Les grands ports de marchandises sont généralement proches de zones urbaines très peuplées et de zones industrielles comportant des raffineries de pétrole, des complexes métallurgiques, des cimenteries, et des transports par rail, par route et par mer. Ces activités font des domaines portuaires des sources très importantes de pollution de l'air. Les mesures de concentrations de NO_x, SO₂, O₃ et des constituants chimiques de la matière particulaire (PM) ont été effectuées en 2005 et 2006 dans l'agglomération du port de Dunkerque dans le cadre de l'Institut IRENI. Dans des conditions de dépression atmosphérique, les vents dominants préservent l'air de la zone urbaine des émissions de la zone d'activité. Par contre dans des conditions anticycloniques, la faible dispersion ainsi que les phénomènes de brise de mer concentrent les émissions locales. Les analyses chimiques effectuées sur des échantillons de PM prélevées en fonction du diamètre aérodynamique (D_a) des particules montrent que les ions (Na⁺, NH₄⁺, Cl^-, NO₃^-, SO₄²), les éléments métalliques (Fe, Zn, Pb, Cd, etc...) et les composés organiques (EC, OC) sont associés à des particules sub- et/ou supermicroniques. Les imageries Raman et d'émission X (MEBE-EDS) sont obtenues sur des particules individuelles des fractions 1

Cette thèse est consacrée à l'étude de systèmes subissant des coagulations et fragmentations successives. Dans le cas déterministe, on travaille avec des solutions mesures de l'équation de coagulation - multifragmentation. On étudie aussi la contrepartie stochastique de ces systèmes : les processus de coalescence - multifragmentation qui sont des processus de Markov à sauts. Dans un premier temps, on étudie le phénomène de coagulation seul. D'un côté, l'équation de Smoluchowski est une équation intégro-différentielle déterministe. D'un autre côté, on considère le processus stochastique connu sous le nom de Marcus-Lushnikov qui peut être regardé comme une approximation de la solution de l'équation de Smoluchowski. Nous étudions la vitesse de convergence par rapport à la distance de type Wassertein $d_{lambda}$ entre les mesures lorsque le nombre de particules tend vers l'infini. Notre étude est basée sur l'homogénéité du noyau de coagulation $K$.On complémente les calculs pour obtenir un résultat qui peut être interprété comme une généralisation de la Loi des Grands Nombres. Des conditions générales et suffisantes sur des mesures discrètes et continues $mu_0$ sont données pour qu'une suite de mesures $mu_0^n$ à support compact existe. On a donc trouvé un taux de convergence satisfaisant du processus Marcus-Lushnikov vers la solution de l'équation de Smoluchowski par rapport à la distance de type Wassertein $d_{lambda}$ égale à $1/sqrt{n}$.Dans un deuxième temps on présente les résultats des simulations ayant pour objectif de vérifier numériquement le taux de convergence déduit précédemment pour les noyaux de coagulation qui y sont étudiés. Finalement, on considère un modèle prenant en compte aussi un phénomène de fragmentation où un nombre infini de fragments à chaque dislocation est permis. Dans la première partie on considère le cas déterministe, dans la deuxième partie on étudie un processus stochastique qui peut être interprété comme la version macroscopique de ce modèle. D'abord, on considère l'équation intégro-partielle différentielle de coagulation - multifragmentation qui décrit l'évolution en temps de la concentration $mu_t(x)$ de particules de masse $x>0$. Le noyau de coagulation $K$ est supposé satisfaire une propriété de $lambda$-homogénéité pour $lambdain(0,1]$, le noyau de fragmentation $F$ est supposé borné et la mesure $beta$ sur l'ensemble de ratios est conservative. Lorsque le moment d'ordre $lambda$ de la condition initial $mu_0$ est fini, on est capable de montrer existence et unicité d'une solution mesure de l'équation de coagulation - multifragmentation. Ensuite, on considère la version stochastique de cette équation, le processus de coalescence - fragmentation est un processus de Markov càdlàg avec espace d'états l'ensemble de suites ordonnées et est défini par un générateur infinitésimal donné. On a utilisé une représentation Poissonienne de ce processus et la distance $delta_{lambda}$ entre deux processus. Grâce à cette méthode on est capable de construire une version finie de ce processus et de coupler deux processus démarrant d'états initiaux différents. Lorsque l'état initial possède un moment d'ordre $lambda$ fini, on prouve existence et unicité de ces processus comme la limite de suites de processus finis. Tout comme dans le cas déterministe, le noyau de coagulation $K$ est supposé satisfaire une propriété d'homogénéité. Les hypothèses concernant la mesure $beta$ sont exactement les mêmes. D'un autre côté, le noyau de fragmentation $F$ est supposé borné sur tout compact dans $(0,infty)$. Ce résultat est meilleur que celui du cas déterministe, cette amélioration est due à la propriété intrinsèque de masse totale non-explosive que possède un système avec un moment fini d'ordre $lambda$

