Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Les modèles terrestres (« Earth system model » ou ESM) sont des outils mathématiques permettant la prévision du climat. L'une des composantes de ces modèles est le modèle de la surface terrestre, qui comprend les échanges d'eau, d'énergie, de quantité de mouvement et de gaz entre la surface de la Terre et l'atmosphère. Les travaux effectués dans le cadre de ce projet ont été réalisés dans le but éventuel d'améliorer la capacité des ESM à prévoir et à comprendre le climat. Le sujet a été étudié sous deux angles, soit un angle d'ingénierie et de physique environnementale. Le premier projet présenté porte sur la calibration de capteurs de gaz de CH₄ à faible coût dans le but d'évaluer leur potentiel à remplacer des instruments plus performants, mais beaucoup plus dispendieux pour la quantification des flux de CH₄ naturels. Les résultats appuient d'autres groupes ayant travaillé sur les mêmes capteurs, et démontrent qu'ils peuvent être utilisés à cet effet. Ces mesures de flux sont utilisées pour calibrer et tester les modèles de la surface terrestre. Le second projet améliore la capacité des modèles climatiques à modéliser les flux d'eau dans les plantes, afin de mieux représenter le flux de transpiration. Le nouveau modèle a été testé et permettra de bien modéliser les flux d'eau dans la végétation pour les modèles de la surface terrestre. / Earth system models (ESMs) are mathematical tools for predicting climate. One of the components of these models is the land surface model, which represents the exchange of water, energy, momentum and gases between the Earth's surface and the atmosphere. The overarching goal of this project is improving the ability of ESMs to predict and understand climate. The problem has been studied from engineering and environmental physics perspectives. The first project presented focuses on the calibration of low-cost CH₄ gas sensors, and evaluates their potential to replace more precise but highly expensive instruments for the quantification of natural CH₄ fluxes. The results demonstrate that they can be used for this purpose, in support of the conclusions of other groups who have worked on the same sensors. In the context of improving ESM predictability, the flux measurements can be used to calibrate and test land surface models. The second project improves the ability of land models to represent water fluxes in plants so as to better model the transpiration flux. The new model was tested and shows promise as a new and improved plant hydraulics land model component.

Dans un contexte de changements climatiques, des capteurs de méthane abordables, mais performants et autonomes sont requis pour surveiller les émissions et quantifier les concentrations de ce puissant gaz à effet de serre dans l’atmosphère des régions éloignées, comme les milieux nordiques. Une solution prometteuse pour répondre à ce besoin provient de la photonique sur silicium, une plateforme d’optique intégrée. Les guides d’onde intégrés sont un composant essentiel pour la détection sur puce par spectroscopie d’absorption, où ils jouent le double rôle de routage et de transducteur. Ainsi, ce projet vise à améliorer les performances du guide d’onde nécessaire à cette application. Des guides d’onde en réseaux sous-longueur d’onde(SWG) opérant en régime de lumière lente sont proposés pour améliorer l’interaction lumière matière. Leur segmentation périodique a comme effet qu’une large fraction de la lumière se propage dans l’air, le milieu d’intérêt à sonder. De plus, il est démontré que la périodicité de la structure, lorsque proche, mais inférieure à la moitié de la longueur d’onde, produit un effet de lumière lente ; c’est-à-dire que la vitesse de la lumière guidée diminue alors fortement. Leurs pertes de propagation et leurs indices de groupe sont ensuite caractérisés et comparés à des guides d’onde en ruban conventionnels à titre de référence. Bien que les guides d’onde SWG possèdent un facteur d’interaction supérieur aux guides d’onde en ruban, leurs pertes de propagation plus élevées limitent leurs performances. Les guides d’onde en ruban sont donc la meilleure option pour cette application, en plus d’être mécaniquement plus robustes et faciles à concevoir et fabriquer. Des efforts de détection sur puce avec ces derniers ont été réalisés, mais la présence de franges d’interférence est le facteur limitant malgré l’application d’une technique de traitement de signal pour les atténuer. D’autres méthodes sont proposées pour améliorer le rapport signal sur bruit. Finalement, il est démontré expérimentalement que les guides d’onde SWG peuvent supporter un régime de lumière lente. Un indice de groupe maximal de 30 est obtenu et celui-ci est aisément accordable, autant en amplitude qu’en position spectrale, ouvrant la voie à diverses autres applications pour ce type de guide d’onde. / In the context of climate change, affordable, but effective and autonomous methane sensors are required to monitor the emissions and the concentration of this potent greenhouse gas in the atmosphere of remote areas, like in northern environments. A promising solution to this need comes from silicon photonics, an integrated optics platform. Integrated waveguides are an essential component for on-chip detection by absorption spectroscopy, where they play the dual role of routing and transducer. Thus, this project aims at improving the performance of the waveguide for this application. The use of slow-light subwavelength grating waveguides (SWG) is proposed to enhance the light-matter interaction. Their periodic segmentation has the effect that a large fraction of the light is propagating through the air, the medium of interest to probe. In addition, we show that the periodicity of the structure, when close but less than half the wavelength, produces the slow-light effect; i.e. the speed of guided light drops sharply. Their propagation losses and their group index are then characterized and compared to conventional strip waveguides for reference. Although the SWG waveguides have an interaction factor greater than strip waveguides, their higher propagation loss limit their performances. Strip waveguides are therefore chosen for further investigation for the sensor application., in addition to being mechanically robust, and easier to design and fabricate. Efforts for on-chip detection of methane have been made with strip waveguides, but the presence of interference fringes is the limiting factor despite the application of a signal processing technique to mitigate them. Other methods are proposed to improve the signal to noise ratio. Finally, we experimentally show that SWG waveguides can support a slow-light regime. A maximum group index of 30 is obtained and it is easily tunable, in both amplitude or wavelength, paving the way for various other applications for this type of waveguide.

L'effet de la pollution atmosphérique se fait de plus en plus ressentir de nos jours. Plusieurs études font valoir la nécessité de développer des techniques de mesures et de simulations pour la surveillance continue de son évolution dans l'atmosphère. La modélisation numérique est de plus en plus utilisée pour estimer la dispersion des nuages de polluants dans le temps et dans l'espace. Elle présente a priori des avantages certains par rapport aux techniques physiques que sont les essais in situ ou à échelle réduite. La présente étude consiste en une modélisation inverse des concentrations de CO₂ obtenues à l'été 2007 par la mesure en continu sur le site de Lethbridge, Alberta (Fluxnet Canada). Cette première étape dite de "calage de modèle" a permis ainsi d'optimiser les paramètres d'entrée du modèle de chimie-transport. Il a ainsi été possible de s'assurer de la qualité et de la reproductibilité des simulations par rapport aux observations. L'écart relatif maximal (de l'ordre de 12,3 %) entre simulations et observations sur le site (mai-août 2007) démontrent la bonne qualité des données d'entrée du modèle. Nos résultats ont montré également la grande influence des vents sur ce site dans la dispersion atmosphérique des polluants. Les vents de l'ordre de 44 km/h dispersent les polluants (ici le CO₂), tandis que ceux de l'ordre de 7 km/h favorisent l'accumulation des polluants sur le site de mesure. Dans une seconde étape, les concentrations de CO₂ et de CH₄ mesurées sur le champ expérimental de culture de l'Université Laval au cours de l'été 2005, grâce au dispositif conçu au LP AM (Laboratoire de physique atomique et moléculaire, Département de physique de génie physique et d'optique, Université Laval), ont été calculées grâce à nos codes (TRANSCHIM). Une erreur relative maximale de ~7 % pour le CH₄ et de ~2 % pour le CO₂ ont été observées entre les mesures et les simulations. Une fois de plus la grande influence du vent sur la dispersion atmosphérique des polluants a été mise en évidence. Les indicateurs statistiques, choisis pour déterminer la qualité des résultats dans cette deuxième étape, ont été généralement meilleurs malgré certaines données qui semblaient parfois physiquement irréalistes. Néanmoins le but de jeter les jalons d'une recherche combinée de mesures expérimentales et de simulations numériques conduisant à des résultats convergents a été atteint.

En collaboration avec Hydro-Québec à l'origine, notre laboratoire a développé un système de détection quantitative permettant de déterminer simultanément et en temps réel la concentration et le flux du C02 et du CH4. Les mesures de concentration sont effectuées par absorption infrarouge sur un parcours ouvert, jusqu'à environ 2000 mètres aller-retour, au-dessus de la surface émettrice au moyen de diodes lasers accordables. Les mesures sont effectuées à deux hauteurs séparées. Des concentrations de l'ordre d'une partie par million (ppm) pour le C02 et de 0,01 ppm pour le CH4 peuvent être mesurées selon la longueur du parcours et les conditions météorologiques. Les flux sont calculés à l'aide d'un modèle de diffusion simplifié qui utilise les données météorologiques provenant d'une station portable. Ce travail décrit le système d'origine et met l'emphase sur les transformations qui ont été réalisées dans le but d'optimiser son utilisation.