La neige recouvre jusqu'à 50 % des surfaces émergées de l'hémisphère Nord en hiver. Une telle importance de la glace à la surface de la terre suggère un fort potentiel d'interaction avec l'atmosphère. De telles interactions ont été mises en évidence ces dernières années, et impliquent des processus complexes, comme la catalyse de réactions hétérogènes ou l'échange de gaz traces réactifs adsorbés à la surface des cristaux de neige, la diffusion en phase solide, les cycles de sublimation/condensation de glace qui entraÎnent des solutés. Leur compréhension et leur quantification requièrent la connaissance de divers paramètres physiques dont la surface spécifique (SS) de la neige, définie comme la surface accessible aux gaz par unité de masse. L'importance de ce paramètre et le peu de données existant dans la littérature a incité à effectuer ce travail sur l'étude de la SS de la neige et son évolution dans le manteau neigeux. La SS a été déterminée par adsorption de méthane à la température de l'azote liquide (77 K). Afin de comprendre les processus responsables de l'évolution de la SS, des macrophotographies et des images obtenues par microscopie électronique à balayage ont été utilisées. L'ensemble de nos résultats (176 mesures de SS) obtenus dans les Alpes et l'Arctique a montré que la SS de la neige est très variable: elle est comprise entre 1540 et 400 cm2/g pour les neiges fraîches et peut descendre jusqu'à 100 cm2/g pour des vieilles neiges. L'étude de l'évolution de la SS indique une décroissance avec le temps qui est due aux transformations morphologiques liées au métamorphisme de la neige. Celles-ci sont essentiellement caractérisées par un arrondissement et un grossissement des cristaux, et par la sublimation des petites structures. La vitesse de décroissance de la SS a également été étudiée à différentes températures. Nos résultats ont montré que la température et le vent sont les deux principaux facteurs qui déterminent la cinétique de décroissance de la SS. A Alert, (Arctique canadien), l'étude détaillée de la microphysique du manteau neigeux a permis de mesurer directement la capacité d'adsorption de gaz traces réactifs par le manteau neigeux. Sa surface totale a été mesurée entre 1160 et 3710 m2/m2. Nous avons ainsi démontré que le manteau neigeux pouvait séquestrer une *grande partie des espèces présentes dans le système (neige + couche limite). Les meSures de SS ont également été utilisées pour déterminer les processus d'incorporation du formaldéhyde dans la neige.

Les questions que se pose le glaciologue peuvent souvent être identifiées à des problèmes inverses. C'est ce qui est illustré dans ce travail à travers trois exemples: * Reconstruction des températures du passé : nous essayons de combiner l'information donnée par la composition isotopique de la glace et le profil de température mesuré à Vostok (Antarctique). Cette approche suggère que le profil de température ne permet pas de donner de meilleure estimation de la température du dernier stade glaciaire à Vostok que le thermomètre isotopique classique. * Reconstruction de la composition de l'atmosphère du passé: lors de la transformation de la neige en glace, des bulles d'air de composition voisine de celle de l'atmosphère sont emprisonnées dans la porosité de la glace. Différents processus naturels peuvent altérer la composition de la bulle et l'interprétation des mesures n'est pas immédiate. Nous proposons ici une méthode de déconvolution du signal atmosphérique prenant en compte les phénomènes de diffusion et de gravitation dans le névé polaire. Nous appliquons ensuite cette méthode à l'interprétation des mesures de méthane, CFCs et rapport isotopique du méthane dans le névé et la glace. * Reconstruction des propriétés rhéologiques de la glace à grande échelle : les iceshelves (plates-formes de glace flottantes) constituent avec les ice-streams (fleuves de glace) les éléments dynamiques de la calotte Antarctique. Leur rhéologie est un paramètre important à prendre en compte pour prédire l'évolution de la géométrie de la calotte Antarctique. Nous montrons comment retrouver ce paramètre critique à partir d'un modèle d'écoulement et de mesures de terrain, puis nous fournissons une carte de viscosité apparente du Ross Ice Shelf (Antarctique de l'Ouest). Les techniques d'inversion décrites dans ce travail sont classiques dans de nombreux domaines de la géophysique, mais elles sont peu connues en glaciologie. En les appliquant sous une forme simplifiée, nous nous sommes efforcés de montrer ce qu'elles peuvent apporter à la glaciologie et quelles sont leurs limites.

