Ce travail concerne l'étude de l'évolution au cours du dégazage à chaud d'une poudre d'alliage d'aluminium X7091 concernant 6.3% de zinc, 2.2% de magnésium et 1.6% de cuivre. En l'absence de traitement thermique et gazeux, l'alliage X7091 est recouvert d'une couche d'oxydes hydratés qui assure un rôle protecteur vis-à-vis de l'oxydation et de la sublimation des éléments alliés. La stabilité de cette couche est essentiellement fixée par sa teneur en eau de constitution, elle-même fonction des conditions de température et de pression. Pour une perte en eau critique de 0,1% en masse, il y a précipitation d'une nouvelle phase oxydée à travers laquelle le zinc et le magnésium sont susceptibles de diffuser. Dès lors, il y a compétition entre le phénomène de sublimation et celui d'oxydation. La nature de l'atmosphère gazeuse environnante est alors déterminante sur le type de processus mis en jeu. En présence d'oxygène ou de vapeur d'eau, l'oxydation du magnésium devient importante et la couche de magnésie formée assure à nouveau un effet protecteur vis-à-vis du départ du zinc. La mise au point d'un modèle représentant l'évolution des couches superficielles et son application aux résultats expérimentaux conduit à la détermination des valeurs des coefficients de diffusion de l'eau dans la couche d'oxydes et du magnésium dans l'oxyde. Les informations obtenues sont exploitables à l'échelon industriel. Elles ont permis la détermination des conditions optimales de dégazage de l'alliage X7091 et par suite la fabrication de pièces mécaniques saines aux côtes finies.

C'est à l'intersection des domaines de recherches qu'il y a aujourd'hui le plus de chance de participer à une découverte majeure. Les domaines eux-même sont très bien couverts et c'est vrai qu'il faut parfois tant se spécialiser que les aspects marginaux nous échappent. Voila une motivation qui sort des motivations scientifiques actuelles telles que la compréhension de la destruction de l'ozone polaire, l'évolution de notre climat, ou la recherche d'une vie en dehors de notre planète. C'est pourtant également une motivation qui permet d'être simultanément sur plusieurs sujets brûlants du moment. Ainsi, mon travail passé, actuel et probablement futur sur les atmosphères et les climats de la Terre en particulier et en planétologie en général montrent bien le fil conducteur de mes recherches. La spectroscopie et la mod ́elisation radiative étaient mes outils qui jusqu'à présent marquaient les limites de ces recherches.

Les performances des systèmes de veille IR aéroportés pour la detection de missiles balistiques sont limitées par les fluctuations spatiales de la luminance du fond de ciel. Cette thèse propose un nouveau code, FACLUM-2D, capable de calculer la fonction d'autocorrélation (FAC) 2D des fluctuations de la luminance atmosphérique, observées en visée quasi-horizontale depuis la stratosphere et spécifique à l'IR thermique. Les fluctuations du fond atmosphérique sont, dans ce cas, essentiellement dues aux fluctuations spatiales de la température et de la fraction massique de la vapeur d'eau. La prise en compte de ces dernières dans FACLUM-2D constitue la contribution majeure de ce travail de thèse. De plus, la détermination de la FAC de la luminance requiert la connaissance du coefficient d'absorption et de sa dérivée par rapport à la température et de la fraction massique de la vapeur d'eau. Pour cela, j'ai développé un code raie par raie pour l'IR thermique (RPR-IRT), permettant de tabuler la dérivée du coefficient d'absorption par rapport à la température et par rapport à la fraction massique de la vapeur d'eau avec une résolution spectrale de 10-4 cm-1. Faute de mesures expérimentales, le code FACLUM-2D a été validé avec des solutions analytiques pour un milieu homogène gris et comparé, dans la mesure du possible, à des codes de transfert radiatif standards. Les premiers résultats montrent, pour la première fois, l'impact significatif des fluctuations de la fraction massique de vapeur d'eau sur les fluctuations de la luminance. Une des perspectives majeures est d'étendre FACLUM-2D à une bande spectrale plus large, afin de couvrir tout l'IR.