La présente étude porte sur la simulation numérique de la croissance des cristaux de glace dans le sillage proche d'une aile rectangulaire munie de deux injecteurs qui modélisent les deux moteurs. Dans cette configuration, les phénomènes microphysiques interviennent lors de l'interaction du jet, issu du moteur, et du tourbillon marginal qui se développe à chaque bout d'aile. Cet écoulement, très turbulent, perturbe fortement l'air environnant. Les jets diffusent dans l'atmosphère et s'enroulent autour des deux tourbillons de bout d'aile. Ces jets contiennent de la vapeur d'eau, des suies, des gaz mais également des aérosols et particules chargées. Le modèle microphysique utilisé dans cette étude repose sur l'hypothèse que la vapeur d'eau condense uniquement sur les particules de suie. Les simulations numériques sont effectuées à l’aide du code CEDRE développé à l’ONERA. Les méthodes numériques sont basées sur une approche volume finie pour des maillages non structurés généralisés. La résolution des équations de Navier stokes compressibles pour des fluides multi-espèces se fait selon une approche de type RANS et seul le champ stationnaire, jusqu'à huit envergures en aval de la maquette, est calculé. La turbulence de l'écoulement est modélisée au moyen du système de fermeture à deux équations k-l . Cette approche permet d'obtenir une description spatiale plus réaliste de l'interaction entre le jet et le tourbillon marginal. Le champ aérodynamique du sillage est ainsi comparé aux données expérimentales existantes. Le jet est correctement enroulé autour du tourbillon à huit envergures, et la dilution du panache est bien décrite par les simulations. Le modèle microphysique est ensuite couplé au modèle aérodynamique. Une première simulation porte sur les phénomènes microphysiques intervenant dans le sillage de la maquette dans des conditions particulières, représentatives d'un avion commercial en vol de croisière dans une atmosphère saturée par rapport à la glace. L'influence de la taille initiale des particules de suies émises par les moteurs ainsi que l'humidité relative de l'atmosphère, sur les propriétés de la traînée de condensation, sont ensuite étudiées et discutées. Ce travail, de part la stratégie de calcul mise en place et notamment l'utilisation de maillages non structurés généralisés, permettra d'appréhender le rôle de certains paramètres clés liés à l'avion comme la géométrie des ailes ou bien encore la position des nacelles sur les propriétés microphysiques de la traînée de condensation. / Numerical simulations of ice particles growth, in the near wake of a rectangular wing with two injectors, are presented in this study. In this configuration, microphysical processes occur during the interaction between the engines jets and the marginal vortices developping at each wing tip. This strong turbulent flow disturbs highly the environmental flow. The jets diffuse in the atmosphere and are wrapped around the two wing tip vortices. They contain water vapour, soots, gas, aerosols and charged particles as well. One of the hypothesis of the microphysical modeling, used in this study, is that water vapour condenses on soot particles only. Numerical simulations are performed with the code CEDRE developed at ONERA. The numerical methods are based on a cell-centered finite volume approach for general unstructured grids. A Navier-Stokes solver for turbulent, compressible and multi-species flows with a RANS approach, based on the k-l turbulence model, is used. Only stationary states of the flow, until eight spans downstream the setup, are computed. This approach enables to get a better spatial description of the interaction between the jet and the marginal vortex. The numerical flow field is then compared to existing experimental data. The jet is correctly wrapped around the wing tip vortex at eight spans and the dilution of the effluents is well described by our simulations. The microphysical model is then coupled to the aerodynamics. The microphysical processes occurring in the wake of the setup in specific conditions, representative of a cruising civil aircraft in an ice-saturated atmosphere, are firstly simulated. The role, on the contrail’s properties, of soot particles initial size and of the atmospheric humidity is studied and discussed. This work, through its computational strategy, with the use of unstructured grids, will enable to understand the potential role of some key parameters such as the wings geometry or the engines position on the contrail properties.

