelle WRF (Weather Research and Forecasting). Dans un troisième temps, le modèle a été utilisé pour simuler des inversions de données de radio-occultation. Des outils existent pour fournir un modèle d'interprétation de ces données pour estimer les propriétés physiques de l'atmosphère à partir des mesures en phase, amplitude, Doppler et délai des signaux GNSS transmis entre satellites en orbite autour de la Terre / The subject of this PhD thesis is " Electromagnetic propagation modeling in inhomogeneous media with refractive index gradients based on Gaussian beams - Application to realistic atmospheric propagation and radio occultation between satellites ". The study started on december 2nd, 2013 at the DEMR (Département Électromagnétisme et Radar) department of the ONERA research laboratory, in Toulouse, France. It was funded both by the ONERA and Région Midi-Pyrénées. It was supervised by Jérôme Sokoloff (LAPLACE/UPS, thesis director), Alexandre Chabory (ENAC, thesis co-director) and Vincent Fabbro (ONERA). The doctoral school was "École Doctorale Génie Électrique, Électronique, Télécommunications : du système au nanosystème ". The Gaussian beam was mostly used in scientific investigations to study optical systems such as lasers. Rarer and more recent works suggested the use of the Gaussian beam formalism in order to model the propagation of seismic waves. The properties of the Gaussian beam also led some authors to develop models for atmospheric propagation. In this thesis a model based on Gaussian beams called GBAR (Gaussian Beam for Atmospheric Refraction) was developped for tropospheric propagation in realistic and deterministic conditions. The scientific approach consisted in rewritting the fundamental equations introduced by Cerveny and Popov describing iteratively the propagation of a Gaussian beam in inhomogeneous media, under the high-frequency assumption (asymptotic model). New equations were derived from them in order to get analytical equations of the propagation of a Gaussian beam in inhomogeneous media described by the variations of the refractive index. The basic assumption under to get the analytical equations is to consider that the refractive index gradient is vertical and constant around the beam axis. The analytical equations that describe the propagation of a Gaussian beam were extended to model the propagation of an arbitrary field in a tropospheric medium with strong variations and inversions of the refractive index. This was done by coupling the analytical equations with the multibeam expansion procedure developped by Alexandre Chabory in his PhD thesis. The GBAR model was validated in tropospheric conditions, using refractive index grids from the WRF (Weather Research and Forecasting) mesoscale meteorological model. In the third and final phase, the GBAR model was used to simulate Radio Occultation data inversions. Tools exist to allow for interpretations of Radio Occultation data in order to estimate the physical properties of the atmosphere from measured phased, amplitude, Doppler shift and delay of GNSS signals transmitted between satellites orbiting around the Earth

This thesis examines the structure of the Tropical Easterly Jet (TEJ) in a General Circulation Model (GCM). The TEJ is observed only during the Indian summer monsoon period and is strongest during July and August. The jet structure simulated by an atmospheric GCM (CAM-3.1) in July has been compared with reanalysis data. The simulated TEJ was displaced westward by ~ 25◦ when compared to observations. The removal of orography had no impact on the jet structure. This demonstrated that the Tibetan Plateau did not play an important role in the location and structure of the jet. The changes in cumulus scheme in the GCM had a large influence on the location of the jet maxima. To examine the factors which control the location and structure of the jet, a series of experiments were conducted using an aqua-planet version of the model. The impact of different sea surface temperature (SST) profiles was studied. The rainfall in the GCM was primarily in the regions where the SST attained a maximum. By altering the location of SST maximum (and hence the rainfall maximum), the impact of location of rainfall maximum on the location and structure of the jet was studied. When the rainfall maximum was located close to the equator, it did not generate a strong jet but had an influence on the vertical structure of the jet. A large number of simulations were conducted with multiple rainfall maxima and the need for these was demonstrated since only then was the observed jet structure well simulated. Based on the simulations, it was concluded that the simulation of the TEJ by CAM-3.1 was unrealistic because of large unrealistic rainfall over Saudi Arabia in this GCM. Equatorial heating has been shown to be important to simulate proper jet structure. The zonal structure of the jet was also influenced by rainfall in the Pacific Ocean. Although the aqua-planet configuration of the CAM-3.1 GCM provided several useful insights, the simulation was not perfect on account of errors in the simulation of the temperature profile in the lower troposphere. An ideal-physics configuration of the GCM was used. This removed the cumulus physics and instead imposed the observed heating pro-files. Both upper tropospheric friction and radiative-convective atmospheric temperatures were required to simulate the TEJ. The problems with the simulation of structure in the jet exit region was corrected by using radiative-convective atmospheric temperatures that were qualitatively similar to those observed in northern hemisphere summer time. The ideal-physics configuration reconfirmed that the Saudi Arabian rainfall was responsible for the westward shift of the TEJ in the simulations. The ideal-physics simulations showed that the simple analytical model proposed by Gillin1980 was not suitable for the simulation of TEJ. The above the simulations indicate that a shift in the location of the jet is related to a shift in the rainfall pattern. Based on this insight one would expect that the jet location will be different in good and bad monsoon periods. This is indeed the case. In July 2002 the Indian monsoon failed after beginning well in June. In June the TEJ is consequently located west ward compared to July. The same situation prevails even in good and poor monsoon years. In a good monsoon year (July 1988) the jet maximum is located westward when compared to a bad monsoon year (July 2002). In this thesis we have clearly demonstrated the role of anomalous rainfall on the location of the TEJ. This thesis has shown that an accurate simulation of the TEJ depends upon the accurate simulation of various rainfall centers that act as multiple heat sources in the atmosphere. The rainfall in the equatorial region does not influence the strength of the TEJ but alters the vertical structure of the jet. The strength the jet is dependent on the intensity of rainfall and the latitudinal distance from the equator. The complex vertical structure of the jet is not simulated by simple analytical models of the jet.