Un spectromètre utilisant la technique CRDS a été développé entre 2.00 et 2.35 µm afin de réaliser la spectroscopie en absorption de molécules d’intérêt atmosphérique et planétologique avec une très grande sensibilité et à haute résolution spectrale. Cette région du spectre correspond à une fenêtre de transparence de la vapeur d’eau et du dioxyde de carbone. Ces fenêtres sont des zones de très faible absorption utilisées pour le sondage des atmosphères terrestre et vénusienne dans lesquelles la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone représentent respectivement les absorbants gazeux principaux dans l’infrarouge.La technique CRDS consiste à injecter des photons dans une cavité optique de haute finesse et à mesurer la durée de vie des photons dans cette cavité. Celle-ci est mesurée en interrompant l’injection des photons dans la cavité optique lors du passage en résonance du laser avec l’un des modes longitudinaux. Cette durée de vie dépend de la réflectivité des miroirs et des pertes intra-cavité comme celles induites par un gaz qui absorbe. Mesurer ces pertes en fonction de la longueur d’onde permet d’obtenir le spectre d’absorption du gaz en question. L’extrême réflectivité des miroirs permet d’atteindre dans une cavité d’un peu plus d’1 m de longueur une sensibilité équivalente à celle qui serait obtenue classiquement avec une cellule d’absorption longue de plusieurs milliers de kilomètres.Trois diodes laser DFB émettant autour de 2.35, 2.26 et 2.21 µm ont été utilisées avec ce spectromètre. Grâce à une rétro-action optique provenant d’une cavité externe, certaines de ces diodes ont pu être affinées, ce qui a permis de mieux injecter la cavité haute finesse et ainsi de réduire le niveau de bruit du spectromètre. Parallèlement grâce à une collaboration avec l’Institut d’Electronique (IES, UMR 5214) à Montpellier et la société Innoptics nous avons pu tester le prototype d’un VECSEL (Vertical-External-Cavity Surface-Emitting-Laser). Ce laser a permis de couvrir une gamme spectrale de 80 cm-1, entre 4300 et 4380 cm-1, équivalente à quatre diodes laser DFB. La sensibilité obtenue en routine avec ce spectromètre, correspondant au coefficient minimum détectable, est typiquement de 1×10-10 cm-1. Le chapitre introductif (Chapitre 1) fait le point sur les différentes techniques permettant d’acquérir des spectres en absorption dans la gamme spectrale étudiée et sur les sensibilités atteintes. A notre connaissance l’instrument développé ici est le plus sensible dans cette région du spectre. Le fonctionnement de ce spectromètre CRDS est détaillé dans le chapitre 2.Pour démontrer les performances obtenues avec notre instrument celui-ci a été utilisé pour enregistrer des transitions quadrupolaires donc de très faible intensité. Ainsi la transition S(3) de la bande 1–0 de HD a été enregistrée pour la première fois et son intensité mesurée (S=2.5×10-27 cm/molecule). La sensibilité obtenue en routine a encore pu être améliorée en réalisant une moyenne d’une centaine de spectres sur une gamme spectrale réduite pour atteindre 1×10-11 cm-1. Grâce à cela nous avons pu mesurer la position et l’intensité de la raie quadrupolaire électrique O(14) de la bande 2–0 de N2 qui est très fortement interdite avec une intensité de 1.5×10-30 cm/molecule. Ces mesures font l’objet du chapitre 3 de cette thèse.Les deux derniers chapitres sont dédiés à la caractérisation de l’absorption du CO2, au centre de la fenêtre de transparence, et à celle de la vapeur d’eau. Dans les deux cas, les transitions permises du monomère et la contribution du continuum ont été étudiées. Ce dernier correspond à une absorption variant lentement avec la longueur d’onde. Les sections efficaces du « self-continuum » de la vapeur d’eau ont notamment été mesurées en plusieurs points de la fenêtre de transparence avec une incertitude beaucoup plus faible que les mesures existantes. Elles représentent un jeu de données décisif pour tester les modèles décrivant ce continuum. / A cavity ring down spectrometer has been developed in the 2.00-2.35 µm spectral range to achieve highly sensitive absorption spectroscopy of molecules of atmospheric and planetologic interest and at high spectral resolution. This spectral region corresponds to a transparency window for water vapor and carbon dioxide. Atmospheric windows, where absorption is weak, are used to sound the Earth’s and Venus’ atmospheres where water vapor and carbon dioxide represent the main gaseous absorbers in the infrared, respectively.The CRDS technique consists of injecting photons inside a high finesse