Reproduction de : Thèse de doctorat : Analyse numerique : Grenoble 1 : 1992. / Titre provenant de l'écran-titre.

Th.--Sci. phys.--Nancy--I.N.P.L., 1982.

Th. doct.--Math. appl.--Paris 6, 1990. N°: 6095. / Résumé en anglais. Bibliogr. p. 200-207.

Texte remanié de : Thèse de doctorat : Géosciences : INPL : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre.

Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Tunable diode laser absorption spectroscopy using an external cavity diode laser operating in the infra-red has been developed to monitor CO2 in the freestream of the Longshot hypervelocity facility at the Von Karman Institute for Fluid Dynamics. The Longshot facility offers a unique European facility for ground testing and numerical validation applications, however, some of the traditional data rebuilding aspects are in question. A non-intrusive absorption<p>sensor could significantly aid in improving the knowledge of freestream static values thereby improving the models used in data rebuilding and numerical simulation. The design of such a sensor also expands the spectroscopic capabilities of the Von Karman Institute.<p><p>The absorption sensor is designed around the single P12 (00001)-(30013) rovibrational transition near 1.6µm (6218.09cm-1 specifically) which yields relatively weak direct absorption levels at about 3.5% per meter for typical Longshot freestream conditions. However, when handled carefully, adequate signal-to-noise can be acquired to exploit significant flow information. By being able to operate in this range, total sensor cost can be easily an a factor of two or more cheaper than sensors designed for the deeper infrared. All sensor elements were mounted to a compact portable optics bench utilizing single-mode optical fibers to allow for quick installation at different facilities by eliminating tedious optical realigning. Scans at 600Hz were performed over 20ms of the 40ms test time to extract core static temperature, pressure and velocity.<p><p>These results are compared with the current state of the Longshot data rebuild method. The non-uniform flow properties of the shear layer and test cabin rested gas accumulation was of an initial concern. The temperature and density gradients along with significant radial velocity components could result in DLAS temperature, pressure and velocity that are significantly different than that of the target freestream inviscid core values. Fortunately, with the proper selection of the P12 rotational number, this effect could be more or less ignored as the higher temperature and lower density gas of this region is relatively transparent.<p><p>Ultimately, acquired temperature and density were moderately accurate when compared to Longshot rebuilt results owing primarily to the baseline extraction which poses issues for such low absorption signals. However, the extracted velocity data are quite accurate. This is a definite puls for the sensor as the freestream enthalpy of cold hypersonic facilities is dictated primarily by the kinetic energy contribution. Being able to compare velocity gives insight to the level of vibration non-equilibrium in the flow. The velocity of the DLAS and the Longshot rebuild are quite close. This adds more weight to the argument that vibrational excitation is very low (if present at all) in the free stream and that the van de derWaals equation of state usage and constant specific heat assumption might be an adequate model for the data rebuild after all. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The ongoing changes in the extent and the properties of sea ice, associated with the warming climate, are affecting the polar ecosystem and the interactions between the atmosphere, sea ice and the underlying waters. How sea ice biogeochemistry will change in the foreseeable future is currently uncertain, but is a crucial problem to tackle.<p>To better understand how sea ice biogeochemistry could change, we investigated the factors regulating the distribution of some dissolved compounds (e.g. nutrients, dissolved organic matter (DOM)) and gaseous compounds (e.g. Ar, O2, N2, CH4) in sea ice, from ice growth to ice decay. The results were obtained from a 19-day indoor experiment in Hamburg (Germany) and a five-month-long field survey in Barrow (Alaska). They were then compared to the physical properties of the ice (temperature, salinity, and other derived parameters such as brine volume fraction) and different biological parameters (bacterial activity, bacterial abundance, chlorophyll-a and phaeopigments).