Le béryllium (Be) est un métal dont les propriétés physiques et mécaniques sont très recherchées, notamment dans les secteurs spatial, énergétique et électronique. Les principaux effets associés à l’exposition au Be sont la sensibilisation et la bérylliose chronique. La prévalence des effets associés au Be suggère que les risques sont, entre autres, fonction de sa spéciation. Par ailleurs, il semble que les particules fines constituent la fraction d’intérêt pour l’occurrence de tels effets. Dans cette étude nous avons vérifié l’hypothèse que la forme chimique et la taille des particules du Be jouent un rôle majeur au niveau de la toxicité et de l’apparition d’effets spécifiques à une exposition au Be. Les effets spécifiques se traduisent, entre autres, par la formation de granulomes inflammatoires pulmonaire, par la prolifération de lymphocytes TCD4+ et la production de cytokines de type Th1. Pour chacune des trois formes chimiques visées par la présente étude (le Be métallique ou Be, l’oxyde de Be ou BeO et l’alliage Be aluminium ou BeAl), la toxicité a été évaluée à la suite d’une exposition subchronique par inhalation oro-nasale à des particules fines (F) et totales (T). À cette fin, un modèle animal (souris) a été utilisé. Au total, 245 souris ont été utilisées. Elles ont été subdivisées en sept groupes de 35 souris. Un groupe a servi de contrôle, alors que chacun des six autres a été exposé soit à des particules fines soit à des particules totales, pour chacune des trois formes chimiques de Be (Be-F, Be-T, BeO-F, BeO-T, BeAl-F, BeAl-T). La durée d’exposition pour chacun des groupes s’est étendue sur 3 semaines, 5 jours par semaine, 6 heures par jour. Le niveau d’exposition des souris était de 250 µg/m3. L‘urine des souris a été recueillie avant et durant l’exposition. Au moment du sacrifice, plusieurs tissus (poumon, rate, foie et reins) ainsi que des échantillons de sang ont été prélevés puis immédiatement congelés jusqu’à leur analyse pour la détermination de leur teneur en Be. De plus, certains poumons et rates ont été analysés pour l’évaluation de la sensibilité immunologique et de l'inflammation pulmonaire. Cette étude d’exposition subchronique est la première étude murine qui étudie les effets toxiques de différentes tailles particulaires sur les changements pathologique et immunologique similaires à ceux observés chez l’humain. Cette étude a permis de constater qu’il existait des différences importantes au niveau de la toxicité du Be d’après les différentes tailles particulaires à l’étude. Ces différences seraient reliées au dépôt des particules de Be dans les voies respiratoires et également à la capacité des voies respiratoires à les éliminer totalement ou partiellement. La clairance respiratoire est fonction, notamment, du site de déposition et du caractère soluble ou non des particules. Cette recherche aura également permis de démontrer que les souris C3H/HeJ représentent un bon modèle pour l’étude des effets toxicologiques et immunologiques d’une exposition au Be. De plus, nos résultats démontrent que la sévérité des lésions pulmonaires causées par le Be, tel que l’infiltration interstitielle de lymphocytes et la formation de granulomes non-caséeux, augmente avec le temps de résidence pulmonaire des particules de Be. Combinés à d’autres résultats, nos résultats contribueront à guider les actions de prévention relativement à l’exposition au Be, incluant éventuellement la révision de la valeur limite de l’exposition et possiblement l’établissement de valeurs limites en fonction de la forme chimique et de la taille des particules. / Beryllium (Be) is a metal with physical and mechanical properties and is used extensively in the aerospace, energy, and electronics industries. The main effects associated with Be exposure are sensitization and chronic beryllium disease. The prevalence of the effects associated with Be suggests that the risks are function of its speciation. Futhermore, it appears that the fine particles constitute the fraction of interest for the occurrence of such effects. In this study we verified the hypothesis that the chemical form and the particle size of Be play a major role in the level of the toxicity and in the appearance of specific effects in an exposure to Be. The specific effects are translated, among others, by the formation of inflammatory granulomes, by the proliferation of