Orientador: Michel Daoud Yacoub / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-23T14:27:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Heinrich_RalphRobert_M.pdf: 7113070 bytes, checksum: 2a64f903bc44fb31b9ee53ef545bb24e (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Este projeto de pesquisa objetiva responder a algumas questões sistêmicas levantadas por ocasião do início do desenvolvimento do sistema LTE-450, parte integrante do projeto RASFA - Redes de Acesso Sem Fio Avançadas, conduzido pelo CPqD - Fundação Centro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações, com recursos do FUNTTEL - Fundo para o Desenvolvimento Tecnológico das Telecomunicações. Esse projeto visa, como um de seus objetivos, o desenvolvimento de um sistema de rádio acesso sem fio LTE-450, operando na faixa de 450 a 470 MHz, baseado na tecnologia LTE - Long Term Evolution. A faixa de 450 a 470 MHz está atribuída em base global desde 2007 para o Serviço Móvel, conforme identificado pela União Internacional de Telecomunicações na World Radiocommunication Conference 2007. A Anatel - Agência Nacional de Telecomunicações - publicou a nova destinação de uso para a faixa de 450 a 470 MHz em 20 de dezembro de 2010, através da Resolução n º 558. Várias ações vêm sendo empreendidas em apoio ao uso da faixa 450 a 470 MHz, para a prestação de serviços banda larga sem fio para áreas rurais, como consta do Programa Nacional de Telecomunicações Rurais, publicado pela Portaria 431/2009 do Ministério das Comunicações, e do Plano Nacional de Banda Larga, publicado em 13 de maio de 2010. Entende-se que a faixa de 450 a 470 MHz é ideal para a implantação de serviços de banda larga sem fio em áreas rurais, devido às suas características de propagação. Por outro lado, a base de conhecimento sobre o canal rádio em sistemas de rádio acesso móvel banda larga considera o uso, em áreas urbanas, de faixas de frequências situadas entre 850 MHz e 3500 MHz. São notórias as diferenças entre as características de propagação nessas faixas e nas faixas de UHF, principalmente quando a área de prestação do serviço deixa de ser a urbana e passa a ser a rural. Nesse sentido, alguns requisitos sistêmicos podem ser questionados e mesmo redimensionados. Esses requisitos foram aqui endereçados através de levantamento de dados em campo e posterior análise crítica contra a base de conhecimento disponível. São questões como a amplitude do desvanecimento seletivo e por despolarização, a intensidade do ruído impulsivo, os modelos de propagação aplicáveis à área rural e à faixa de UHF, a variação da perda de percurso com a altura da antena do terminal e a discriminação de polarização da antena do terminal / Abstract: This research project aims to answer some systemic issues raised during the early development of the LTE-450 radio access system, part of a project RASFA - Advanced Wireless Networks Access, led by CPqD Foundation - Center for Research and Development in Telecommunications with resources of FUNTTEL - Technological Development of Telecommunications Fund. This project aims, as one of its objectives, the development of a LTE-450 wireless system, operating in the 450-470 MHz band, based on LTE - Long Term Evolution technology. The 450-470 MHz band is allocated, on a global basis, since 2007 for Mobile Service, as identified by the International Telecommunication Union in the World Radiocommunication Conference 2007. Anatel - The Brazilian National Telecommunications Agency has published a new destination for the 450-470 MHz band on December 20, 2010, through Resolution No. 558. Several actions have been undertaken in support of the use of the 450-470 MHz band, to provide wireless broadband services to rural areas, as set out in the National Rural Telecommunications Plan, published by the Decree 431/2009 of the Ministry of Communications and the National Broadband Plan (PNBL), published on May 13, 2010. It is understood that the 450-470 MHz band is ideal for deploying wireless broadband services in rural areas, due to its propagation characteristics. On the other hand, the base of knowledge about the mobile broadband access radio systems channel, considering the use in urban areas, situated between 850 MHz and 3500 MHz bands have notable differences between the propagation characteristics of these bands and the UHF bands, especially when the area of service provision ceases to be the urban and goes to the rural areas. Thus, some systemic requirements can be questioned and even resized. These requirements are addressed here through field data gathering and subsequent critical analysis against the knowledge base available. These issues are such as the extent of selective fading and depolarization, the intensity of the impulse noise, the propagation models applicable to the rural area and the UHF band, the variation of the path loss with the height of the terminal antenna and of terminal antenna polarization discrimination / Mestrado / Telecomunicações e Telemática / Mestre em Engenharia Elétrica