L'air interstitiel extrait du névé de 4 sites polaires nous a donné accès à des échantillons atmosphériques âgés jusqu'à une centaine d'années en quantité suffisante pour l'analyse de la composition isotopique du CH4, considéré comme le second gaz responsable de l'effet de serre induit par l'Homme. L'optimisation d'un dispositif expérimental particulièrement sensible (CF-IRMS) nous a ainsi permis de mesurer le rapport 13CH4/12CH4 d'échantillons d'air pompé à diverses profondeurs du névé dont les résultats, sur 2 des 4 sites étudiés, sont en remarquable concordance avec les rapports mesurés par une autre méthode (TDLAS) au sein du MPI de Mayence (Allemagne). A partir des profils obtenus dans le névé, et grâce à l'utilisation récursive d'un modèle physique de transport diffusif des gaz à travers le névé, nous avons alors pu reconstruire un historique probable du rapport 13CH4/12CH4 dans l'atmosphère au cours du dernier siècle. La contrainte ainsi apportée sur l'évolution du bilan atmosphérique du CH4 nous a permis de confirmer l'hypothèse existante d'une responsabilité primordiale des sources d'origine anthropique dans l'augmentation de 150 % de la teneur en CH4 de l'atmosphère depuis la révolution industrielle. Nous avons également utilisé cette contrainte afin de valider, à travers l'utilisation d'un modèle atmosphérique global, la pertinence de l'hypothèse d'une réduction de 20 % de la capacité oxydante de l'atmosphère depuis 1885. Par ailleurs, une collaboration avec le PSSRI de l'Université d'Open (Royaume-Uni) nous a permis de reprendre la mise au point d'une technique de mesure du rapport CH3D/CH4 dans l'air, que nous avons tenté d'appliquer aux échantillons provenant de 2 des 4 sites déjà considérés en 13C/12C. Enfin, nous avons mis au point et testé avec succès une méthode sensible d'extraction et d'analyse du CH4 de l'air contenu dans les glaces polaires, qui pourra par conséquent être mise en oeuvre pour l'analyse de l'air pré-industriel.

Ce travail de thèse porte sur la réalisation d'un capteur d'espèces chimiques gazeuses à partir de transistors à nanotubes de carbone à effet de champs (i.e. CNTFET). Cette nouvelle génération de capteurs présente de nombreux avantages : compacts et bas coût, ils peuvent être intégrés dans des systèmes de détection ultrasensibles et autonomes. Ils sont destinés à des applications de sécurité civile ponctuelle ou en réseau comme la détection de gaz d'attaque ou d'explosifs. Nous proposons la réalisation de transistors à tapis aléatoires de nanotubes de carbone. L'utilisation de ces tapis permet de résoudre les problèmes de fabrication en quantité et de reproductibilité rencontrée avec les transistors à un seul nanotube. La première partie de nos travaux repose sur la mise au point d'une méthode de dépôt de tapis de nanotubes à l'aide d'un aérographe assisté d'un robot automatisé: des poudres commerciales de nanotubes de carbone sont mises en solution puis déposées de manière aléatoire par atomisation de micro gouttes de solvant. Les tapis ainsi obtenus permettent de réaliser en grand nombre de transistors avec des performances électriques reproductibles. La seconde partie présente le développement d'une matrice de transistors composée par des électrodes de différente nature (platine, palladium, or, nickel, titane) afin de répondre au problème de la sélectivité pour la détection gazeuse rencontré par ce type de dispositif. Ainsi nous discriminons les gaz en réalisant une empreinte électronique exploitant la modification spécifique des caractéristiques des différentes jonctions métal/nanotubes, et donc des caractéristiques de transfert des CNTFETs. Notre capteur présente une sensibilité et une sélectivité à l'ammoniac, au dioxyde d'azote, au diméthyle methylphosphonate (simulant du gaz sarin) et à l'eau oxygénée. La production en grand nombre de ces éléments permet de valider le potentiel industriel de ces capteurs.