<p>Our work indicates that the physical properties of sea ice exert a strong influence on the distribution of the biogeochemical compounds in the ice, through their impact on brine dynamics, gas bubble formation and ice permeability. We have described 4 stages of brine dynamics, which affect the distribution of the dissolved compounds (e.g. silicate and DOM) in sea ice. However, inert gas (Ar) shows a different dynamic in comparison to the dissolved compounds, indicating a different transport pathway. We suggest that the formation of gas bubbles in sea ice is responsible for that different transport pathway, because gas bubbles should move upward owing to their buoyancy in comparison to brine, while dissolved compounds are drained downward due to gravity. Our observations further indicate that the critical permeability threshold for the upward gas bubble transport should range between 7.5 and 10 % of brine volume fraction, which is higher than the 5 % suggested for the downward brine transport. Increasing ice permeability and prolonged gas exchange tend to draw gas concentrations toward their solubility values, except when the under-ice water is supersaturated relative to the atmosphere (e.g. CH4) or when in-situ production occurs in sea ice (e.g. O2).<p>Because ammonium and O2 obviously accumulate in the ice layers where convection is limited, we suggest that the changes of these biogeochemical compounds in sea ice depend on the competing effect between the physical transport and the biological activity; the biological impact on these biogeochemical compounds in sea ice is obvious when the biological production rate exceeds largely the physical transport rate. We further discussed on the potential of using Ar and N2 as inert tracers to correct the physical controls on O2 and to determine the net community production in sea ice.<p>In addition to the physical and biological controls, the chemical properties of some biogeochemical compounds (e.g. nitrate, ammonium, DOM) may further influence their distribution in sea ice; further investigations are however needed to confirm this.<p>Finally, based on our findings, we present an update of the processes regulating the distribution of gases in sea ice, with references to recent observations supporting each of the process. We also provide some insights on how sea ice biogeochemistry could change in the future and the research priorities for an accurate quantification of these changes.<p><p>Les changements dans l’extension et les propriétés de la glace de la mer, liés au réchauffement climatique, affectent l’écosystème polaire, ainsi que les interactions entre l’atmosphère, la glace de mer et l’eau sous-jacente. Cependant, des incertitudes subsistent quant aux changements potentiels qui affecteront la biogéochimie de la glace de mer dans un futur proche.<p>Afin de mieux comprendre les changements potentiels qui affecteront la biogéochimie de la glace de mer, nous avons étudié les facteurs qui influencent la distribution de certains composés dissouts (e.g. nutriments, matière organique dissoute (DOM)) et gazeux (e.g. Ar, O2, N2, CH4) au sein de la glace de mer, depuis la croissance de la glace, jusqu’à sa fonte. Les résultats ont été obtenus à partir d’une expérience de 19 jours dans un bassin expérimental à Hambourg (Allemagne) et une étude de terrain de 5 mois à Barrow (Alaska). Ils ont été ensuite comparés aux propriétés physiques de la glace (température, salinité et autres paramètres dérivés) et à des paramètres biologiques (activité bactérienne, abondance bactérienne, chlorophylle-a et phaeopigments).<p>Nos travaux ont montré que les propriétés physiques de la glace exercent une forte influence sur la répartition des composes biogéochimiques dans la glace de mer, à travers leur impact sur la dynamique des saumures, la formation de bulles de gaz et la perméabilité de la glace. Nous avons décrit 4 stades dans la dynamique des saumures qui influencent la distribution des composés dissouts (e.g. silice et DOM) dans la glace. Cependant, le gaz inerte étudié (Ar) montre une dynamique différente de celle des composés dissouts, indiquant un mécanisme de transport différent. Nous suggérons que la formation de bulles de gaz dans la glace de mer est le mécanisme responsable de cette différence, parce que les bulles de gaz devraient migrer vers le haut, à cause de leur différence de densité par rapport aux saumures, alors que les saumures sont drainées vers le bas à cause de la gravité. Nos observations montrent également que le seuil critique de perméabilité pour l’ascension des bulles de gaz devrait se trouver entre 7.5 et 10 % de volume relatif en saumure ;seuil qui est plus élevé que les 5 % suggérés pour le transport de saumure vers le bas. L’augmentation de la perméabilité de la glace et les échanges de gaz prolongés tendent à amener les concentrations de gaz vers leur valeur de solubilité, sauf lorsque l’eau sous-jacente présente une sursaturation parrapport à l’atmosphère (e.g. CH4), ou lorsque une production in-situ se produit au sein de la glace (e.g. O2).