L'objectif de cette thèse est de comprendre les processus de couplage entre la turbulence et la matière particulaire (sédiments en suspension et phytoplancton). La première partie de la thèse porte sur des mesures in situ effectuées sous différentes situations météorologiques. Nous avons considéré le coefficient d'atténuation, indicateur de la concentration totale de particules in situ, et le spectre de tailles des particules in situ (particle size distribution - PSD). Cette étude a montré que la dynamique de la PSD est contrôlée par plusieurs paramètres océanographiques, tels que les courants de marée, les vagues et la turbulence. Nous avons également étudié les caractéristiques multifractales de ces PSD pour diverses classes de taille (limon, sable fin, sable grossier, particules macro). Pour cela, nous avons utilisé la décomposition modale empirique avec avec l'analyse spectrale de Hilbert. La deuxième partie de la thèse porte sur l'analyse multi-échelle d'images couleur de l'océan et SST (sea surface temperature). L'hétérogénéité spatiale des scalaires océaniques sous l'influence de la turbulence est considérée à multi-échelles. Cette méthode fonctionne également avec des images ayant des données manquantes. Cette méthodologie a été appliquée à des images réelles de Chl-a, SST, Rrs-443 et Rrs-555 en utilisant les fonctions de structure 2D. Il est possible de caractériser, pour toutes les échelles spatiales, les hétérogénéités et intermittences des champs scalaires étudiés, à l'aide de quelques paramètres (deux paramètres dans le cadre de l'approximation log-normale). Les valeurs de ces paramètres, pour sept endroits différents du globe, sont examinés et comparés. / The objective of this thesis is to understand the coupling processes between turbulence and particulate matter (suspended sediment and phytoplankton). The first part of the thesis is on in situ measurements performed under different meteorological situations. We selected the attenuation coefficient as a proxy for the total concentration of particles and in situ measurement of particle size distribution (PSD) spectrum. This study showed that the dynamics of the PSD is controlled by many oceanographic parameters such as tidal currents, waves and turbulence. We also studied the multifractal characteristics of these PSD for various size classes (silt, fine, coarse and macro particles). For that, we used Empirical Mode of Decomposition along with the Hilbert Spectral Analysis. The second part of the thesis focuses on the multi-scale analysis of satellite ocean colour and SST images. The spatial heterogeneity of oceanic scalars (phytoplankton and sea surface temperature) under the turbulence influence is considered at different scales. This method also works with images having missing data. Finally, this methodology using 2D structure functions, was applied to real images of Chl-a, SST, Rrs-443 and Rrs-555. It is possible to characterize, for all spatial scales and all intensities, the heterogeneities and intermittencies of the studied scalar fields, using a few parameters (2 parameters in the framework of the lognormal approximation). The values of these parameters, for 7 different locations, are discussed and compared.

Ce travail de thèse portant sur la caractérisation chimique de la matière organique présente dans les particules fines atmosphériques s’est articulé autour de deux axes : (i) le développement de méthodes analytiques permettant l’identification et la quantification de familles de composés : acides mono- et di-alcanoïques à longue chaîne, hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et leurs dérivés nitrés et oxygénés ;(ii) l’étude des artéfacts éventuels lors du prélèvement par filtration des HAP particulaires sous conditions contrôlées.Les analyses ont été réalisées par chromatographie liquide couplée à un détecteur UV et un fluorimètre dans le cas des HAP, et à un spectromètre de masse à temps de vol pour les autres espèces. L’extraction par fluide pressurisé a été optimisée à l’aide de plans d’expériences. Les méthodes ont été validées sur des matrices complexes (matériaux de référence et/ou particules réelles). Les niveaux de concentrations ont pu être suivis sur des échantillons collectés sur un site urbain de fond à Douai et des variations saisonnières pour un certain nombre de composés ont été observées, en cohérence avec la littérature.Les artéfacts de désorption et de réactivité vis à vis de polluants atmosphériques (O3, NO2) de HAP adsorbés sur des particules réelles ont été étudiés au sein d’un dispositif expérimental développé au laboratoire simulant un prélèvement par filtration. L’ampleur et la variabilité de ces artéfacts en fonction des conditions environnementales (température, humidité relative) et de la concentration en polluants ont été mesurées. / This thesis – dealing with the chemical characterization of organic matter in fine atmospheric particles – consisted of the two following objectives: (i) the development of analytical methods to identify and quantify some organic compounds: long-chain mono- and dialkanoic acids, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and their nitrated and oxygenated derivatives;(ii) the study of possible sampling artefacts while collecting particulate PAHs on filters under controlled conditions.The analyses were carried out by liquid chromatography coupled to a UV detector and a fluorimeter for PAHs, and a time-of-flight mass spectrometer for the other species. Pressurized liquid extraction methods were optimized using experimental design. The proposed methods were validated on complex matrices (standard reference materials and/or real samples). Concentration levels could be monitored for particles collected in an urban background site in Douai and seasonal trends consistent with literature data have been observed.Sampling artefacts linked to desorption and reactivity towards atmospheric pollutants (O3, NO2) for particulate PAHs present in real samples have been investigated using an experimental device to simulate filter sampling. The magnitude and the variability of these artefacts have been measured as a function of environmental conditions (temperature, relative humidity) and pollutant concentrations.

pas de résumé

Les développements récents dans le domaine des technologies laser ont ouvert d'intéressantes perspectives en ce qui concerne l'étude de molécules en champ électromagnétique intense. Du point de vue de la théorie, seule la molécule la plus simple H₂ et son ion H₂⁺ ont été abondamment étudiés. Expérimentalement, il est cependant malaisé d'exposer un ion moléculaire à un champ laser intense et en particulier, d'en connaître et d'en contrôler l'état vibrationnel de départ. Un montage expérimental nous a permis de déterminer l'excitation vibrationnelle accompagnant l'ionisation de H₂ par impulsions brèves et intenses. Les résultats montrent une excitation beaucoup plus faible que celle supposée pendant plus de dix ans. Cette étude a démontré qu'il est possible de produire en abondance des ions moléculaires dans un état d'excitation vibrationnelle et rotationnelle bien précis grâce à une résonance avec un état intermédiaire à fort caractère de Rydberg. Des expériences nécessitant la sélection du niveau vibrationnel initial de l'ion sont alors réalisables. Nous avons ainsi pu mesurer, en injectant dans l'anneau de stockage TSR de Heidelberg les paquets d'ions produits par notre laser nanoseconde accordable, la section efficace de recombinaison dissociative et d'excitation dissociative de H₂⁺, dans les états quantiques v⁺=0 et 1, N⁺=1, 2 et 3, et d'en observer la désexcitation vibrationnelle par collision avec des électrons lents. Ces données sont du plus grand intérêt car elles peuvent être directement comparées à la théorie sans faire intervenir de moyenne thermodynamique. Nous pouvons aussi nous intéresser au comportement d'ions parfaitement caractérisés du point de vue de leur état quantique en présence d'un champ laser bref et intense, voire d'une séquence d'impulsions. Les expériences réalisées jusqu'ici ne concernent que des ions préparés par impact électronique dans une distribution vibrationnelle de type Franck-Condon. Seuls les effets dus aux niveaux élevés ont pu être mis en évidence, ce qui pourra être évité en produisant sélectivement H₂⁺ dans les niveaux de vibration v⁺=0 ou 1. Des résultats préliminaires ont été obtenus, et une technique de piégeage a été élaborée pour pouvoir réaliser de telles expériences dans l'avenir, combinant des lasers dont le taux de répétition diffère de plusieurs ordres de grandeur.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Cette thèse s'inscrit dans une approche résolument pluridisciplinaire, centrée sur l'étude biogéochimique des cycles d'éléments majeurs - éléments en trace dans les eaux contrôlées par l'activité des microorganismes (piégeage/rélargage par la biomasse ou dégradation de la matière organique dissoute et particulaire). Le caractère innovant de ?ette thèse réside dans l'étude, pour la première fois, de l'impact de l'activité microbienne (minéralisation aerobiques par les bactéries typiques des sols, Pseudomonas) sur les cycles biogéochimiques des éléments grâce à la mise en oeuvre en parallèle d'outils géochimiques, physicochimiques et microbiologiques. Cette étude simultanée des cycles biogéochimiques des éléments et des paramètres d'activité biologique nous permettra de prédire les réponses des systèmes naturels aux changements climatiques et aux interventions humaines (sous forme de pollution organique ou métallique). Les études de terrain ont été accompagnés par des étude plus detaillés en laboratoire des mécanismes réactionnels. Dans le cadre de ce travail, mes efforts ont été consacrés à l'étude physicochimique des processus via la modélisation expérimentale de la dégradation de la matière organique des extraits du sol. Et des recherches des relations quantitatives entre la dégradation de la matière organique par les bactéries hétérotrophes Pseudomonas et les cycles des éléments associés. / Multidisciplinary approach for the study of the biogeochemical cycles of the main elements in soils and waters controlled by the activity of microorganisms (by uptake/release of cells or in the process of degradation of dissolved organic matter) was used in the thesis. The innovation of this work is to study the effect of microbial activity (soil typical aerobic bacteria Pseudomonas) on the biogeochemical cycles of elements due to take place geochemical, physical, chemical and microbiological processes. The simultaneous study of the biogeochemical cycles of elements and parameters of biological activity will allow us to predict the response of natural systems to climate change and human-induced disturbance (organic or metallic contamination). Field studies were accompanied by detailed laboratory studies of the reaction mechanisms. The thesis considers to the study of physical and chemical processes using of experimental modeling of the degradation of organic matter in soil extracts and to the study of the quantitative relation between the degradation of organic matter by heterotrophic bacteria Pseudomonas and cycles elements.

NIL

L'expérience EDELWEISS a pour but de détecter des WIMPs, particules massives faiblement interactives, qui pourraient composer la matière noire de l'univers. Elle mesure l'énergie libérée lors de la collision élastique d'un WIMP sur un noyau de matière ordinaire. Du fait de sa très faible section efficace d'interaction, qui conduit à un taux d'évènement extrêmement bas (< 1 evt/kg/an), et du fait du faible dépôt d'énergie (< 100 keV), le signal de recul nucléaire des WIMPs peut être imité par des neutrons de la radioactivité ambiante ou induits par des muons. Cette thèse est dédiée à l'étude du bruit de fond induit par les muons. Les performances du véto muon de l'expérience EDELWEISS-II sont présentées et la détection des muons et de leur gerbes discutés. Les premières coïncidences entre le véto muon et les bolomètres ont été réalisées sur deux prises de données de 4 mois de 2007 et 2008 et conduisent à un résultat de 0.043±0.015 coinc/kg/j pour une énergie de recul de ER<250 keV.

Les études récentes ont montré qu'il y aurait une forte influence de la matière organique dissoute (MOD) sur la dynamique des écosystèmes aquatiques. En particulier, certaines catégories de MOD ont des propriétés antialgues, susceptibles de réduire la biomasse des espèces de cyanobactéries. Nous avons testé les effets de différentes catégories de matières organiques dissoutes, ainsi que leurs interactions avec la lumière et les nutriments, sur la composition des communautés de phytoplancton lors d'incubations in situ (7 jours). La composition initiale en phytoplancton et les caractéristiques de la matière organique dissoute ont été des facteurs déterminants pour les modifications de la structure des communautés de phytoplancton, lors des incubations. Les résultats de notre étude montrent que la croissance du phytoplancton était fortement dépendante de la disponibilité en nutriments dans la baie Missisquoi en 2007, et que les concentrés d'extrait d'orge et de matière organique naturelle peuvent inhiber la croissance du phytoplancton, particulièrement des espèces de cyanobactéries. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Matière organique dissoute (MOD), Cyanobactérie, Phytoplancton, Incubations, Lac Champlain.

In this thesis, we have dealt with the description of optical properties of materials, with a particular interest in bulk materials. The state-of-the-art of first principle calculations of optical absorption of solids has been represented, up to recently, by the Bethe-Salpeter equation (BSE) approach. The results one can achieve within BSE are in good agreement with experiments and, moreover, the range of applicability of BSE goes well beyond the solids. Absorption spectra of atoms, molecules, clusters or surfaces are usually well described by the Bethe-Salpeter approach. The heaviness of the calculations involved, however, prevents a large-scale application to more complex systems, that are the systems of great interest in material science like, e.g., quantum dots, multi-wall nanotubes, biological molecules or defects in solids. The most prominent alternative to the Bethe-Salpeter approach is the Time Dependent Density Functional Theory, which is density-based and, therefore, could in principle lead to simpler calculations. A widely used approximation to the TDDFT is the adiabatic local density approximation (ALDA). Despite its (partial) success in finite systems the ALDA has led to poor results in the description of optical absorption of solids. The search for an efficient description of optical spectra of solids in TDDFT has become, hence, one of the major problems related to the optical response of a material. In this thesis new inroads have been made in the comprehension of the optical response of a material. Starting from a joint analysis of the BSE approach and the TDDFT framework, it has been possible to calculate the optical spectra of solids, semiconductors and insulators, with the inclusion of the excitonic effects, without solving the BSE but obtaining results of the same precision. To do so, we have derived, or re-derived in a more general way, the most relevant formulas, and implemented them in existing computer codes.7 In order to increase the efficiency and the stability of the calculations, the codes have also been optimized, and, in particular, a linear solver technique has been implemented to avoid all matrix inversions. A large number of calculations for a detailed analysis of the models used and for all hypotheses made, had then to be performed. Finally we have illustrated our findings for bulk silicon, silicon carbide, and solid argon. More in detail, after the theoretical framework, presented in chapters 1-4, • In chapter 5 we have recalled the fact that TDDFT and BSE have the same mathematical structure, and that the response function in both approaches can be written as S = S0 + S0KS whose solution gives the searched absorption or energy loss spectrum. The link between the response of an independent particle (or quasi-particle) system S0 and the full response S is given by the kernel K in this Dyson-like screening equation. The kernel K contains the Coulomb interaction v, which is common to both TDDFT and BSE, and the exchange-correlation (in TDDFT) or electron-hole (BSE) contribution, which is instead different in the two approaches. • The role of the Coulomb potential v has been elucidated in chapter 6. We have discussed its long-range component v0, which is responsible for the difference between the absorption and the electron energy loss spectra in solids. To further illustrate this result, we have shown, analytically and numerically that, in the limit of an isolated system, where the long-range component of the Coulomb interaction is negligible, the absorption and the electron energy-loss (at vanishing momentum transfer) spectra are the same. The microscopic components of the Coulomb interaction, instead, are responsible for the local field effects. • We have then addressed the second term of the kernel K, namely the exchangecorrelation kernel fxc (in TDDFT). The study made in chapter 7 has allowed us to show that simple static approximations for the exchange-correlation kernel fxc can yield spectra of semiconductors and insulators in qualitative agreement with the experiments. • In chapter 8 we have generalized a previously proposed, but never tested, expression for an exchange-correlation kernel fxc, within the time dependent density functional theory framework, which is fully ab initio and parameter-free. We have also investigated the different contributions to the kernel and found out how and when the generalized kernel 0fxc0 works in principle. • In chapter 9 the kernel here developed is applied and tested for two semiconductors, namely bulk silicon and silicon carbide, while • in chapter 10 the kernel is tested for an insulator, taking solid argon as an example. In both semiconductors and insulators the results of the TDDFT (using the kernel developed in chapter 8) and those of BSE are almost indistinguishable. We have hence contributed to the solution of the long-standing problem of how to calculate the absorption spectra of solids, in the framework of TDDFT, without solving the BSE. To have dealt with this problem, has allowed us to address, answer or simply illustrate several questions: ! classical Coulomb (Hartree) contributions play an important role in electronic spectra, and it is worthwhile to discuss their effects before addressing the problems of exchange and correlation. Their short-range and long-range parts are crucial for understanding the link between absorption and energy loss, and the transition between finite and infinite systems. ! satisfactory optical spectra of semiconductors and insulators can be obtained by using very simple models for the electron-hole interaction (in BSE) or for the exchangecorrelation kernel (in TDDFT); these models, of course, depend on parameters that one has to adjust to fit the experiment. However the computational complexity of these calculations is that of the RPA, and one might try to find ways to determine these parameters from first principles; ! to obtain an exchange-correlation kernel from the BSE is not straightforward. However, apart from some counter examples, discussed in chapter 8, in most cases an approximate mapping from one theory (the BSE) to the other (the TDDFT) is possible. A first consequence of the existing difficulties is that the resulting fxc kernel can suffer of convergence problem (requiring a lot of G-vectors or presenting strong fluctuations in frequency). There can also be several possible approximate mappings: an example is reported in chapter 7 where two exchange-correlations kernels, a long-range and an ultra short-range one, give similar (good) results. These two kernels are derived starting from the same model (the contact exciton model) within the BSE; ! an important finding, following the discussions of chapter 8, is that the key quantity of the theory is not the kernel fxc, but fxc multiplied by a response function; ! finally, we are now able to obtain very good results for the optical spectra of solids, well describing both the continuum and bound excitons, within a parameter-free TDDFT framework. Future Developments The thesis focused on the description of optical spectra of solids, in the appealing framework of TDDFT. However the concepts and approaches here developed have to be ex-tended in order to improve their applicability and “workability”. Concerning the latter, we will have to search for the most convenient algorithm to numerically evaluate the proposed expressions. We also plan to take advantage of the fact that, in our formulation, k-points are simply summed over, instead of being the indices of matrices that have to be inverted or diagonalized. Concerning the applications, a short term perspective is to apply the method to the description of the electron energy loss spectra, for which the resonant and anti-resonant part of the response function have to be taken into account. We also plan to study finite systems. Moreover the introduction of the spin degree of freedom could allow to enlarge the target of our study, towards polarised systems, both finite and infinite, also subject to magnetic fields.