Dans le contexte de la physique solaire, la complexité de la turbulence magnétohydrodynamique (MHD) et les très petites échelles qu'elle génère nous suggèrent d'aborder le problème du chauffage de la couronne solaire d'une manière statistique. Nous utilisons donc les spectres des champs, les densités de probabilité de structures ou d'événements, ainsi que les fonctions de structure, pour analyser des observations et des simulations numériques, et y détecter des signatures communes de turbulence, d'intermittence, et de chauffage aux petites échelles.<br /><br />Nos simulations numériques modélisent une boucle magnétique de la couronne du Soleil, excitée par les mouvements photosphériques et dans laquelle se propagent des ondes d'Alfvén, qui interagissent entre elles non-linéairement. Le besoin de statistiques impose à ces interactions d'être simplifiées: nous avons choisi de les modéliser par des automates cellulaires dans un premier temps, puis par des shell-models. Les résultats de ces modèles de boucles sont en accord avec les observations, et permettent de comprendre certains effets observationnels. De plus, le modèle basé sur les shell-models, qui comprend une meilleure représentation des termes non-linéaires de la MHD que l'automate cellulaire, montre des signes d'intermittence. L'analyse de ces modèles et de leur comportement en fonction de leurs paramètres donne des informations sur les mécanismes de chauffage de la couronne et des indices sur l'interprétation des observations.<br /><br />Nous exploitons ensuite les champs d'intensité et de vitesse observés par le spectrographe SoHO/SUMER en 1996 dans le Soleil calme. Les statistiques des ces champs, notamment du champ d'intensité (le champ de vitesse étant malheureusement trop bruité) nous informent sur la nature turbulente de la couronne et sur son intermittence.<br /><br />Les écarts entre les estimations par différents auteurs des distributions d'événements observés dans la couronne nous conduisent enfin à nous intéresser aux définitions possibles d'un événement. Après avoir clairement exposé ces définitions, nous les comparons, en utilisant des signaux d'intermittence plus ou moins forte.

La perméabilité est une propriété essentielle notamment pour déterminer la nature explosive des volcans, ainsi que pour de nombreuses autres applications scientifiques et industrielles dans les environnements où l'écoulement du fluide est une préoccupation majeure. Combinant des méthodes expérimentales de déformation des roches en laboratoire, des approches de terrain, de la modélisation numérique, et des analyses systématiques de microstructure, ce travail a mis en évidence le caractère complexe de la formation et la destruction des réseaux poreux dans le magma et des roches volcaniques. La compétition entre les processus dilatants (qui augmentent la porosité) et compactants (qui la diminuent) exerce une influence sur les propriétés de transport des fluides à la fois dans le magma et dans la roche volcanique solidifiée. Ces processus incluent la vésiculation et la croissance des bulles dans le conduit, la rupture et la compression du magma, la fracturation issue du refroidissement et fracturation induite par le transport, ainsi que la déformation pendant ou après la mise en place des matériaux, et la densification par frittage. / The permeability of various volcanic materials is an essential parameter governing the explosive behaviour of volcanic systems, as well as being important in many other scientific and industrial applications in environments where fluid flow is a major concern. Combining experimental rock deformation methods with field measurements, numerical modelling, and systematic analyses of rock microstructure, this work explores the complexities involved in the formation and destruction of porous networks in magma and volcanic rocks, addressing how permeability can evolve in volcanic systems. Competition between dilatant processes (which increase porosity) and compactant processes (which decrease porosity) influences the fluid transport properties both in the conduit-dwelling magma and in solidified edifice rock. These processes include (but are not limited to) vesiculation and bubble growth in the conduit, fracture and compaction of magma, post-emplacement thermal or mechanical fracturing, strain-induced deformation, and viscous sintering.