optical cavity and measuring the photon’s life time of this cavity. This life-time depends on the mirror reflectivity and on the intra-cavity losses due to the absorbing gas in the cavity. Measuring these losses versus the wavelength allow obtaining the absorption spectrum of the gas. The extreme reflectivity of the mirrors allows reaching, for a 1-meter long cavity, a sensitivity equivalent to the one obtained classically with absorption cells of several thousands of kilometers.Three DFB laser diodes emitting around 2.35, 2.26, 2.21 µm were used with this spectrometer giving access to the 4249-4257, 4422-4442 and 4516-4534 cm-1 interval, respectively. Thanks to optical feedback from an external cavity, two of these diodes were spectrally narrowed leading to a better injection of the high finesse cavity thus reducing the noise level of the spectrometer. In parallel, we tested a VECSEL (Vertical-external-Cavity, Surface Emitting laser) through a collaboration with the Institu d’Electronique (IES, UMR 5214) in Montpellier and the Innoptics firm. This laser source is able to cover a 80 cm-1 spectral range centered at 4340 cm-1, equivalent to four DFB laser diodes. In routine the achieved sensitivity with this spectrometer, corresponding to the minimum detectable coefficient is typically of 1×10-10 cm-1. The introductive chapter (Chapter 1) makes the point on the different techniques allowing absorption spectra recordings in the studied spectral region and on their sensitivity. The experimental set-up, the characteristics and performances by the CRD spectrometer developed in this work are detailed in Chapter 2. To our knowledge this instrument is the most sensitive in the considered spectral region.In Chapter 3, detection of quadrupolar electric transitions of HD and N2 illustrate the level of sensitivity reached: (i) the S(3) transition in the 1-0 band of HD has been recorded for the first time and its intensity measured (S=2.5×10-27 cm/molecule), (ii) the position and intensity of the highly forbidden O(14) quadrupolar electric transition of the 2-0 band of N2 have also been newly determined.The two last chapters are devoted to the characterization of the CO2 absorption, in the centre of the transparency window, and of the water vapor absorption. In both cases, we not only studied the allowed transitions of the monomer, but also the continuum absorption. This latter correspond to a weak background absorption varying slowly with the wave length. The self-continuum cross-sections of the water vapor continuum were measured in many spectral points through the transparency window with a much better accuracy compared to existing measurements. These CRDS data constitute a valuable data set to validate the reference model (MT_CKD) for the continuum which is implemented in most of the atmospheric radiative transfer codes.

Cette thèse valide le concept de matériaux céramiques conducteurs mixtes protoniques/électroniques et leur utilisation en tant qu.anode pour électrolyseur de la vapeur d.eau à température intermédiaire. Les matériaux développés sont des cobaltites d.alcalino-terreux et de terre-rares couramment utilisés pour leur forte conductivité électronique dans la gamme de températures 300-600°C. La stabilité de chaque matériau a été vérifiée pendant 350h sous air et sous vapeur d.eau. Après analyse de la compatibilité chimique avec le matériau d.électrolyte BaZr0.9Y0.1O3, huit compositions ont été sélectionnées représentatives de deux structures pérovskites, classique et lacunaire : BaCoO3, LaCoO3, Sr0.5La0.5CoO3, Ba0.5La0.5CoO3, GdBaCo2O5, NdBaCo2O5, SmBaCo2O5 et PrBaCo2O5. L.évolution thermique de la st.chiométrie en oxygène de chaque matériau a été déterminée en couplant le titrage par iodométrie et ATG sous air sec. Une série d.ATG sous air humidifié a permis de sélectionner la gamme de températures optimale dans laquelle l.incorporation des protons est possible et maximale. Les profils d.incorporation des protons ont été réalisés par SIMS microanalyse nucléaire en géométrie ERDA sur deux échantillons. Les coefficients de diffusion du deutérium ont pu être déterminés confirmant la mobilité des protons dans les cobaltites. Sous air humide, le composé lacunaire NdBaCo2O5 incorpore rapidement, un nombre significatif de protons qui se distribuent de façon homogène au c.ur de l.