Atmospheric formaldehyde (H2CO) is an intermediate product common to the degradation of many volatile organic compounds and therefore it is a central component of the tropospheric chemistry. While the global formaldehyde background is due to methane oxidation, emissions of non-methane volatile organic compounds (NMVOCs) from biogenic, biomass burning and anthropogenic continental sources result in important and localised enhancements of the H2CO concentration. Recent spaceborne nadir sensors provide an opportunity to quantify the abundance of tropospheric formaldehyde at the global scale, and thereby to improve our knowledge of NMVOC emissions. This is essential for a better understanding of the processes that control the production and the evolution of tropospheric ozone, a key actor in air quality and climate change, but also of the hydroxyl radical OH, the main cleansing agent of our troposphere. For this reason, H2CO satellite observations are increasingly used in combination with tropospheric chemistry transport models to constrain NMVOC emission inventories in so-called top-down inversion approaches. Such inverse modelling applications require well characterised satellite data products consistently retrieved over long time periods.<p>This work reports on global observations of formaldehyde columns retrieved from the successive solar backscatter nadir sensors GOME, SCIAMACHY and GOME-2, respectively launched in 1995, 2002 and 2006. The retrieval procedure is based on the differential optical absorption spectroscopy technique (DOAS). Formaldehyde concentrations integrated along the mean atmospheric optical path are derived from the recorded spectra in the UV region, and further converted to vertical columns by means of calculated air mass factors. These are obtained from radiative transfer simulations, accounting for cloud coverage, surface properties and best-guess H2CO profiles, the latter being derived from the IMAGES chemistry transport model. A key task of the thesis has consisted in the optimisation of the H2CO retrieval settings from multiple sensors, taking into account the instrumental specificities of each sounder. As a result of these efforts, a homogeneous dataset of formaldehyde columns covering the period from 1996 to 2010 has been created. This comes with a comprehensive error budget that treats errors related to the spectral fit of the columns as well as those associated to the air mass factor evaluation. The time series of the GOME, SCIAMACHY and GOME-2 H2CO observations is shown to be consistent and stable over time. In addition, GOME-2 brings a significant reduction of the noise on spatiotemporally averaged observations, leading to a better identification of the emission sources. Our dataset is used to study the regional formaldehyde distribution, as well as its seasonal and interannual variations, principally related to temperature changes and fire events, but also to anthropogenic activities. Moreover, building on the quality of our 15-year time series, we present the first analysis of long-term changes in the H2CO columns. Positive trends, in the range of 1.5 to 4% yr-1, are found in Asia, more particularly in Eastern China and India, and are related to the known increase of anthropogenic NMVOC emissions in these regions. Finally, our dataset has been extensively used in several studies, in particular by the BIRA-IASB modelling team to constrain NMVOC emission fluxes. The results demonstrate the high potential of satellite data as top-down constraint for biogenic and biomass burning NMVOC emission inventories, especially in Tropical ecosystems, in Southeastern Asia, and in Southeastern US. <p><p>Le formaldéhyde (H2CO) joue un rôle central dans la chimie de la troposphère en tant que produit intermédiaire commun à la dégradation chimique de la plupart des composés organiques volatils dans l’atmosphère. L’oxydation du méthane est responsable de plus de la moitié de la concentration moyenne globale du formaldéhyde. Sur les continents en revanche, les hydrocarbures non-méthaniques (NMVOCs) émis par la végétation, les feux de biomasse et les activités humaines, augmentent de façon significative et localisée la concentration de H2CO. Les récents senseurs satellitaires à visée nadir offrent la possibilité de quantifier à l’échelle globale l’abondance du formaldéhyde dans la troposphère et de ce fait, d’améliorer notre connaissance des émissions de NMVOCs. Ceci est essentiel à la compréhension des mécanismes contrôlant la production et l’évolution de l’ozone troposphérique, élément clé pour la qualité de l’air et les changements climatiques, mais aussi du composé hydroxyle OH, le principal agent nettoyant de notre troposphère. C’est pourquoi, une méthode de plus en plus répandue pour améliorer les inventaires d’émissions des NMVOCs consiste en l’utilisation d’observations satellitaires de H2CO en combinaison avec un modèle de chimie et de transport troposphérique, dans une approche appelée modélisation inverse. Ce genre d’application demande des produits satellitaires bien caractérisés et dérivés de façon cohérente sur de longues périodes de temps.