lymphocytes TCD4 + and the production of type Th1's cytokines. For each of the three chemical forms assessed in this research (Be metal or Be, Be oxide or BeO and Be aluminum alloy or BeAl) the toxicity was estimated following an subchronic exposure by nose-only to fine (F) and total (T) particles. An animal model (mouse) was used. Two hundred and forty five mice divided into seven groups of 35 each were used. The first group was used as a control, while the six other groups were exposed to total or fine particles of three different Be species (Be-F, Be-T, BeO-F, BeO-T, BeAl-F, BeAl-T). The duration of exposure for each of the groups was 3 consecutive weeks, 5 days per week and 6 hours per day. The target level of exposure was 250 μg/m3. Urine was collected before and during exposure. At the time of the sacrifice, several tissues (lungs, spleens, livers and kidneys) and blood samples were taken and immediately frozen until their chemical analysis for Be concentrations. Lungs and spleens were also sampled to evaluate the immunological effects and pulmonary inflammation. This study of subchronic exposure is the first murine study to examine the toxic effects of various particle sizes for similar pathological and immunological changes to those observed in a human being. This study allowed for the identification of important differences in the level of the toxicity of Be according to the various particles sizes. These differences are connected to the deposit of the particles of Be in respiratory tracts and also the capacity of respiratory tracts to eliminate them totally or partially. The respiratory clearance is a function of the site of deposition and of the solubility of the particles. This research has also demonstrated that mouse C3H/HeJ represents a good model for the study of the toxicological and immunological effects of a Be exposure. Furthermore, our results showed that the severity of the lung hurts caused by Be, such as the interstitial infiltration of lymphocytes and the formation of non-caseous granulomes, increases in time by lung residence of Be. Alongside other results, the results of this research will contribute to informing the prevention of Be exposure, including possibly the revision of the limit value and the establishment of a scientifically based threshold according to chemical form and particle size.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

En opération depuis 2008, l’expérience ATLAS est la plus grande de toutes les expériences au LHC. Les détecteurs ATLAS- MPX (MPX) installés dans ATLAS sont basés sur le détecteur au silicium à pixels Medipix2 qui a été développé par la collaboration Medipix au CERN pour faire de l’imagerie en temps réel. Les détecteurs MPX peuvent être utilisés pour mesurer la luminosité. Ils ont été installés à seize différents endroits dans les zones expérimentale et technique d’ATLAS en 2008. Le réseau MPX a recueilli avec succès des données indépendamment de la chaîne d’enregistrement des données ATLAS de 2008 à 2013. Chaque détecteur MPX fournit des mesures de la luminosité intégrée du LHC. Ce mémoire décrit la méthode d’étalonnage de la luminosité absolue mesurée avec les détectors MPX et la performance des détecteurs MPX pour les données de luminosité en 2012. Une constante d’étalonnage de la luminosité a été déterminée. L’étalonnage est basé sur technique de van der Meer (vdM). Cette technique permet la mesure de la taille des deux faisceaux en recouvrement dans le plan vertical et horizontal au point d’interaction d’ATLAS (IP1). La détermination de la luminosité absolue nécessite la connaissance précise de l’intensité des faisceaux et du nombre de trains de particules. Les trois balayages d’étalonnage ont été analysés et les résultats obtenus par les détecteurs MPX ont été comparés aux autres détecteurs d’ATLAS dédiés spécifiquement à la mesure de la luminosité. La luminosité obtenue à partir des balayages vdM a été comparée à la luminosité des collisions proton- proton avant et après les balayages vdM. Le réseau des détecteurs MPX donne des informations fiables pour la détermination de la luminosité de l’expérience ATLAS sur un large intervalle (luminosité de 5 × 10^29 cm−2 s−1 jusqu’à 7 × 10^33 cm−2 s−1 . / In operation since 2008, the ATLAS experiment is the largest of all the experiments at the LHC. The ATLAS-MPX (MPX) detectors installed in ATLAS are based on