échantillon. L.optimisation microstructurale des anodes a permis d.obtenir à 450°C et 600°C des résistances totales de cellule symétrique très prometteuses. / This thesis validates the concept of mixed electron/proton ceramic conductors to be used as anode materials for intermediate temperature steam electrolyzer. The materials developed are based on cobaltites of alkaline-earth metals and rare earth elements commonly used for their high electronic conductivity in the temperature range of 300-600°C. The stability of each material has been assessed during 350h in air and moist air. After checking the chemical compatibility with the BaZr0.9Y0.1O3 electrolyte material, eight compositions have been selected: BaCoO3, LaCoO3, Sr0.5La0.5CoO3, Ba0.5La0.5CoO3, GdBaCo2O5, NdBaCo2O5, SmBaCo2O5 and PrBaCo2O5. The thermal evolution of the oxygen stoichiometry of each material was determined by coupling iodometric titration and TGA in dry air. TGA in moist air has allowed determining the optimum temperature range for which proton incorporation is possible and maximized. Proton incorporation profiles have been determined on two cobaltites using SIMS and nuclear microanalysis in the ERDA configuration. Deuterium diffusion coefficients have been determined confirming the proton mobility in these materials. Under moist air, NdBaCo2O5 is shown to incorporate rapidly a significant number of protons that spread homogeneously within the material bulk. Anode microstructure optimization has allowed reaching at 450°C and 600°C total resistance values on symmetrical cell highly promising.

Le travail présenté dans ce mémoire concerne le cadre global de la connaissance de notre atmosphère. L'exploitation des spectres atmosphériques requiert une bonne connaissance des paramètres de raies des molécules qui la composent. En particulier de la vapeur qui en est l'absorbant principal. Des spectres ont été enregistrés avec le spectromètre par transformation de Fourier construit au laboratoire et ceux ci ont été traités en ajustement multi-spectres avec le logiciel MultiFiT. Ce travail se focalise sur la mesure précise des intensités de raie dans deux régions spectrales. A 10 µm, région d'intérêt atmosphérique pour l'instrument IASI, deux études sur les intensités sont présentées. Pour l'isotopologue principal de 1200 à 1400 cm-1, 300 transitions ont pu être mesurées et comparées aux données de la littérature. Le but de ce travail était de déterminer la meilleure base de données pour l'exploitation des spectres IASI. De 1000 à 2300 cm-1, les isotopologues H218O et HD18O ont été étudié à partir de spectres enrichis en 18O. Ce travail a permis de mesurer et d'attribuer un ensemble de 2500 transitions. Enfin ce mémoire propose une révision complète des intensités de la région 1.25µm, qui présentent un important problème dans les bases de données. 39 spectres ont été enregistrés pour cette région avec des échantillons d'eau naturelle. Plus de 11000 transitions ont pu être mesurées et sont comparées aux données de la littérature. Une partie de ces intensités, publiées en 2010, a été exploité par L. Tallis de l'université de Reading. Enfin ce mémoire présente le début d'une exploitation des coefficients d'élargissement obtenus dans la région de 1.25µm. / The work presented in this manuscript concern the knowledge of our atmosphere. In fact, the analysis of atmospheric spectra needs a good understanding of atmospheric molecular species. In particular the water vapor plays a special role as the first absorbent of earth's atmosphere. Spectra were recorded by Fourier transform spectrometer designed in the laboratory and lines parameters fitted with multi-spectra procedure named MultiFiT. The spectroscopic studies focus on lines intensity measurements for two different spectral ranges. The first presented is 10 µm, were two studies have been done. For the H216O isotopologue in the 1200 – 1400 cm-1 range, 300 transitions were measured and compared with literature data. The aim of this work was to determine the best spectroscopic database for IASI recording analysis. In 1000 to 2300 cm-1, H218O and HD18O isotopologue were measured with enriched 18O spectra. Over 2500 transitions were measured and assigned. Also this manuscript presents a huge work done in the 1.25µm region. This range appears in database with an important discrepancy for line intensities. 39 spectra were recorded with water vapor sample in natural abundance. Over 11000 transitions were measured and assigned, comparison to literature data are also presented. A part of this work were published in 2010 and used by L.Tallis, form University of Reading, for atmospheric application. At the end of this manuscript is presented the first comparisons with calculated data done for self broadening coefficients in the 1.25µm region.