A côté des processus de réactions thermonucléaires à l'œuvre dans les étoiles, ainsi que dans l'Univers primordial, les études de réactions nucléaires non thermiques induites par des particules accélérées dans divers sites astrophysiques occupent une place grandissante dans les préoccupations de l'astrophysique nucléaire. Des populations d'ions et d'électrons accélérés sont vraisemblablement produites dans de nombreux objets astrophysiques : à la surface du soleil et de toutes les étoiles de type solaire, à la limite de l'héliosphère, dans les vents soufflés par les étoiles massives, dans les ondes de choc générées par les explosions stellaires, au voisinage d'étoiles à neutrons et de trous noirs accrétant de la matière, dans les amas de galaxies etc. Les divers phénomènes non thermiques induits par ces particules peuvent nous fournir des informations de grande valeur pour comprendre la physique de ces objets. Ils nous renseignent également sur certaines propriétés du milieu interstellaire de notre galaxie, ou encore sur les conditions dans lesquelles le système solaire s'est formé. Ce mémoire discute en particulier de l'accélération de particules dans les ondes de choc des explosions stellaires, des phénomènes nucléaires associés aux éruptions des étoiles, dont le soleil, de certains effets des rayons cosmiques non relativistes sur le milieu interstellaire, ainsi que de l'origine des radioactivités de courte période dans le système solaire primitif.

La Nébuleuse du Crabe, contenant en son centre une étoile à neutrons très magnétisée – le pulsar du Crabe, était essentiellement considérée comme une chandelle standard stable dans les rayons-gamma. Récemment, ce point de vue a été contredit par des éruptions en rayons-gamma observées par les satellites spatiaux AGILE/Fermi-LAT. Même si le vent magnétique relativiste du pulsar est considéré comme la source d’énergie, le mécanisme physique à la base de ces événements éruptifs est encore un mystère. Nous avons, dans cette thèse, amélioré la compréhension d’un mécanisme basé sur la reconnexion magnétique rapide, partant du modèle du vent magnétique généré par le pulsar central qui perd son énergie rotationnelle. En effet, la structure du vent magnétique implique la présence des stries à lignes de champ magnétique de polarités alternées (d’où le nom "vent strié") à travers le plan équatorial du pulsar. Dans un modèle simplifié local, nous supposons l’initiation de la dynamique à partir d’une configuration à double nappe de courant (induite par la structure magnétique) dans le repère du vent strié. / The Crab Nebula, containing in its center a highly magnetized neutron star - the Crab pulsar, was essentially considered as a standard steady-state candle in gamma rays. Recently, this point of view has been challenged by gamma-ray flares observed by space satellites AGILE/Fermi-LAT. Even if the relativistic magnetic wind of the pulsar is considered to be the source of energy, the physical mechanism underlying these eruptive events is still a mystery. In this thesis, we improved the understanding of a mechanism based on fast magnetic reconnection, starting from the model of the magnetic wind generated by the central pulsar which loses its rotational kinetic energy. Indeed, the structure of the magnetic wind implies the presence of stripes with magmatic field lines of alternating polarities (hence the name "striped wind") through the equatorial plane of the pulsar. In a simplified local model, we assume the initiation of the dynamics from a double-current sheet configuration (induced by the magnetic structure) in the striped wind reference.