the Medipix2 silicon pixelated detector which has been developed by the Medipix Collaboration at CERN to perform real-time imaging. They can be used for luminosity measurements. They were installed at sixteen different positions in the ATLAS cavern at the LHC in 2008. The MPX network successfully collected data independently of the ATLAS data recording chain from 2008 to 2013. Each MPX detector provides measurements of the integrated LHC luminosity. This thesis describes the technique for calibrating the luminosity data and performance of MPX detectors for measuring the luminosity in 2012. The calibration was performed via the van der Meer (vdM) scans technique which allows the measurement of the convolved beam sizes in the vertical and the horizontal planes at the ATLAS interaction point (IP1). The determination of the absolute luminosity requires a precise knowledge of the beam intensities and the number of beam bunches. A luminosity calibration constant was determined. The three calibration scans were analyzed and the results were cross-checked among the MPX detectors and other ATLAS sub-detectors specifically dedicated to luminosity measurement. The luminosity determined from the calibration scans was compared to the luminosity of regular runs before and after the vdM scans. The MPX network gives reliable information for the overall ATLAS luminosity determination over a wide dynamic range (luminosity from 5 × 10^29 cm−2 s−1 up to 7 × 10^33 cm−2 s−1).

Medipix2 (MPX) sont des détecteurs semi-conducteurs au silicium montés sur 256x256 pixels. Chaque pixel a une aire de 55x55μm2. L’aire active d’un détecteur MPX est d’environ 2 cm2. Avec deux modes de détection, un seuil et un temps d’exposition ajustables, leur utilisation peut être optimisée pour une analyse spécifique. Seize de ces détecteurs sont présentement installés dans l’expérience ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) au CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire). Ils mesurent en temps réel le champ de radiation dû aux collisions proton-proton, au point d’interaction IP1 (Point d’Interaction 1) du LHC (Grand Collisionneur d’Hadrons). Ces mesures ont divers buts comme par exemple la mesure du champ de neutrons dans la caverne d’ATLAS. Le réseau de détecteurs MPX est complètement indépendant du détecteur ATLAS. Le groupe ATLAS-Montréal s’est intéressé à l’analyse des données récoltées par ces détecteurs pour calculer une valeur de la luminosité du LHC au point de collision des faisceaux, autour duquel est construit le détecteur ATLAS. Cette valeur est déterminée indépendamment de la luminosité mesurée par les divers sous-détecteurs d’ATLAS dédiés spécifiquement à la mesure de la luminosité. Avec l’augmentation de la luminosité du LHC les détecteurs MPX les plus proches du point d’interaction détectent un grand nombre de particules dont les traces sont impossibles à distinguer sur les images ("frames") obtenues, à cause de leur recouvrement. Les paramètres de mesure de certains de ces détecteurs ont été optimisés pour des mesures de luminosité. Une méthode d’analyse des données permet de filtrer les pixels bruyants et de convertir les données des images, qui correspondent à des temps d’exposition propres aux détecteurs MPX, en valeur de luminosité pour chaque LumiBlock. Un LumiBlock est un intervalle de temps de mesure propre au détecteur ATLAS. On a validé les mesures de luminosité premièrement en comparant les résultats obtenus par différents détecteurs MPX, et ensuite en comparant les valeurs de luminosité relevées à celles obtenues par les sous-détecteurs d’ATLAS dédiés spécifiquement à la mesure de la luminosité. / Medipix2 (MPX) devices are silicon semiconductor detectors consisting of 256x256 pixels. Each pixel has 55x55μm2. The MPX sensitive area is ~2 cm2. With two modes of operation, an adjustable threshold, and adjustable exposure time, their use can be optimized for a specific analysis. Sixteen of these detectors are currently installed in the ATLAS detector at CERN (European Organization for Nuclear Research). They perform real time measurement of the radiation field due to proton-proton collisions occurring at the interaction point IP1 (Interaction Point 1) of the LHC (Large Hadron Collider). These measurements have different purposes, for instance the measurement of the neutron field in the ATLAS cavern. The network