L'Analyse de Cycle de Vie (ACV) permet de comptabiliser les émissions de la production à la combustion d'un biocarburant mais elle ne prend pas en compte la dynamique locale de ces émissions, notamment celle des émissions de N2O, principal gaz à effet de serre agricole. Notre objectif fut d'abord d'analyse l'effet du tassement du sol sur les émissions de N2O en combinant expérimentation et modélisation. À l'aide de chambres automatiques sur des parcelles de betterave, nous avons mesuré en 2007-2008 des émissions cumulées de 944-977 g N-N2O ha-1 en sol non tassé et 1,448-1,382 g N-N2O ha-1 en sol tassé. Les émissions plus importantes sur le tassé furent surtout dues aux conditions anoxiques propices à la dénitrification. Nous avons modifié le modèle NOE pour mieux simuler la nitrification et la variation des fractions de N2O sur les produits totaux. Malgré une meilleure prédiction de la nitrification et des flux post-fertilisation, le modèle modifié NOE2 sous-estima les émissions totales. La sévère sous-estimation en été montre que les cycles sec-humides peuvent entraîner de fortes émissions dont le déterminisme n'est ni élucidé ni modélisé. Nous avons ensuite utilisé un modèle d'agro-écosystème (CERES-EGC-NOE2) pour produire les données d'inventaire pour nos ACV locales. L'éthanol de Miscanthus produit en Picardie entraîne potentiellement beaucoup moins d'impacts environnementaux que celui de betterave. Comparés à l'essence, l'éthanol de Miscanthus permettrait une réduction de gaz à effet de serre de 82-85% par MJ, celui de betterave une réduction de 28-42% par MJ en fonction des conditions pédo-climatiques et des pratiques agricoles locales.

Au cours de ce travail de doctorat, j'ai participé au montage complet d'une expérience visant à refroidir et manipuler deux espèces atomiques alcalines fermioniques, 6Li et 40K. Le dispositif expérimental a pour objectifs l'étude des mélanges de fermions ultra-froids de masses différentes et la réalisation d'un simulateur analogique quantique flexible. En effet, là où certains problèmes quantiques à N corps en interaction, comme la supraconductivité à haute température critique ou l'antiferromagnétisme frustré, sont difficiles à aborder analytiquement et numériquement, les atomes froids, systèmes purs et contrôlables jusque dans leur interaction, offrent un point de vue complémentaire intéressant. Lors de la conception du dispositif expérimental, nous avons assemblé une enceinte à ultra-vide, réalisé un système laser stabilisé complet pour chaque espèce et mis en place deux sources atomiques performantes, un ralentisseur Zeeman de 6Li et un piège magnéto-optique bidimensionnel de 40K; la plupart des grandeurs optiques et électriques ainsi que les diagnostiques d'imagerie étant contrôlés par voie informatique. Ces premières étapes ont permis l'obtention d'un piège magnéto-optique à deux espèces performant, contenant typiquement 5x10^9 atomes de 6Li et 8x10^9 atomes de 40K. Dans cette configuration, nous avons produit les premières molécules hétéronucléaires de 6Li40K* par photoassociation, pour lesquelles nous avons observé et identifié 70 raies rovibrationnelles. Dans une seconde partie, je décris en détail le transport magnétique du mélange atomique entre la cellule du piège magnéto-optique et une cellule d'expérience, où règne un vide poussé et bénéficiant d'un grand accès optique. Ce dispositif complet, de sa conception à son optimisation expérimentale, en passant par son assemblage mécanique et la mise en place du programme de contrôle et des diagnostiques numériques, constitue le coeur de mon travail. Son efficacité a pu être testée et optimisée, permettant ainsi un transfert performant du mélange vers la cellule finale. Aussi, à l'issue de cette thèse, tous les outils sont opérationnels pour poursuivre le refroidissement du mélange par évaporation dans un piège magnétique, et par conséquent le champ est ouvert pour la simulation quantique et la compréhension de problèmes à N corps dans les mélanges de gaz de Fermi ultra-froids.

Ce travail traite de la conception de générateur alimentant une lampe DBD destinée à la production de rayonnement UV. Cette alimentation doit permettre un contrôle efficace du rayonnement, grâce aux degrés de liberté apportés par le contrôle du générateur (fréquence, amplitude du courant injecté dans la lampe). Le modèle électrique de la lampe est utilisé pour prédire l'impact des caractéristiques du générateur sur le rayonnement UV produit. Une synthèse des interrupteurs de puissance du convertisseur statique permettant le contrôle du courant injecté est proposée et des solutions d'implémentation sont étudiées. Une démarche de conception en vue de l'optimisation du transformateur haute tension est proposée, notamment en ce qui concerne la valeur de ses éléments parasites. L'ensemble de ces travaux est étayé par des réalisations expérimentales.

Les disruptions sont des pertes violentes et très rapides (environ 20 ms) du confinement des plasmas de tokamak qui peuvent conduire à des endommagements de la structure du tokamak. Elles génèrent des charges thermiques sur les composants face au plasma, des forces électromagnétiques dans les structures de la machine et produisent des électrons découplés relativistes pouvant perforer l'enceinte à vide. Pour des futurs réacteurs, il sera indispensable d'amortir ces effets. L'injection massive de gaz est une des méthodes proposées dans ce but. Son étude expérimentale et numérique est l'objet de la thèse. Des expériences menées sur les tokamaks Tore Supra et JET ont montré que l'injection de gaz légers comme l'hélium empêchaient la production d'électrons découplés, au contraire des gaz plus lourds. Les gaz légers sont en effet capables d'accroître suffisamment la densité du plasma pour empêcher la création de ces électrons. En revanche, les gaz lourds permettent de dissiper par rayonnement et de façon plus bénigne une partie de l'énergie thermique du plasma. Tous les gaz diminuent les forces électromagnétiques. Des mélanges de gaz ont également été testés avec succès pour profiter des avantages des deux types de gaz. La pénétration du gaz dans le plasma semble liée à des instabilités MHD augmentant le transport radial du gaz ionisé vers le centre, mais empêchant la propagation des neutres au-delà d'une surface critique. Des simulations d'injections massives ont été réalisées avec le code 3D MHD Jorek, en y ajoutant un modèle de fluide neutre. Les résultats montrent que la croissance des instabilités MHD est plus rapide lorsque de grandes quantités de gaz sont injectées et que les surfaces rationnelles sont successivement ergodisées lors de la pénétration du front de densité dans le plasma, conformément aux observations expérimentales.

Le Milieu Interstellaire (ou MIS) joue un rôle fondamental en astrophysique, étant le point de jonction entre les échelles stellaires et galactiques. L'étude du MIS des galaxies va entrer dans une phase de grand progrès technologique, surtout relativement à sa composante moléculaire. Aujourd'hui les télescopes millimétriques à antenne unique et les interféromètres peuvent résoudre avec une résolution spatiale raisonable (<10'') les (sous)structures des nuages moléculaires présents dans les galaxies. Le futur immédiat, grâce à la construction de nouveaux instruments-essentiellement ALMA-sera caractérisé par une révolution dans le champ de l'astronomie millimétrique. Cette thèse de doctorat est dédiée à un des principaux sujets qu'ALMA pourra approfondir, le gaz moléculaire dans les galaxies extérieures, avec l'objectif d'être bien préparé à l'arrivée de ce instrument. Cette thèse étudie la physique de l'excitation collisionnelle à petite échelle, les propriétés de fragmentation, la distribution, et la cinématique du gaz moléculaire en deux galaxies proches (Messier 81 et NGC 3147) avec des observations obtenues soit avec un instrument millimétrique à antenne unique, soit avec un interféromètre. En complément à ces deux études détaillées du gaz moléculaire dans des galaxies spécifiques, cette thèse présente aussi un travail statistique et son interprétation sur les relations existantes entre les différentes composantes du MIS, obtenu en analysant un échantillon de galaxies de tout type morphologique, activité nucléaire, et type d'interaction.

Cette thèse présente le travail réalisé sur la source harmoniques du LOA à partir d'une chaine Titane-Saphir kHz. Cette étude s'inscrit dans la perspective d'observer des effets non linéaires dus à l'interaction d'un faisceau harmonique intense focalisé sur cible solide. Nous présentons l'étude de l'optimisation de cette source, qui permet de générer efficacement des harmoniques en limite d'absorption. Un cadre complet d'étude de ces conditions d'optimisation du point de vue théorique et expérimental est défini avec notamment une explication détaillée de l'importance de la diaphragmation du faisceau infrarouge. Nous montrons également comment la technique des algorithmes génétiques a été utilisé par le controle de la phase spectrale du laser de pompe. Nous concluons sur la focalisation des harmoniques.