De nos jours, l’utilisation de liants à faible teneur en clinker est de plus en plus courante. Or la cinétique de réaction des additions minérales utilisées est plus lente que celle du clinker. Si les conditions de cure ne sont pas adaptées, le matériau aura une structure poreuse plus importante, ce qui le rendra plus sensible à la pénétration des agents agressifs extérieurs comme le CO2 ou les Cl-. La carbonatation du béton est l’un des principaux phénomènes pouvant diminuer la durée de vie d’une structure en béton armé. En effet, elle entraine une diminution du pH de la solution interstitielle qui a pour conséquence une dépassivation des armatures, puis la corrosion de ces dernières si les conditions s’y prêtent.L’objectif de cette thèse est d’étudier l’impact de la carbonatation au jeune âge sur des liants à faible teneur en clinker. Pour cela l’étude se compose de deux aspects : le premier est l’étude de l’impact de l’hydratation et de la carbonatation sur les propriétés de transport et les isothermes de sorption hydrique, et le second est l’étude de l’impact du couplage hydratation-séchage-carbonatation sur la microstructure et la structure poreuse. Pour le premier aspect, les propriétés de transport étudiées sont la diffusion de l’O2, la diffusion de la vapeur d’eau, la perméabilité à l’eau liquide qui sont des données d’entrée dans les modèles de carbonatation ainsi que la perméabilité aux gaz qui est un indicateur de durabilité. Pour le second aspect, l’impact du couplage est mesuré par ATG et DRX pour déterminer l’assemblage de phases, de plus de la porosimétrie par intrusion de Mercure et des pesées hydrostatiques sont effectuées pour détecter le changement de la structure poreuse. Les matériaux étudiés sont des pâtes de ciment et des bétons avec un rapport eau/ liant de 0,57 avec l’un des trois liants suivants : CEM I, CEM I +30% de cendres volantes et CEM I +60% de laitiers.Pour le premier aspect, les résultats montrent que pour les pâtes de CEM I le temps de cure a un faible impact sur les isothermes de sorption de vapeur d’eau s’il est compris entre 3 jours et 6 mois. Alors que, pour les pâtes de CEM I + 60% de laitier, l’augmentation du temps de cure accroit significativement la teneur en eau (pour HR=65%, tcure=3 jours et pour tcure=6 mois ) dû à une augmentation de la teneur en C-S-H. D’autre part, la carbonatation entraine une diminution de la teneur en eau de l’échantillon, ainsi que l’amplitude de l’hystérésis. De plus, le gel a une porosité plus grossière. Par ailleurs, la carbonatation entraine une augmentation de la perméabilité aux gaz des matériaux. Pour le second aspect, les résultats montrent que l’utilisation d’additions minérales diminue la résistance à la carbonatation du matériau et que cette résistance augmente avec le temps de cure si l’échantillon contient des additions. La carbonatation de la portlandite, des C-S-H et des aluminates est concomitante. De plus, pour les matériaux aux laitiers, les résultats montrent qu’ils sont plus sensibles à la carbonatation des C-S-H et des aluminates que les CEM I. En effet quand le rapport variation molaire de CaCO3 sur variation molaire de Portlandite est calculé, il vaut 1.8 pour le CEM I et environ 3.5 pour les matériaux aux laitiers. Enfin, la carbonatation entraine une diminution du degré de saturation de l’échantillon. En effet, le degré de saturation à la surface de l’échantillon passe de 50% à 35% après carbonatation pour les échantillons de CEM I et de 50% à 5% pour les échantillons de CEM I + 60% de laitiers. Cette diminution peut s’expliquer par la diminution de la surface spécifique qui est divisée par 2 après carbonatation due à la décalcification des C-S-H. Même si la carbonatation entraine une diminution de porosité cette dernière est trop faible dans ce cas pour contrer cet effet / Nowaday, low clinker content binders are used more and more often. But the kinetics reactions of the supplementary cementitious materials (SCM) are slower than this one of clinker. If the curing conditions are not adapted, material will have a bigger pore structure and becomes more sensitive to the ingress of aggressive species from the environment like the CO2 or Cl-. Carbonation is one of main phenomena which can lead to decrease the life time of reinforced concrete structure. Indeed, it leads to a decrease of pore solution pH which leads to the depassivation of rebar. Then these rebars can be corroded if the conditions are appropriate.The aim of this thesis is to study the impact of carbonation at early age for binder with a low clinker content. This study was composed of two aspects: the first one is focus on the impact of hydration and carbonation on the transport properties and the water vapour sorption isotherms (WVSI), and the second one is focus on the impact of coupling hydration – drying-carbonation on the microstructure and the pore structure. For the first aspect, the studied transport properties was O2 diffusivity, water vapour diffusivity, water liquid permeability which are inputs for carbonation modelling and the intrinsic gas permeability which is a durability factor. For the second aspect, the coupling impact was measured by TGA and DRX to determine the phase assemblage; moreover Mercury intrusion porosimetry (MIP) and hydrostatic weigh were carried out to measure the change in the pore structure. The studied materials were cement pastes and concretes with water to binder ratio of 0.57 with one of the following binders: CEM I, CEM I +30% PFA and CEM I + 60% GGBS.For the first part, results show that a curing time between 3 days and 6 months has a low impact on the WVSI for the CEM I paste. Whereas, in the CEM I +60% GGBS paste, when the curing time increases, the water content increases (for a RH=65%, tcuring=3 days and for tcuring=6 months ), this is due to the increase of the C-S-H content. Moreover, carbonation leads to decrease the water content and the hysteresis becomes flat. Additionally, carbonation leads to increase the intrinsic gas permeability. For the second part, the results show that the use of SCM decreases the carbonation resistance and this resistance increases with the curing time. Carbonation of Portlandite, C-S-H and aluminates occurs in the same time. Moreover, the CEM I +60% GGBS paste are more sensitive to the carbonation of C-S-H and aluminates than the CEM I paste. Indeed, the molar variation of CaCO3 to the molar variation of Portlandite ratio has a value around 3.5 for the CEM I +60% GGBS and 1.8 for the CEM I. Finally, carbonation leads to decrease the water saturation degree at the surface of sample. Indeed, the degree of saturation at the surface of the sample increases from 50% to 35% after carbonation for the CEM I paste and from 50% to 5% for the CEm I +60% GGBS paste. This decrease can be explained by the decrease of the BET specific surface which is divided by 2 after carbonation. It is due to the decalcification of C-S-H. Although carbonation leads to a decrease of porosity, this one is too small in this case to counter this effect

Le projet Cigéo, mené par l’ANDRA, vise à permettre à l’horizon 2030 le stockage géologique des déchets les plus radioactifs du parc nucléaire français. Ces déchets, qui seraient placés dans des alvéoles souterraines de plusieurs centaines de mètres, sont susceptibles de relâcher de l’hydrogène gazeux (H2), un gaz inflammable dans l’air lorsque sa concentration dépasse 4%. Pour la sécurité des installations, il est indispensable de s’assurer que la concentration de H2 dans les alvéoles de stockage reste inférieure à sa limite de dangerosité. L’objectif de cette thèse, menée à l’ONERA, est de concevoir et réaliser un Lidar permettant de profiler à distance la concentration de H2 (0-4%), sur plusieurs centaines de mètres, avec une forte résolution spatiale (< 3 m), et de proposer ainsi un moyen non intrusif de détection et de prévention du risque lié à l’hydrogène. Le principe retenu est celui d’un Lidar Raman vibrationnel dans le domaine ultra-violet (355 – 420 nm). Pour sa conception, nous avons pris en compte les conditions particulières prévues dans les alvéoles de stockage. Une chaine de détection très sensible à comptage de photons a été choisie et mise en oeuvre, basée sur des détecteurs SiPM (Silicium Photomultiplier). La nécessité d’employer une voie de mesure de la vapeur d’eau, simultanément à l’hydrogène, a été mise en évidence et est liée au recouvrement partiel des spectres de diffusion Raman de H2 et H2O. Un analyseur spectral à trois voies de mesure (H2, H2O, et N2 utilisé comme référence) a été conçu et mis en place. Une méthode de traitement de signal en temps réel a enfin été réalisée pour visualiser les profils de concentrations de H2 et H2O. L’ensemble du système lidar a pu être testé dans une scène de portée réduite (100 m) permettant des relâchements d’hydrogène. Des mesures simultanées de profils de vapeur d’eau naturelle et de dihydrogène (0-2%) ont pu être démontrées avec