L'intégration de méthodes de prédiction des éruptions volcaniques dans une stratégie de surveillance globale peut être un outil d'aide à la décision précieux pour la gestion des crises, si les limites des méthodes utilisées sont connues. La plupart des tentatives de prédictions déterministes des éruptions volcaniques et des glissements de terrain sont effectuées avec la méthode FFM (material Failure Forecast Method). Cette méthode consiste à ajuster une loi de puissance empirique aux précurseurs de sismicité ou de déformation des éruptions. Jusqu'à présent, la plupart des travaux de recherche se sont attachés à faire des prédictions a posteriori, basées sur la séquence complète de précurseurs, mais le potentiel de la méthode FFM pour la prédiction en temps réel, en n'utilisant qu'une partie de la séquence, n'a encore jamais été évaluée. De plus, il est difficile de conclure quant-à la capacité de la méthode pour prédire les éruptions volcaniques car le nombre d'exemples publiés est très limité et aucune évaluation statistique de son potentiel n'a été faite jusqu'à présent. Par conséquent, il est important de procéder à une application systématique de la FFM sur un nombre important d'éruptions, dans des contextes volcaniques variés. Cette thèse présente une approche rigoureuse de la FFM, appliquée aux précurseurs sismiques des éruptions volcaniques, développée pour une application en temps réel. J'utilise une approche Bayésienne basée sur la théorie de la FFM et sur un outil de classification automatique des signaux ayant des mécanismes à la source différents. Les paramètres d'entrée de la méthode sont les densités de probabilité des données, déduites de la performance de l'outil de classification. Le paramètre de sortie donne la distribution de probabilité du temps de prédiction à chaque temps d'observation précédant l'éruption. Je détermine deux critères pour évaluer la fiabilité d'une prédiction en temps réel : l'étalement de la densité de probabilité de la prédiction et sa stabilité dans le temps. La méthode développée ici surpasse les applications classiques de la FFM, que ce soit pour des applications en a posteriori ou en temps réel, en particulier parce que l'information concernant l'incertitude sur les donnée est précisément prise en compte. La classification automatique des signaux sismo-volcaniques permet une application systématique de cette méthode de prédiction sur des dizaines d'années de données pour des contextes volcaniques andésitiques, au volcan Colima (Mexique) et au volcan Mérapi (Indonésie), et pour un contexte basaltique au Piton de la Fournaise (La Réunion, France). Je quantifie le nombre d'éruptions qui ne sont pas précédées de précurseurs, ainsi que les crises sismiques qui ne sont pas associées à des épisodes volcaniques. Au total, 64 séquences de précurseurs sont étudiées et utilisées pour tester la méthode de prédiction des éruptions développée dans cette thèse. Ce travail permet de déterminer dans quelles conditions la FFM peut être appliquée avec succès et de quantifier le taux de réussite de la méthode en temps réel et en a posteriori. Seulement 62% des séquences précurseurs étudiées dans cette thèse sont utilisable dans le cadre de la FFM et la moitié du nombre total d'éruptions sont prédites a posteriori. En temps réel, seulement 36% du nombre total d'éruptions auraient pu être prédites. Cependant, ces prédictions sont précises dans 83% des cas pour lesquels les critères de fiabilités sont satisfaites. Par conséquent, il apparaît que l'on peut avoir confiance en la méthode de prédiction en temps réel développée dans cette thèse mais que la FFM semble être applicable en temps réel uniquement si elle est intégrée dans une statégie de prédiction plus globale. Cependant, elle pourrait être potentiellement utile combinée avec d'autres méthodes de prédictions et supervisée par un observeur. Ces résultats reflètent le manque de connaissances actuelles concernant les mécanismes pré-éruptifs. / Eruption forecasting methods are valuable tools for supporting decision making during volcanic crises if they are integrated in a global monitoring strategy and if their potentiality and limitations are known. Many attempts for deterministic forecasting of volcanic eruptions and landslides have been performed using the material Failure Forecast Method (FFM). This method consists in adjusting an empirical power law on precursory patterns of seismicity or deformation. Until now, most of the studies have presented hindsight forecasts, based on complete time series of precursors, and do not evaluate the method's potential for carrying out real-time forecasting with partial precursory sequences. Moreover, the limited number of published examples and the absence of systematic application of the FFM makes it difficult to conclude as to the ability of the method to forecast volcanic eruptions. Thus it appears important to gain experience by carrying out systematic forecasting attempts in various eruptive contexts. In this thesis, I present a rigorous approach of the FFM designed for real-time applications on volcano-seismic precursors. I use a Bayesian approach based on the FFM theory and an automatic classification of the seismic events that do not have the same source mechanisms. The probability distributions of the data deduced from the performance of the classification are used as input. As output, the method provides the probability of the