<p>Etant donné que l’ammonium et O2 s’accumulent clairement dans les couches de glace où la convection est limitée, nous suggérons que les variations de ces composés biogéochimiques dans la glace dépendent de la balance entre le transport physique et l’activité biologique ;l’impact de cette dernière sur les composés biogéochimiques est particulièrement visible lorsque le taux de production biologique du composé excède largement la vitesse d’élimination du composé par le transport physique. Nous avons ensuite discuté du potentiel d’utiliser Ar et N2 comme traceurs inertes pour corriger l’impact des processus physiques sur les variations de O2, afin de déterminer la production communautaire nette dans la glace de mer.<p>Les propriétés chimiques de certains composés biogéochimiques (e.g. nitrate, ammonium, DOM) pourraient également influencer leur répartition au sein de la glace de mer, en plus des processus physiques et biologiques. Cependant, il est nécessaire d’avoir plus d’études à ce sujet pour confirmer cela.<p>Enfin, sur base de nos résultats, nous présentons une mise à jour des processus qui régulent la répartition des gaz dans la glace de mer, avec des références à des observations récentes qui illustrent chacun des processus. Nous donnons également un aperçu des changements qui pourraient affecter la biogéochimie de la glace de mer à l’avenir, et des pistes de recherches pour une quantification précise de ces changements. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The role of clusters in planetary atmospheres and the interstellar medium is potentially important. Investigating such a role requires basic experimental information, however lacking. The goal of this thesis was to develop an efficient experimental set-up to produce clusters in the laboratory in concentrations large enough to allow their high resolution spectra to be recorded, thus providing the necessary data allowing the physico-chemical properties of the clusters to be studied.<p>The study of this subject however suffers from the lack of basic experimental data. The goal is therefore to produce clusters in the laboratory in concentration large enough to record their high resolution spectrum. This is the initial aim of the present thesis.<p>During this work, we have built and extensively tested a new experimental set-up called FANTASIO (``Fourier trANsform, Tunable diode and quadrupole mAss spectrometers interfaced to a Supersonic expansIOn'). With the help of this new device, various experiments on jet-cooled species have been performed.<p>The cartography of the supersonic expansion was established, using the mass spectrometer as a moving pressure probe. This enabled us to characterize the geometrical properties of the supersonic jet produced by circular and slit nozzles and to determine the position of the virtual nozzle. The effect of the axisymmetric expansion geometry on the R(0) lineshape in the nu_3 band of N_2O, recorded by FTIR, was also investigated.<p>The rotational temperature of the jet-cooled molecules was determined to be a few K by measuring the intensity of lines in spectra recorded by FTIR spectroscopy.<p>Vibrational energy transfer occuring in the expansion between N_2O molecules and different collision partners was investigated on the nu_2+nu_3-nu_2 band of N_2O, again using FTIR spectroscopy. The trend of these transfers was found to be related to the energy difference between the v_2=1 level of N_2O and the closest vibrational state in the collision partner, with the largest population.<p>The sensitivity of the set-up was enhanced by a factor of 5 by increasing the absorption path length, using a multipass system. A procedure to remove the residual gas contribution from the IR spectra was developped, based on the mass spectrometer. Thanks to this sensitivity increase, broadband absorption features of clusters were observed for a C_2H_2-Ar mixture in circular and slit expansions.