<p>Le travail présenté dans ce manuscrit porte sur l’inversion des colonnes de formaldéhyde à partir de spectres de la radiation solaire rétrodiffusée par l’atmosphère terrestre, mesurés par les senseurs GOME, SCIAMACHY et GOME-2, lancés successivement en 1995, 2002 et 2006. La méthode d’inversion est basée sur la spectroscopie d’absorption optique différentielle (DOAS). Les concentrations de formaldéhyde intégrées le long du chemin optique moyen dans l’atmosphère sont dérivées à partir des spectres mesurés, et ensuite transformées en colonnes verticales par le biais de facteurs de conversion appelés facteurs de masse d’air. Ces derniers sont calculés à l’aide d’un modèle de transfert radiatif, en tenant compte de la présence de nuages, des propriétés de la surface terrestre et la distribution verticale supposée du formaldéhyde, fournie par le modèle IMAGES. Un des objectifs principaux de la thèse a été d’optimiser les paramètres d’inversion pour H2CO, et ceci pour les trois senseurs, tout en tenant compte des spécificités de chaque instrument. Ces efforts ont conduit à la création d’un jeu de données homogène, couvrant la période de 1996 à 2010. Les colonnes sont fournies avec un bilan d’erreur complet, incluant les erreurs liées à l’inversion des concentrations dans les spectres, ainsi que celles provenant de l’évaluation des facteurs de masse d’air. La série temporelle des observations de GOME, SCIAMACHY et GOME-2 présente une bonne cohérence et stabilité sur toute la période. Nous montrons aussi que la meilleure couverture terrestre de GOME-2 entraîne une réduction significative du bruit sur les observations moyennées, permettant une meilleure identification des sources d’émission. Notre jeu de données est exploité pour étudier la distribution régionale du formaldéhyde, ainsi que ses variations saisonnières et interannuelles, principalement liées aux variations de température et aux feux de végétation, mais aussi aux activités anthropiques. De plus, en s’appuyant sur la qualité de la série temporelle de 15 ans, nous présentons la première analyse des variations à long terme des concentrations de H2CO. Des tendances positives, de l’ordre de 1.5 à 4% par an, sont observées en Asie, en particulier dans l’est de la Chine et en Inde, liées à l’augmentation des émissions anthropiques d’hydrocarbures dans ces régions. Finalement, nos données ont été largement exploitées par le groupe de modélisation de l’IASB pour faire des études de modélisation inverse des émissions de NMVOCs. Les résultats démontrent le haut potentiel des données satellitaires pour contraindre les inventaires d’émissions dues à la végétation et aux feux de biomasse, particulièrement dans les écosystèmes tropicaux, en Asie du sud-est, et dans le sud-est des Etats-Unis. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

<p align='justify'>De manière à mieux comprendre l'impact des émissions anthropiques sur la troposphère reculée, les concentrations d'un nombre important de composés atmosphériques ont été mesurés dans la troposphère libre au-dessus d'Hawaii durant la campagne Mauna Loa Observatory Photochemistry Experiment (MLOPEX) accomplie au cours des années 1991 et 1992. Le constituant chimique fondamental pour évaluer cet impact est le radical hydroxyle OH qui fut mesuré au printemps et en été de l'année 1992. La variation diurne de la direction du vent génère pendant la journée un mélange des masses d'air de la couche limite planétaire avec la troposphère libre. Actuellement les modèles régional et global de chimie troposphérique ne peuvent tenir compte à la fois du transport à grande échelle et du mélange local. Nous avons développé un modèle tridimensionnel qui nous permet d'analyser la chimie et la dynamique troposphérique à ces deux échelles. Pour ce faire, nous avons utilisé une grille non-structurée qui offre un moyen efficace de caractériser la région d'Hawaii à l'aide d'une haute résolution et le restant de l'hémisphère Nord avec une résolution qui décroît au fur et à mesure que l'on s'éloigne d'Hawaii. La distribution de 46 composés gazeux avec 138 réactions, incluant une chimie détaillée des hydrocarbures non-méthaniques (isoprène, éthane, éthène, propène et alpha-pinène) est calculée avec un pas de temps de 20 minutes. A l'aide de notre modèle nous avons simulé une période de huit jours pour chacune des saisons. Les résultats des simulations ont été comparés aux observations et interprétés à l'aide d'études de rétro-trajectoires, de traceurs passifs et de bilans chimiques local et régional de l'ozone et de ses précurseurs.</p><p><p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