succès à 85 m, avec une résolution spatiale et temporelle de 1 mètre et 1 minute respectivement, pour une détectivité de 600 ppm. / The CIGEO project, led by the ANDRA agency, aims at enabling future deep geological disposal of french nuclear waste packages. Those packages could be stored in hundred-meters long underground galleries, and may release hydrogen gas (H2), which is explosive at concentrations above 4% in the air. For safety concerns, it is important to ensure that H2 concentration remains well below the lower explosive limit. The objective of this thesis work, conducted at the ONERA agency, is to design and build a lidar which enable high-resolution (3 m) remote profiling of H2 concentration (0-4%) over hundreds of meters. Such a lidar could perform nonintrusive H2 detection and then prevent H2-related explosion risks. This lidar measures vibrational Raman scattering in the UV domain (355 – 420 nm). Its design takes into account the specific conditions expected in storage galleries. A highspeed and sensitive detection stage has been chosen, based on SiPM (Silicium Photomultiplier) technology in photon counting mode. Due to a spectral overlap between molecular hydrogen and water vapor Raman spectra, the need of a H2O measurement channel has been demonstrated. A three-channel spectral analyzer (H2, H2O and N2 used as reference) has been designed and implemented. Signal processing in real time has been developed to display H2 and H2O concentration profiles. This lidar has been tested in a reduced range scene (100 m) enabling hydrogen gas releases. Simultaneous measurements of concentration profiles of natural water vapor and hydrogen gas (0-2%) have been performed at 85 m with 1-meter and 1-minute resolution and a 600 ppm detectivity.

La vapeur d'eau atmosphérique joue un rôle clé dans le budget radiatif en Arctique, le cycle hydrologique et donc le climat. Mais sa mesure avec une précision reste un défi. La vapeur d'eau en Arctique se caractérise par une variabilité spatiale et temporelle qui n'est pas complètement comprise. Sa colonne atmosphérique total intégrée (TCWV) est étudiée dans cette thèse. Trois méthodes de mesures de la TCWV à distance sont testées et validées pour la région polaire. Cela inclut les mesures de TCWV aux bandes NIR/VIS/IR par les capteurs MODIS, SCIAMACHY, et AIRS embarqués sur satellites. Le cycle saisonnier de la TCWV à 19 stations polaires de référence est examiné suite à l'effet de la latitude, de la longitude en plus de l'effet continental/océanique. Les mesures utilisées ont été validées aux trois stations polaires via la comparaison à une base de données référentielle de TCWV convertis de retards de signaux GPS basés au sol. Les incertitudes et limites de mesures satellitaires sont évaluées par saison et par mois. Particulièrement, nous avons étudié l’effet de la présence de nuages sur les mesures des TCWV par satellites. Dans le NIR et dans le VIS, les mesures subissent une sensibilité accrues à la présence de nuages aux latitudes hautes en été. En plus, l’estimation de l’albédo est toujours un défi aux modèles d’inversion de la TCWV, surtout en présence de neige en régions cultivées. Suite aux résultats de la validation, la distribution et les tendances saisonnières de la TCWV au-dessus de toute l'Arctique ont été évalués via MODIS. Les tendances et anomalies accrues sont discutées principalement en réponse aux changements observés en Arctique au cours des 2001-2015 années, celles qui concernent la végétation, la couverture de neige, et la glace de mer. Les tendances accrues de la TCWV peuvent être liées à l’augmentation locale de surfaces vertes relative à la neige pendant les saisons transitoires. Des tendances augmentées de la TCWV étaient observables par MODIS, forcé par le réchauffement estival local pendant les vagues de chaleurs au temps de ciels clairs. Un déclin dramatique de la glace de mer près des côtes Sibériennes et de la cote du Beaufort a entraîné une augmentation locale observée de la TCWV en début d’automne. Une phase de réchauffement au niveau de l’archipel du Svalbard, persistant en toutes saisons sauf l’été, a entrainé également des quantités supplémentaires de la TCWV. La détection et justification de tendances est une tache toujours loin d’être accomplie. Les mesures en Arctique sont toujours en question, les mesures de la TCWV au-dessus de surfaces vertes en hiver, ou à travers du ciel nuageux en été sont des défis majeurs. / Atmospheric water vapour