forecast time at each observation time before the eruption. The spread of the posterior probability density function of the prediction time and its stability with respect to the observation time are used as criteria to evaluate the reliability of the forecast. I show that the method developed here outperforms the classical application of the FFM both for hindsight and real-time attempts because it accurately takes the uncertainty of the data information into account. The automatic classification of volcano-seismic signals allows for a systematic application of this forecasting method to decades of seismic data from andesitic volcanoes including Volcan de Colima (Mexico) and Merapi volcano (Indonesia), and from the basaltic volcano of Piton de la Fournaise (Reunion Island, France). The number of eruptions that are not preceded by precursors is quantified, as well as the number of seismic crises that are not followed by eruptions. Then, I use 64 precursory sequences and apply the forecasting method developed in this thesis. I thus determine in which conditions the FFM can be successfully applied and I quantify the success rate of the method in real-time and in hindsight. Only 62% of the precursory sequences analysed in this thesis were suitable for the application of FFM and half of the total number of eruptions are successfully forecast in hindsight. In real-time, the method allows for the successful predictions of only 36% of the total of all eruptions considered. Nevertheless, real-time predictions are successful for 83% of the cases that fulfil the reliability criteria. Therefore, we can have a good confidence on the method when the reliability criteria are met, but the deterministic real-time forecasting tool developed in this thesis is not sufficient in itself. However, it could potentially be informative combined with other forecasting methods and supervised by an observer. These results reflect the lack of knowledge concerning the pre-eruptive mechanisms.

Les éruptions solaires sont des tempêtes de rayonnement électromagnétique, de particules relativistes et parfois de masse coronale provoquées par la libération d’énergie magnétique provenant de la couronne solaire. Si ces tempêtes atteignent l'environnement terrestre, elles peuvent poser un danger à la santé des astronautes en hautes orbites et causer des perturbations importantes sur les systèmes GPS. Dans certains cas, elles peuvent même induire des dommages aux infrastructures technologiques, dont les réseaux électriques. La prédiction des éruptions solaires est donc considérée comme un des plus importants défis de la météorologie spatiale. Par contre, à ce jour, aucune méthode présentée dans la littérature n’est capable de produire des prédictions fiables, ce qui met en évidence la nature complexe du déclenchement des éruptions solaires. Nous présentons donc dans ce mémoire une méthode alternative aux techniques statistiques habituelles, basée sur l'assimilation de données couplée avec des modèles rapides en automate cellulaire appelés modèles d'avalanche. Les modèles d'avalanche sont une simplification drastique de la physique du déclenchement des éruptions solaires. Malgré leur simplicité, ils reproduisent assez bien les statistiques à long terme de la taille des éruptions. Nous présentons dans ce mémoire des analyses empiriques de la capacité prédictive de quatre modèles: le modèle de Lu et Hamilton (LH) (Lu & Hamilton, 1991, ApJ, 412, 841-852), deux modèles à forçage déterministes (D) (Strugarek & Charbonneau, 2014, SoPh, 289(8), 2993-3015) et finalement deux modèles maximisant l'énergie libérée, appelées modèles DMC, qui sont fortement inspirés du modèle présenté par Farhang et al. (2018, ApJ, 859(1), 41). Les modèles DMC ont été développés dans le cadre de cette maîtrise et donc un chapitre de ce mémoire est dédié à leur présentation et aux analyses plus détaillées de leurs caractéristiques. Nous montrons que pour les modèles D ainsi que les modèles DMC, une mémoire existe entre les évènements simulés de grandes tailles, malgré la forte stochasticité de chacun de ces modèles. Nous présentons de plus dans ce mémoire un nouveau protocole de prédiction des éruptions solaires, utilisant l'assimilation de données couplée avec les modèles d'avalanches. Notre protocole se base sur une méthode de recuit simulé pour ajuster la condition initiale du modèle jusqu'à ce qu'elle reproduise de façon satisfaisante une série d'évènements observés. Une fois cette condition initiale optimisée produite, la simulation qui en résulte représente notre prédiction. Nous montrons dans ce mémoire le succès de notre protocole à bien assimiler une centaine d'observations synthétiques (produit par les modèles d'avalanche eux-mêmes). / Solar flares are sudden releases of electromagnetic radiation, relativistic particles and occasionally coronal mass, caused by the release of magnetic energy from the solar corona. They pose a danger to astronauts in high orbits and directly impact the Earth, including significant disturbances on GPS systems, and can even cause damage to technological infrastructures, including electrical networks. Predicting solar flares is therefore considered to be one of the most critical challenges in space weather. However, no method presented in the literature can produce reliable predictions, highlighting the complex nature of the triggering of solar flares. We, therefore, present in this thesis