<p align="justify">L'étude des phénomènes physico-chimiques de l'atmosphère nécessite la connaissance préalable des caractéristiques de chacun de ses constituants, ainsi que de leurs distributions spatiales et temporelles. Les méthodes spectroscopiques permettent la détection simultanée de nombreux constituants atmosphériques par la mesure quantitative de leurs absorptions. Dans le domaine UV-visible, ces techniques se basent sur la loi de Beer-Lambert, dont l'application nécessite la connaissance d'un spectre de référence exempt d'absorption. Il est impossible d'obtenir un tel spectre dans le cas des mesures atmosphériques. On a alors recourt à la technique dite de spectroscopie d'absorption différentielle (Differential Optical Absorption Spectroscopy) qui analyse les composantes des absorptions variant rapidement en fonction de la longueur d'onde.</p><p><p align="justify">Trois instruments ont été développés dans le cadre de ce travail pour la mesure par spectroscopie d'absorption différentielle dans le domaine UV-visible. Le premier utilise un spectromètre par transformée de Fourier, les deux autres des spectromètres à réseau associés soit à une barrette de photodiodes soit à un détecteur de type CCD. Ces instruments ont été conçus dans le but de fournir des mesures de divers constituants (03, SO2, NO2, HNO2, H2CO, toluène, benzène) de manière automatique et en utilisant des trajets d'absorption courts ( < 1 km). Les performances de chacun de ces instruments ont été évaluées au cours de différentes campagnes de mesure. Le spectromètre par transformée de Fourier s'avère être un outil performant pour de telles mesures, son principal avantage étant de posséder une calibration en longueur d'onde interne, précise et reproductible. Les instruments utilisant un spectromètre à réseau associé à un détecteur multi-éléments présentent un certain nombre d'inconvénients rendant peu aisées les mesures troposphériques sur de courtes distances. Ces inconvénients sont liés soit au spectromètre ( calibration en longueur d'onde externe, modification de celle-ci au cours du temps) ou aux détecteurs ( gains différents pour chacun des éléments sensibles du détecteur, phénomènes d'interférence au niveau des fenêtres de protection). Ces problèmes augmentent la complexité de l'analyse des spectres atmosphériques.</p><p><p align="justify">Un paramètre d'importance primordiale pour la détection d'un polluant, est sa section efficace d'absorption. Nous avons mesuré la section efficace de trois molécules d'intérêt atmosphérique, SO2, CS2 et NO2. Ces spectres ont été obtenus à l'aide d'un spectromètre par transformée de Fourier, aux résolutions de 2 et 16 cm-1. La dépendance vis-à-vis de la température a été confirmée dans le cas du NO2. Pour cette molécule, un effet de pression a en outre été observé pour la première fois dans le domaine spectral 12000 20000 cm-1 (500-830 nm). Cet effet est important et peut engendrer des variations de 45% de l'intensité de la section efficace lorsque la pression partielle de NO2 varie de 0.02 à 1.0 torr. L'influence du choix des sections efficaces sur les mesures stratosphériques de NO2 a également été mise en évidence. L'utilisation de sections efficaces obtenue à basse température (220 K) implique une diminution de 20% de la quantité de NO2 mesurée mais également une diminution de l'erreur sur cette mesure. Ceci indique la nécessité de tenir compte de la dépendance des sections efficaces de NO2 à la température lors de l'analyse de spectres stratosphériques.</p><p><p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'augmentation des concentrations de fond en ozone dans la troposphère depuis le XXéme siècle est responsable de baisses conséquentes des rendements des grandes cultures. Le maïs ne semble pas épargné et les pertes de rendement pour l'année 2000 seraient de l'ordre de 2,2% à 5%. Toutefois, ces estimations sont établies à partir des résultats d'un nombre très faible d'expérimentations, toutes réalisées en chambres d'ozonation à ciel ouvert. Afin de vérifier si ces projections sont véritablement transposables aux champs de maïs cultivé en conditions conventionnelles, des plants de la variété NK Perform ont été mis en culture et exposés en champ à différentes concentrations d'ozone, en conditions semi-contrôlées. Pendant le développement des plantes, des séries d'échantillons ont été prélevées afin de comprendre comment le stress oxydatif, potentiellement induit par l'ozone, pourrait les avoir affectées. Ainsi les niveaux d'activités endoprotéolytiques des feuilles de l'épi (précédemment proposés comme indicateurs du degré de contrainte hydrique) ont été mesurés à l'aide d'une méthode par fluorescence (nouvellement adaptée chez