of MPX detectors is completely independent from the ATLAS detector. The ATLAS-Montreal group has taken interest in analysing data provided by these detectors to calculate a value for the luminosity of the LHC at the collision point of the beams around which is build the ATLAS detector that is completely independent from the value measured by ATLAS sub-detectors specifically dedicated to luminosity measurements. With the increase of the luminosity in LHC the MPX detectors near the interaction point record a large number of particles leaving tracks with a large number of overlaps in the resulting frames. These tracks are thus difficult to separate. The measurement parameters of some of these MPX detectors have been optimised for luminosity study. A method to analyse the recorded data was developed. It first filters the noisy pixels, then converts data from a frame format (corresponding to a given MPX exposure time), into luminosity in a LumiBlock format. A LumiBlock is a time measurement period used by ATLAS detector. To verify the results, comparisons between different MPXs have been made, as well as comparison between MPX results and the results of ATLAS sub-detectors specifically dedicated to luminosity measurements.

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

L’électrochimie bipolaire est un phénomène générant une réactivité asymétrique à la surface d’objets conducteurs, sans contact électrique direct. Ce concept est basé sur le fait que lorsqu’un objet conducteur est localisé dans un champ électrique, il se polarise. Par conséquent, une différence de potentiel est générée entre ses deux extrémités, et peut être utilisée pour induire des réactions redox localisées. Dans cette thèse, l’utilisation de l’électrochimie bipolaire pour la science des matériaux et pour la locomotion d’objets est présentée.Jusqu’à présent, la plupart des méthodes ou procédés utilisés pour générer des objets asymétriques,appelés aussi objets « Janus », nécessitent l’introduction d’une interface pour briser la symétrie. Nous avons développé une nouvelle approche basée sur l’électrodéposition bipolaire pour générerce type d’objet en grande quantité. Grâce à cette technologie différents matériaux tels que des métaux, des polymères et des semi‐conducteurs ont pu être déposés sur diverses particulesconductrices. Il a été aussi démontré que l’électrochimie bipolaire pouvait être utilisée pour lamicrostructuration de substrats conducteurs.Nous avons induit des mouvements à des objets conducteurs en exploitant le phénomèned’électrochimie bipolaire. Certains objets Janus synthétisés par l’approche précédente ont pu être utilisés comme micronageurs. La brisure de symétrie qui est générée par l’électrochimie bipolaire peut être aussi utilisée directement pour générer un mouvement de particules isotropes. En employant ce concept, nous avons pu provoquer des mouvements de translation, rotation et lévitation pour des particules de carbones ou métalliques. / The phenomenon of bipolar electrochemistry generates an asymmetric reactivity on the surface ofconductive objects in a wireless manner. This concept is based on the fact that when a conducingobject is placed in an electric field, it gets polarized. Consequently, a potential difference appearsbetween its two extremities, that can be used to drive localized redox reactions. In the presentthesis, bipolar electrochemistry was used for material science and the locomotion of objects.So far, the majority of methods and processes used for the generation of asymmetric objects, alsocalled “Janus” objects, is based on using interfaces to break the symmetry. We developed a newapproach based on bipolar electrodeposition for generating this type of objects in the bulk. Using thistechnology, various materials like metals, polymers and semiconductors could be deposited ondifferent types of conducting particles. We also showed that bipolar electrochemistry can be used forthe microstructuration of conducting substrates.Motion generation by bipolar electrochemistry has also been demonstrated. Some of the Janusobjects synthesized by the previous approach can be used as microswimmers. The asymmetricreactivity that is induced by bipolar electrochemistry can also be used directly to generate motion ofnon‐hybrid objects. With this concept we induced translations, rotations and levitations of carbonand metal particles.