an alternative method to the usual statistical forecasting techniques. Our method is based on data assimilation coupled with computationally inexpensive cellular automaton models called avalanche models. Avalanche models are a drastic simplification of the physics underlying the triggering of solar flares. Despite their simplicity, they reproduce reasonably well the long-term statistics of solar flares sizes. In this thesis, we present empirical analyses of the predictive capabilities of four models: the Lu and Hamilton (LH) model (Lu & Hamilton, 1991, ApJ, 412, 841-852), two deterministic-driven (D) models (Strugarek & Charbonneau, 2014, SoPh, 289(8), 2993-3015) and finally two models using the principle of minimum energy during magnetic reconnection, called DMC models, which are strongly inspired by the models presented by Farhang et al. (2018, ApJ, 859(1), 41). The DMC models were developed during this project; therefore, a chapter of this thesis is dedicated to their presentation and more detailed analyses of their characteristics. We show that for D and DMC models, a memory exists between large simulated events, despite the high stochasticity present within each of these models. We finally present in this thesis a new protocol for predicting solar flares, using data assimilation coupled with avalanche models. Our protocol is based on a simulated annealing method to adjust the initial condition of the model until it satisfactorily reproduces a series of observed events. Once this optimal initial condition is found, the resulting simulation produces our prediction. In this thesis, we show our algorithm's success in assimilating hundreds of synthetic observations (produced by the avalanche models themselves).

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Surface manifestations of hydrothermal fluids such as fumaroles and hot springs provide valuable information about the level of activity of a volcano during quiescent period. Geochemical study of gas and spring waters is useful to elaborate geochemical model for magmatic-hydrothermal system. Furthermore, temporal geochemical monitoring of these fluids with time provides a better understanding in processes occurring inside the volcano and can be useful to detect any changes in the activity of the magmatic-hydrothermal system. This thesis investigates two hydrothermal systems at Kelud and Papandayan volcanoes that are located at Java Island in Indonesia. Kelud is considered as one of the most dangerous volcanoes of Java because of its frequent eruptions. After the last eruption that occurred in 1990, a new lake rapidly filled the crater of Kelud volcano. Water samples collected since 1993 are near neutral Na-K chloride fluids and are typical of aged hydrothermal system where the acidity has been completely neutralized by fluid-rock interaction and where the emission of acid magmatic gases has stopped. Two sudden increases in lake temperature in 1996 and 2001 were accompanied by rapid changes in lake water compositions and suggest the existence of two hydrothermal systems feeding the lake: a shallow hydrothermal system dominated by Ca-Mg sulfate waters and a deepest aquifer with neutral alkali chloride waters. From 2001 to 2005, measurements of CO2 emitted by the surface of the lake were performed by using the accumulation chamber method modified in order to work at the surface of a crater lake. Two statistical methods were used to process data: the graphical statistical and stochastic simulation methods. The results of graphical statistical approach showed that two different degassing processes are acting at the lake surface: one corresponding to CO2 fluxes resulting from rising bubbles and the other corresponding to equilibrium diffusion of dissolved CO2 at the water-air surface. Total CO2 emission rate estimated by stochastic simulation ranges from 105 t/day for 2001 to 32 t/day for 2005. Thermal energy released by the lake was also estimated by using an energy balance model with a new constraint using the CO2 flux. The thermal flux decreased from 200 MW (2001) to 100 MW (2002) and then remained stable. Correlation between the chemical data of waters, the fluxes of CO2 and energy show that a constant decrease in the level of activity of the volcano since 1993 occurred although the lake temperature has been stable since 2003. Since the last magmatic eruption that occurred in 1772, phreatic eruptions occur on Papandayan volcano with the last one in 2002. The volcanic material ejected during this eruption is essentially made of altered rocks from within the hydrothermal system. The interaction of acid waters with the host rocks corresponds to an advanced argilic alteration. The chemical compositions of waters from Papandayan volcano and Kelud lake waters are contrasting. Indeed, the spring waters sampled since 1994 are acid sulfate-chloride waters and acid sulfate waters. The chemical and isotopic analyses of gases and waters suggest a significant magmatic contribution in SO2, HCl and HF to the hydrothermal system. The chemical composition of waters sampled after the 2002 eruption have provided information about origin of this eruption. Decrease in chloride concentration and in delta 34S of dissolved sulfates showed that the magmatic contribution in these fluids are less important and that the waters are likely to be formed by the condensation of steam (H2O, H2S) rising from a boiling aquifer.