les plantes). Parallèlement, les variations des teneurs en protéines oxydées (groupements carbonyles), de la peroxydation lipidiques et de la teneur en espèces réactives de l'oxygène (ROS) ont également été analysées. Nos résultats mettent en évidence une stimulation des activités endoprotéolytiques en réponse aux niveaux élevés d'exposition à l'ozone, ainsi qu'une différence significative de teneurs en protéines oxydées entre les plants contrôles et les plants les plus exposés. De mêmes les teneurs en ROS et les niveaux de peroxydation lipidique témoignent d'un effet de l'exposition à l'ozone. Toutes ses réponses cellulaires sont également influencées par l'âge des tissus foliaires. Ces résultats semblent abonder dans le sens des modèles en démontrant un impact certain de l'ozone sur le maïs, cependant toutes les analyses menées sur les paramètres de rendement (poids de mille grains, biomasse, teneur en amidon…) ne laisse entrevoir aucune perte, nous obligeant alors à reconsidérer la sensibilité du maïs à l'ozone, généralement admise jusqu'ici / For the past 150 years, background tropospheric ozone concentrations have been increasing constantely to the point where they now affect grain yield in major cereals, such as maize. In 2000, it has been estimated that yield loss was between 2.2% and 5% in this crop. Such estimates have been established from a very low number of experiments, all carried out in open top ozone fumigation chambers. To verify the accuracy of these estimations, we cultivated maize plants and exposed them to various ozone concentrations in the field. During plant development, series of cob-leaf samples have been collected in order to analyze the impact of ozone-induced oxidative stress on various biochemical processes. Thus, we studied changes in leaf endoproteolytic activities (a parameter previously used as a dehydration stress indicator), using a fluorescence-based method newly adapted to plant tissues. Concurrently, changes in protein oxidation levels (carbonyl groups) were analyzed, along with lipid peroxidation and accumulation of reactive oxygen species (ROS).Our results indicate that ozone induced increases in the global level of protein oxidation, endoproteolytic processes and lipid peroxidation, most likely as a result of an over-accumulation of ROS in the leaf tissues. Furthermore, the impact of ozone is enhanced by aging. To some extent, these conclusions agree with those obtained from impact modeling that also show that maize is midly sensitive to ozone. However, because yield was not affected whatsoever in our experiment (1000 grain weight, biomass, starch accumulation), it is our opinion that the general consensus about the sensitivity of maize to ozone should be revised

Laboratory based temperature-dependent kinetics and product yields for alkene ozonolysis and the reaction of CH3O2 with ClO and BrO have been measured via chamber studies and a turbulent flow tube coupled to CIMS (Chemical Ionisation Mass Spectrometry). In order to gain a better understanding of the fate of the products formed during hydrocarbon oxidation and their subsequent impact on the ozone budget (and so the oxidising capacity of the atmosphere) it is imperative to know the rate at which these reactions proceed and to identify their product yields. As tropospheric temperature varies, Arrhenius parameters were determined during the ozonolysis of selected alkenes. The temperature dependent kinetic database was extended and the activation energies for the ozonolysis of selected alkenes were correlated with an existing SAR (Structure Activity Relationship). Given the myriad organic species in the atmosphere, SARs are useful tools for the prediction of rate coefficients. Inclusion of Arrhenius parameters into the SAR allows for prediction over a range of temperatures, improving the conditions reflected in models. Achieving mass balance for alkene ozonolysis has proven to be a difficult challenge considering the numerous pathways of the Criegee Intermediate (CI). The product yield of formic acid – an organic acid with significant atmospheric implications which is under predicted by models – was determined as a function of relative humidity during ethene ozonolysis. This reaction exhibited a strong water dependence which lead to the prediction of the reaction rate of the CI with water which ranges between 1 × 10-12 – 1 × 10-15 cm3 molecule-1 s-1 and will therefore dominate its loss with respect to bimolecular processes in the atmosphere. Peroxy radicals, strongly influence the total oxidising capacity of the troposphere. The reaction of peroxy radicals with halogen oxides is recognised to be responsible for considerable ozone depletion in the atmosphere, exacerbated by reactive halogens (X, XO) taking part in catalytic cycles. Arrhenius parameters were determined for ClO + CH3O2 and BrO + CH3O2. Temperature is an important parameter affecting rate, exemplified here as the reaction involving ClO exhibited a positive temperature dependence whereas for BrO a negative temperature dependence was evident. As a consequence, the impact of ClO + CH3O2 with respect to ozone loss is diminished. Global modelling predicts a reduction in ozone loss by a factor of around 1.5 and implicates regions such as clean marine environments rather than the polar stratosphere. Conversely, a more pronounced temperature dependence for the reaction of BrO with CH3O2 placed particular importance on lower stratospheric chemistry where the modelled CH3O2 oxidation is doubled. The main products for this reaction were identified to be HOBr and CH2O2. The decomposition of CH2O2 could enhance HOx in the lower and middle stratosphere and contribute to a significant source of HOx in the upper troposphere. Bimolecular reaction of CH2O2 with water could also provide a none negligible source HC(O)OH in the upper troposphere. Alkenes and peroxy radicals undergo chemical processing in the atmosphere whilst acting as a source and sink of ozone and thus can impose detrimental effects on the biosphere, climate and air quality of the Earth.

Globale terrestrische Referenzsysteme und deren Realisierungen, die sogenannten Referenzrahmen, sind die Grundlage für die Beschreibung der Figur der Erde und ihrer Orientierung im Weltraum sowie für die Referenzierung von Vorgängen auf der Erdoberfläche und im nahen Umfeld der Erde. Die Realisierung des Internationalen Terrestrischen Referenzsystems ist eine der zentralen Aufgaben der Geodäsie. Sie erfolgt durch Kombination von Beobachtungsdaten geodätischer Raumbeobachtungsverfahren. Besondere Bedeutung kommen dabei dem Verfahren der Interferometrie auf sehr langen Basislinien, der Laserentfernungsmessung zu Satelliten sowie dem Globalen Positionierungssystem zu. Jedes dieser Verfahren weist besondere Stärken bei der Bestimmung geodätischer Parameter auf und trägt wesentlich zur Realisierung des Referenzsystems bei. In dieser Arbeit werden Methoden zur Berechnung einer zeitabhängigen und einer zeitunabhängigen Realisierung aus den Beobachtungen der genannten Verfahren entwickelt. Beide Ansätze basieren auf der Kombination bedingungsfreier Normalgleichungen, die aus der homogenen Auswertung der Beobachtungen resultierenden. Diese Vorgehensweise kann als gute Approximation der direkten Kombination der Beobachtungen angesehen werden, die bisher nicht erfolgreich umgesetzt werden konnte. Vom Internationalen Erdrotations- und Referenzsystemdienst (IERS) werden Referenzrahmen basierend auf zeitlich hochaufgelösten Eingangsdaten berechnet. Für die jüngste Lösung des IERS, den ITRF2005, wurden Stationskoordinaten und Erdrotationsparameter (Polkoordinaten und UT1-UTC) erstmalig konsistent ausgeglichen. Entsprechend diesem IERS-Standard werden auch in dieser Arbeit Eingangsdaten mit einer zeitlichen Auflösung von einem Tag beziehungsweise einer Woche verwendet. Zusätzlich zu den genannten Parametern werden Nutations- und bei der zeitunabhängigen Realisierung Troposphärenparameter berücksichtigt. Die zeitabhängige und die zeitunabhängige Realisierung unterscheiden sich hinsichtlich des Zeitraums, aus welchem Beobachtungen berücksichtigt werden und damit hinsichtlich ihrer Parametrisierung, ihres Informationsgehalts, ihres Gültigkeitsbereichs und ihrer Genauigkeit. Es werden spezifische Kombinationsmodelle entwickelt, die diese Eigenschaften berücksichtigen. Da sich Beobachtungen verschiedener Raumbeobachtungsverfahren in aller Regel nicht auf gemeinsame Referenzpunkte beziehen, müssen zur Kombination der Stationsnetze Differenzvektoren zwischen dicht beieinander liegenden Referenzpunkten verschiedener Verfahren eingeführt werden. Die gemessenen Differenzvektoren weisen teilweise große Diskrepanzen zu den Koordinatendifferenzen auf, die aus den Raumbeobachtungsverfahren bestimmt werden. Deshalb müssen geeignete gemessene Differenzvektoren für die Kombination ausgewählt werden. Zwei Kriterien werden für die Auswahl formuliert: Die Konsistenz der kombinierten Lösung soll maximal sein, und die Geometrie der verfahrensspezifischen Stationsnetze soll in der Kombination erhalten bleiben. Zur Quantifizierung der Konsistenz werden die Polkoordinaten herangezogen. Es wird gezeigt, dass diese sich in ihrer Eigenschaft als globale Parameter, die aus allen genannten Beobachtungsverfahren geschätzt werden können, hervorragend zur Beurteilung der Konsistenz eignen. Für beide Realisierungen wird nachgewiesen, dass die Kombination der verschiedenen Beobachtungsverfahren für die Mehrzahl der Parameter zu einer Genauigkeitssteigerung im Vergleich zu den verfahrensspezifischen Lösungen führt. Für einige der Parameter wird eine Verbesserung von 10\% und mehr erreicht. Es wird eine Methode zur Kombination von Troposphärenparametern entwickelt und für die Realisierung des zeitunabhängigen Referenzrahmens getestet. Die Kombination der Troposphärenparameter führt zu einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit der kombinierten Lösung. Eine Gegenüberstellung des zeitabhängigen und des zeitunabhängigen Referenzrahmens zeigen die unterschiedlichen Potentiale beider Lösungen. Anhand der Ergebnisse der Arbeit werden Empfehlungen zur Verbesserung öffentlich bereitgestellter Kombinationsprodukte formuliert. Hervorzuheben ist dabei, dass die Kombination der Beobachtungsverfahren auf der Ebene der Normalgleichungen oder - wenn möglich - auf Ebene der Beobachtungsgleichungen durchgeführt werden sollte, und dass die speziellen Eigenschaften der Parameter im Kombinationsprozess besser genutzt werden sollten. / Global terrestrial reference systems and their realizations, the so called reference frames, are fundamental for the description of the Earth's shape and its orientation in space and for referencing changes on the Earth's surface and its planetary environment. The Realization of the International Terrestrial Reference System is one of the main tasks of geodesy. It is achieved by the combination of observation data of different space geodetic techniques. The most important techniques are the Very Long Baseline Interferometry, Satellite Laser Ranging and the Global Positioning System. Each of these techniques has individual strengths with respect to the estimation of geodetic parameters and contributes significantly to the realization of the terrestrial reference system. In this thesis methods are developed, which allow for the realization of a time-dependent as well as for a time-independent reference frame from space observation data. Both methods are based on the combination of free normal equations which result from the homogeneous analysis of the different observation types. This approach is a good approximation for the direct combination of observations, which has not yet been implemented successfully. The International Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS) computes reference frames from input data with high temporal resolution. For the most recent solution, the ITRF2005, station coordinates and Earth rotation parameters (pole coordinates and UT1-UTC) were estimated consistently for the first time. In analogy to the IERS standards, input data with daily and weekly resolution are used in this work. In addition to the above mentioned parameters, nutation and troposphere parameters are considered. The time-dependent and the time-independent reference frame are based on observation data of different time spans (two years and one day respectively). Consequently, they are characterised by a different parameterisation and show discrepancies with respect to information content, validity, and accuracy. This requires the development of individual combination models for both realizations. Usually, observations of different space geodetic techniques do not refer to a common reference point. Neighbouring reference points of different techniques are combined by introducing terrestrial difference vectors. In some cases the comparison of the terrestrial difference vectors and the coordinate differences computed from the solutions of the space geodetic techniques show large discrepancies. Thus, the selection of difference vectors which are suitable for the combination is essential. Two criteria for the selection are formulated: The consistency of the combined solution shall be maximal and the geometry of the technique specific station networks shall not be changed by the combination. The consistency is quantified on the basis of the pole coordinates. It is demonstrated, that the pole coordinates are qualified to describe the consistency, since they are global parameters that can be estimated from the observations of all techniques. For both realizations it is shown, that the combination leads to an improvement of accuracy for most of the parameters compared to the technique specific solutions. For some parameters an improvement of 10\% or more is achieved. Additionally, a method for the combination of troposphere parameters is developed and tested for the computation of the time-independent reference frame. The computation of the troposphere parameters leads to a further increase of the accuracy of the combined solution. The comparison of the time-dependent and the time-independent reference frame discloses the individual potentials of both frames. Based on the results, recommendations for the improvement of official combination products are formulated. The most important suggestions are, that the combination of space geodetic techniques shall be performed on the level of normal equations, or if possible on the level of observations. Furthermore, the individual characteristics of the parameters should be used more effectively in the combination process.