<p>The optical sensitivity of FANTASIO was again increased by the implementation of the CW-CRDS system. The enhancement over FTIR was calculated to be over a factor 750. Thanks to this drastic improvement, spectral signatures of various clusters were recorded, such as C_2H_2-Ar, C_2H_2 multimers, C_2H_2-N_2O and C_2H_2-CO_2, at high resolution.<p>The role of clustering in generating unusual line shapes of acetylene in an axisymmetric expansion was investigated. We demonstrated that C_2H_2 aggregates produced in the expansion are responsible for central dips observed in the monomer absorption. These acetylene clusters thus appear to be formed in the centre of the expansion, while, unexpectedly, acetylene-Ar complexes are formed at the edge of the conical expansion.<p>Various research prospects were explored during this thesis thanks to the FANTASIO device, opening new research directions. FANTASIO is today operational and defines a useful tool to achieve the study of small clusters by infrared spectroscopy./<p><p>Le rôle des agrégats dans les atmosphères planétaires et dans le milieu interstellaire est potentiellement important. Cependant, les études sur ce sujet souffrent du manque de données expérimentales. Le but de cette thèse était de développer un dispositif expérimental efficace pour produire au laboratoire des agrégats en quantité suffisante pour permettre l'enregistrement de leur spectre infrarouge à haute résolution et donc l'étude de leurs propriétés physico-chimiques.<p>Durant ce travail, nous avons construit et testé un nouveau dispositif expérimental appelé FANTASIO, basé sur un jet supersonique couplé à un spectromètre de masse, un spectromètre à transformée de Fourier et un système CRDS. Grâce à cet appareillage, différentes expériences sur des molécules à basse température ont été menées.<p>L'expansion supersonique a été cartographiée en utilisant le spectromètre de masse comme une sonde de pression mobile. Cette cartographie nous a permis d'établir les propriétés géométriques des jets supersoniques produits par les orifices circulaire et de type fente, et de déterminer la position de l'orifice virtuel. L'effet de la géométrie de l'expansion sphérique sur le profil de la raie R(0) de la bande nu_3 de N_2O, enregistré par FTIR, a aussi été étudié.<p>Une température rotationnelle de quelques K a été déterminée pour les molécules refroidies en jet supersonique par mesure de la distribution d'intensité de raies dans les spectres enregistrés par FTIR.<p>Le transfert d'énergie vibrationnelle entre des molécules de N_2O et différents partenaires collisionnels a été étudié en analysant l'intensité de la bande nu_2+nu_3-nu_2 de N_2O, enregistré également par spectroscopie FTIR. Il a été trouvé que la tendance de ces transferts est liée à la différence d'énergie entre le niveau v_2=1 de N_2O et l'état vibrationnel le plus proche et le plus peuplé du partenaire collisionnel.<p>La sensibilité du dispositif a été augmentée d'un facteur 5 dû à l'allongement du chemin d'absorption, grâce à l'utilisation d'un système multipassage. Une procédure basée sur l'utilisation du spectromètre de masse et visant à enlever la contribution du gaz chaud résiduel dans les spectres infrarouges a été mise au point. Grâce à cette augmentation de sensibilité, des structures d'absorption non résolues d'agrégats ont été observées dans des expansions en trou et en fente d'un mélange de C_2H_2-Ar.<p>La sensibilité optique de FANTASIO a encore été augmentée par l'ajout au dispositif d'un système CW-CRDS. L'amélioration par rapport au spectromètre à transformée de Fourier a été calculée comme étant supérieure à un facteur 750. Grâce à cette importante amélioration, les signatures spectrales de divers agrégats, tels que C_2H_2-Ar, des multimères de C_2H_2, C_2H_2-N_2O et C_2H_2-CO_2, ont été enregistrées à haute résolution.<p>Le rôle de l'agrégation dans la génération de profils de raie inhabituels dans une expansion en trou de l'acétylène a été étudié. Nous avons démontré que les agrégats de C_2H_2 produits dans le jet supersonique sont responsables des creux observés dans le profil d'absorption du monomère. Ces agrégats apparaissent donc comme étant formés au centre de l'expansion, tandis que, de manière inattendue, les agrégats de C_2H_2-Ar sont formés aux bords de l'expansion conique.<p>Plusieurs idées de recherche ont été explorées durant cette thèse grâce au dispositif FANTASIO, ouvrant de nouvelles directions de recherche. FANTASIO est aujourd'hui opérationnel et se présente comme un outil utile dans l'étude des petits agrégats par spectroscopie infrarouge. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished