Ce mémoire présente un nouvel algorithme de compression de fibres développé spécifiquement pour la tractographie. Validé et testé sur un large éventail d’algorithmes et de paramètres de tractographie, celui-ci présente trois grandes étapes : la linéarisation, la quantization ainsi que l’encodage. Les concepts clés de l’imagerie par résonance magnétique de diffusion (IRMd) et de la compression sont également introduits afin de faciliter la compréhension du lecteur.

Notre objectif est de développer un nouvel outil d'étude des dynamiques spatiales et temporelles des paléovégétations. Le point de départ de cette démarche est le constat que l'analyse des archives naturelles, sédimentologiques ou pédologiques, comporte des limites ne permettant pas toujours d'aborder à l'échelle locale les dynamiques séculaires ou millénaires des unités paysagères. Notre travail consiste à mettre au point une méthode d'étude des archives pédologiques fondée sur les principes de la spectroscopie proche infrarouge (SPIR). La SPIR mesure l'absorbance d'un matériau sur la bande spectrale 1100-2500 nm. Le spectre obtenu discrimine de nombreux constituants de ce matériau. Il donne entre autres une «empreinte digitale » des matières organiques. De ce fait, il est utilisé depuis longtemps dans de nombreux secteurs industriels. En pédologie, il a surtout été utilisé pour quantifier les constituants du sol. Or, la nature des matières organiques des sols est liée aux types de végétaux et végétations présents et passés. Nous testons donc une approche qualitative, qui consiste à associer le spectre d'un échantillon de sol à un type de végétation. La démarche de mise au point s'articule en trois étapes. La première consiste à mesurer le spectre de matières organiques dont l'origine est connue. Nous analysons des échantillons de surface de sols dont l'histoire de la végétation est connue sur une période de 150 ans au moins. Une vaste gamme de formations végétales et de types de sols sont représentés dans le référentiel spectral. La séparation entre les sols sous prairies et sous forêts est très nette. Des distinctions plus fines entre différentes formations forestières sont également observées. Dans la seconde étape, nous vérifions le potentiel de la méthode sur des matières organiques anciennes conservées dans les horizons profonds. Sur les profils étudiés, la connaissance des paléovégétations à l'échelle du millénaire est fournie par des méthodes paléoécologiques classiques. Nous distinguons les schémas d'évolution avec une grande stabilité de la végétation, des schémas présentant un ou plusieurs changements de végétation. La confrontation des spectres d'horizons profonds avec le référentiel de surface permet de retracer des scénarios qui sont calés chronologiquement grâce à l'apport de la modélisation du turnover des matières organiques. Dans la troisième étape, nous examinons des paléosols. Leur signature spectrale nous indique la nature du couvert végétal avant l'enfouissement du paléosol. Pour le moment, ces derniers résultats sont à nuancer compte tenu du peu de données paléoécologiques complémentaires. Les résultats révèlent un potentiel important de la SPIR dans l'étude des paléovégétations aux échelles locales. Des schémas d'évolutions proposés pour plusieurs des sites étudiés confortent des résultats existants ou apportent de nouveaux éléments pour l'étude des paléovégétations en relation avec l'occupation humaine en Alsace au cours de l'Holocène. Cependant, les investigations méthodologiques devront se poursuivre vers un élargissement du référentiel de surface, du point de vue écosystémique et du point de vue géographique. Les référentiels d'horizons profonds et de paléosols devront également être consolidés par d'autres études paléoécologiques. Ce travail ouvre également des perspectives sur d'autres applications comme le traçage des matières terrigènes dans les cours d'eau.

Trois dispositifs expérimentaux (cylindres accolés, salage à sec, cellule de séchage) ont été utilisés pour générer des profils de teneurs en eau et en chlorure de sodium (NaCl) dans des gels (gélatine, mélanges amidon/gélatine) à 10 et 20 °C. Ces profils ont été mesurés par analyses chimiques après découpe de tranches de gel d'épaisseurs 1 et 5 mm. Dans le cas du séchage, un dispositif original a permis de maintenir la température du gel constante et de faire varier la densité de flux d'eau évaporée de 0,00003 à 0,0003 kg d'eau par mètre carré et par seconde. Dans cette gamme, aucun effet d'entraînement du sel par l'eau n'a pu être mise en évidence. Les diffusivités apparentes ont été estimées soit en appliquant un traitement direct aux profils mesurés soit par identification avec un modèle de transfert couplé eau-sel qui tient compte de la rétraction du gel. Le traitement direct ne nécessite aucune hypothèse sur la forme de la relation D=f(X) ; il peut être appliqué à des profils constitués d'un nombre limité de mesures - environ 10 - grâce à un lissage par un réseau de neurones. Les deux méthodes ont fourni des estimations concordantes des diffusivités apparentes de l'eau et des chlorures. Elles ne dépendent ni de la force du gel (Bloom) ni de la composition du gel anhydre (ratio amidon/gélatine). Celle des chlorures est relativement constante et inférieure à la diffusivité mutuelle sel-eau. Celle de l'eau dépend de la teneur en eau initiale du gel, diminue avec la diminution de la teneur en eau en déshydratation mais augmente en réhydratation. L'ajout du chlorure de sodium provoque une augmentation de la diffusivité apparente de l'eau d'un facteur 10.

Cette thèse avait pour objectif d'évaluer l'impact de la friture profonde sur la teneur en micronutriments du plantain (Musa AAB « barraganete ») et de mieux comprendre les mécanismes impliqués. Les interactions complexes des mécanismes de transfert de matière et de chaleur ainsi que les réactions impliquant les micronutriments ont été étudiées en fonction de la température et du temps d'immersion dans le bain d'huile. Les deux produits étudiés sont élaborés à base de plantain et traditionnellement consommés en Amérique Latine : des produits type frite (tajadas, corps épais) et des produits type chips (tostones, corps mince). Des marqueurs nutritionnels hydrosolubles (acide L-ascorbique, potassium) ou liposolubles (α-carotène, β-carotène) ont été suivis au cours de la friture. Des techniques analytiques ont été développées pour la matrice amylacée et gélatinisée (riche en huile). Les mesures en ligne de la teneur en eau et du champ de température ont permis de caractériser les comportements des produits au cours de la friture. Généralement, lors de la friture, le potassium est retenu tandis que l'acide L-ascorbique et les caroténoïdes diminuent, dans certains cas, de manière significative. Les paramètres cinétiques (Ea et k₀) de dégradation de l'acide L-ascorbique et des caroténoïdes ont été déterminés en supposant une loi de dégradation d'ordre 1. L'ensemble de l'information constituée par l'historique thermo-hydrique des produits et l'évolution des micronutriments du plantain a permis de concevoir un outil original de simulation qui aide à la compréhension des mécanismes responsables des pertes lors de la friture. Le devenir des micronutriments apparaît donc comme une conséquence des histoires thermo-hydriques respectives de la croûte et du cœur du plantain pilotées essentiellement par la dynamique de transfert d'énergie au cours de l'élaboration des tajadas et des tostones. Des recommandations ont pu être formulées pour limiter les pertes en micronutriments lors de l'opération de friture.

Les mouvements collectifs observés dans la nature, tels les nuées d'étourneaux ou les bancs de poissons, peuvent être décrits dans le cadre d'un nouveau type de matière condensée fondamentalement hors d'équilibre : la matière active polaire. Elle est constituée de particules, dites polaires, capables d'utiliser de l'énergie qu'on leur injecte pour se mouvoir dans une direction propre. Nous avons réalisé un système bidimensionnel de disques polaires soumis à une vibration homogène qui n'interagissent que par contact. Ces disques se comportent comme des marcheurs aléatoires, dont les trajectoires présentent une longueur de persistance grande devant leur taille et contrôlée par les fluctuations angulaires de la polarité des disques. Les modes d'alignement résultant du couplage entre la persistance du mouvement et l'interaction de coeur dur entre les particules sont complexes. En particulier, nous observons que seules 10% des collisions se traduisent par un alignement effectif de type ferromagnétique. Pourtant, nous observons l'émergence de mouvements collectifs spontanés au sein du système caractérisés par des fluctuations géantes de densité. Ces résultats montrent la robustesse de l'ordre polaire observé dans les modèles théoriques et numériques de la matière active polaire 2D sur substrat.

Afin de gérer au mieux le pilotage des unités d'ozonation lors de la potabilisation des eaux, un modèle prédictif a été développé. L'objectif du modèle était de pouvoir prédire, sur une installation industrielle, les concentrations en ozone, en bromates et en différents micropolluants. Le modèle chimique proposé est mécanistique et peut être subdivisé en plusieurs parties : auto-décomposition de l'ozone, influence de l'alcalinité, formation de bromates, influence de la MON (Matière Organique Naturelle). Le modèle d'influence de la MON comporte 12 paramètres ajustables, le modèle pour la formation des bromates comporte un paramètre ajustable, les valeurs des autres paramètres sont fixées d'après la littérature. Le modèle hydraulique est de type systémique et comprend des réacteurs idéaux (parfaitement agités et piston). L'identifiabilité du jeu de paramètres a été conduite par une analyse de sensibilité (eFAST). La procédure d'optimisation par méthode de Nelder-Mead a été testée. Le modèle proposé permet de rendre bien compte des variations de temps de contact avec l'ozone, de pH, de température, de concentration de MON, de doses d'ozone sur la décomposition de l'ozone et la génération de radicaux. Les essais sur la formation de bromates ont montré que le modèle donne de bons résultats pour des concentrations inférieures à 20 μg.L-1, ce qui est particulièrement intéressant dans le cas d'une application industrielle. Enfin, une étude sur une unité industrielle a montré que des modèles calibrés en laboratoire (chimie, hydraulique) peuvent être appliqués directement sur site. Le modèle de formation des bromates est néanmoins instable dans le temps et doit être périodiquement réajusté.

A partir de la fin des années 1960, la fermeture des milieux consécutive à la déprise agricole a favorisé la recrudescence des grands feux, et au plan local, a augmenté la fréquence des incendies. Les objectifs de la thèse étaient d'évaluer les effets des incendies récurrents sur la capacité de résilience des propriétés microbiennes des sols, d'identifier les principaux facteurs impliqués dans la résilience microbienne et d'évaluer l'efficacité d'apports de composts pour favoriser la restauration de la qualité chimique et microbiologique des sols. Les dynamiques de retour à court et long terme des activités de minéralisation du C et du N, des activité enzymatiques et de la diversité catabolique des communautés microbiennes, ainsi que leur stabilité à des stress hydriques supplémentaires, ont été évaluées sous des régimes d'incendie fréquents et peu fréquents. La matière organique (MO) a été caractérisée par les techniques IRTF et RMN CPMAS du 13C. Les effets d'un apport de composts de boues d'épuration urbaines et de déchets verts sur la qualité des sols ont été étudiés in-situ sur des sols fréquemment incendiés en croisant 3 niveaux de maturité (3 semaines, 3 mois et 9 mois) et 3 temps depuis le dernier feu (10 mois, 5 ans et 18 ans). Les résultats ont montré que les incendies répétés accélèrent le retour après le feu de la nitrification nette et des profils cataboliques mais affectent durablement la plupart des autres fonctions microbiennes. L'activité respiratoire des sols récemment incendiés s'est avérée plus résistante aux stress hydriques mais également moins résiliente lorsque les feux sont récurrents. Les résultats démontrent le rôle limitant de l'évolution de la MO, en particulier de son degré d'aromaticité, sur la dynamique de retour des fonctions microbiennes après les feux et leur résilience aux stress. L'apport des composts sur les sols fréquemment incendiés est une solution efficace pour restaurer la qualité des sols mais nécessite de sélectionner une maturité adaptée à l'histoire contemporaine d'incendie.

La génération d'harmoniques d'ordre élevé en milieu gazeux est un phénomène décrit par un modèle à trois étapes: sous l'effet d'un champ laser intense, un atome (ou une molécule) est ionisé par effet tunnel. L'électron éjecté est par la suite accéléré dans le champ laser, avant de se recombiner sur son ion parent en émettant un photon XUV. D'abord utilisée dans le but de développer des sources de rayonnement secondaire dans le domaine XUV, la génération d'harmoniques d'ordre élevé est également un bon candidat pour sonder la structure électronique des atomes ou des molécules, avec une résolution potentielle de l'ordre de l'attoseconde dans le domaine temporel (1 as=10-18 s) et sub-nanométrique dans le domaine spatial. Au cours des travaux réalisés pendant cette thèse, nous avons étudié la sensibilité des caractéristiques du rayonnement harmonique (amplitude, état de polarisation, phase) à la structure électronique du milieu de génération. Ces études ont été menées tout d'abord dans un milieu atomique couramment utilisé en génération d'harmonique, l'argon, puis dans des milieux moléculaires (N2, CO2, O2). La confrontation de ces mesures avec différentes simulations numériques montre la nécessité de modéliser de façon détaillée le processus de génération, dépassant certaines hypothèses généralement admises. Nous avons également montré la possibilité d'utiliser la spectroscopie d'harmoniques d'ordre élevé afin de mesurer des dynamiques moléculaires de systèmes complexes (notamment le dioxyde d'azote NO2), pour lesquelles les mesures harmoniques peuvent obtenir des résultats complémentaires aux autres techniques couramment utilisées. Dans le cas d'excitations moléculaires peu efficaces, nous avons pu adapter des techniques de spectroscopie optique conventionnelle au domaine spectral des harmoniques d'ordre élevé, améliorant de manière significative le rapport signal/bruit.

Dans les cours d'eau forestiers, la décomposition des litières végétales constitue un processus écologique fondamental. Ce processus sous l'effet des contraintes abiotiques de la zone hyporhéique (ZH) de ces cours d'eau, ainsi que la quantification de la dynamique des invertébrés et des champignons décomposeurs associés ont été étudiés, le tout inséré dans une vision intégrative à l'échelle de l'écosystème. Les résultats suggèrent de réexaminer le fonctionnement écologique de ces cours d'eau, uniquement basé sur la compréhension des relations trophiques et aux flux de carbone liés à la décomposition des litières situé à la surface du sédiment, en y intégrant la dimension verticale conceptualisée par les "hyporhéologistes". Ces résultats conduisent à repenser la dynamique et le rôle des hyphomycètes aquatiques à une échelle plus large que celle de la colonne d'eau uniquement, et mettent en évidence l'importance de la ZH qui à cet égard restait jusqu'à présent en grande partie négligée.

La formation de cristaux dans la phase dispersée d'une émulsion huile-dans-eau fait apparaître des irrégularités ou aspérités aux interfaces pouvant entraîner des modifications rhéologiques spectaculaires comme le passage d'un état fluide à un état solide. Nous montrons que la gélification des émulsions par voie thermique peut être attribuée à deux mécanismes : la coalescence partielle, qui permet grâce aux cristaux interfaciaux deformer des liens irréversibles entre gouttes, et le «jamming » qui est un phénomène de blocage dû aux aspérités empêchant le mouvement relatif des surfaces au contact. Sur des systèmes modèles, nous établissons que les mécanismes et les cinétiques de gélification sont contrôlés par la proportion d'huile cristallisée, le diamètre moyen des gouttes et la composition de l'interface. Nous montrons en particulier que la coalescence partielle peut être décrite comme un processus de percolation nécessitant des contacts de type « solide contre liquide » entre les gouttes. Nous montrons ensuite que la mise en écoulement des émulsions ou des gels peut conduire à deux situations limites : la séparation macroscopique des phases (ou barattage) ou bien la persistance d'un gel de plus faible connectivité. Nous étudions l'influence des paramètres qui sont à l'origine de cette évolution topologique. La variété des états accessibles rend ces matériaux très attractifs pour les secteurs de la cosmétique et l'agroalimentaire.