plays a key role in the Arctic radiation budget, hydrological cycle and hence climate, but its measurement with high accuracy remains an important challenge. Arctic water vapor is characterized by a spatial and temporal variability which is not completely understood yet. Its mass integrated in the atmospheric column (TCWV) is studied in this thesis. TCWV seasonal cycle at 18 polar stations is examined following the effect of latitude, longitude in addition to the continental effect. The measurements used in this thesis were validated at three polar stations, the satellites measurements of TCWV in the NIR/VIS/IR bands by MODIS/ SCIAMACHY/ AIRS sensors are compared to those obtained from ground based GPS signals delay. Their uncertainties and limitations are evaluated in season and month scales especially their sensitivities to the clouds presence. In NIR and VIS, the measurements undergo increased sensitivity to the presence of clouds at high latitudes in summer. In addition, albedo estimation is still a challenge to their TCWV inversion models, especially where canopies are snow-covered. Following the validation results, the distribution and seasonal trends of the TCWV over the entire Arctic was assessed via MODIS. Trends and anomalies are discussed mainly in response to changes in the Arctic vegetation, snow cover, and sea ice during 2001-2015. Increased trends in TCWV may be related to local increase of vegetated areas coincidently to snow cover decrease during transient seasons. Increased trends in TCWV were observed by MODIS, forced by local summer warming from many warm waves. A dramatic decline in sea ice near the Siberian and Beaufort coasts led to an observed local increase in TCWV in early fall. A warm-up phase in the Svalbard archipelago, persisting in all seasons except summer, also resulted in additional quantities of TCWV. The detection and justification of trends is a task still far from being accomplished. Arctic TCWV measurements are in question, TCWV measurements over green areas in winter, or through cloudy skies in summer are the major challenges.

Malgré l'amélioration constante des modèles de prévision opérationnelle, certains événements demeurent difficilement prévisibles, même à courte échéance. Dans ces cas, la qualité de la prévision dépend fortement de celle des conditions initiales qui lui sont fournies. Dans ce contexte, il apparaît essentiel d'améliorer des méthodes existantes et d'en développer de nouvelles afin de prendre au mieux en compte les incertitudes liées aux conditions initiales, en particulier pour la prévision d'événements intenses tels que les fortes pluies qui touchent régulièrement le bassin Méditerranéen. L'impact d'incertitudes aux conditions initiales sur la prévision de la dite “supertempête” d'Alger (novembre 2001) a été examiné au travers de simulations haute résolution réalisées avec le modèle Méso-NH. Ce cas était caractérisé par la présence d'un profond thalweg d'altitude associé à une cyclogenèse intense. Il a été montré qu'une faible perturbation initiale de la profondeur du thalweg d'altitude (et de l'intensité de l'anomalie positive de tourbillon potentiel associée) pouvait se propager et s'intensifier durant la simulation, impactant alors la prévision du cyclone de surface. Une étude détaillée des conditions de développement de la convection profonde dans chaque expérience a montré que les perturbations de petites échelles observées sur les champs de précipitations étaient directement liées à la prévision du cyclone et donc aux perturbations initiales. Dans une seconde partie, l'influence de corrections de tourbillon potentiel sur la prévision du même cas d'étude a été examinée. A l'aide du modèle opérationnel Français ARPEGE, nous avons montré que la prévision démarrant de l'analyse opérationnelle du 9 novembre 2001 à 1200 UTC n'était pas capable de reproduire le cycle de vie et le creusement de la dépression de surface. Des corrections locales de tourbillon potentiel guidées par des observations satellites issues du canal vapeur d'eau de Meteosat 7 ont conduit à une amélioration significative de la prévision du minimum dépressionnaire et des précipitations associées. A l'aide de simulations très haute résolution (2 km) Méso-NH et de l'utilisation de l'approche dite modèle-vers-satellite, nous avons montré que l'impact des modifications initiales était particulièrement positif lors des périodes de forte activité convective précédent celles de précipitations intenses.