Surface manifestations of hydrothermal fluids such as fumaroles and hot springs provide valuable information about the level of activity of a volcano during quiescent period. Geochemical study of gas and spring waters is useful to elaborate geochemical model for magmatic-hydrothermal system. Furthermore, temporal geochemical monitoring of these fluids with time provides a better understanding in processes occurring inside the volcano and can be useful to detect any changes in the activity of the magmatic-hydrothermal system. This thesis investigates two hydrothermal systems at Kelud and Papandayan volcanoes that are located at Java Island in Indonesia. Kelud is considered as one of the most dangerous volcanoes of Java because of its frequent eruptions. After the last eruption that occurred in 1990, a new lake rapidly filled the crater of Kelud volcano. Water samples collected since 1993 are near neutral Na-K chloride fluids and are typical of aged hydrothermal system where the acidity has been completely neutralized by fluid-rock interaction and where the emission of acid magmatic gases has stopped. Two sudden increases in lake temperature in 1996 and 2001 were accompanied by rapid changes in lake water compositions and suggest the existence of two hydrothermal systems feeding the lake: a shallow hydrothermal system dominated by Ca-Mg sulfate waters and a deepest aquifer with neutral alkali chloride waters. From 2001 to 2005, measurements of CO2 emitted by the surface of the lake were performed by using the accumulation chamber method modified in order to work at the surface of a crater lake. Two statistical methods were used to process data: the graphical statistical and stochastic simulation methods. The results of graphical statistical approach showed that two different degassing processes are acting at the lake surface: one corresponding to CO2 fluxes resulting from rising bubbles and the other corresponding to equilibrium diffusion of dissolved CO2 at the water-air surface. Total CO2 emission rate estimated by stochastic simulation ranges from 105 t/day for 2001 to 32 t/day for 2005. Thermal energy released by the lake was also estimated by using an energy balance model with a new constraint using the CO2 flux. The thermal flux decreased from 200 MW (2001) to 100 MW (2002) and then remained stable. Correlation between the chemical data of waters, the fluxes of CO2 and energy show that a constant decrease in the level of activity of the volcano since 1993 occurred although the lake temperature has been stable since 2003. Since the last magmatic eruption that occurred in 1772, phreatic eruptions occur on Papandayan volcano with the last one in 2002. The volcanic material ejected during this eruption is essentially made of altered rocks from within the hydrothermal system. The interaction of acid waters with the host rocks corresponds to an advanced argilic alteration. The chemical compositions of waters from Papandayan volcano and Kelud lake waters are contrasting. Indeed, the spring waters sampled since 1994 are acid sulfate-chloride waters and acid sulfate waters. The chemical and isotopic analyses of gases and waters suggest a significant magmatic contribution in SO2, HCl and HF to the hydrothermal system. The chemical composition of waters sampled after the 2002 eruption have provided information about origin of this eruption. Decrease in chloride concentration and in delta 34S of dissolved sulfates showed that the magmatic contribution in these fluids are less important and that the waters are likely to be formed by the condensation of steam (H2O, H2S) rising from a boiling aquifer.<p><p> / Doctorat en sciences, Spécialisation géologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished