Numerical simulations are a useful tool to understand galaxies. In addition to gravitation, other processes can be included for chemodynamical simulations: star formation, feedback of newly formed and evolving stars, metal enrichment, cooling of the interstellar medium, etc. These simulations describe in a self-consistent way the hydrodynamical and chemical evolution of galaxies. I use chemodynamical simulations to build up a model of evolution of the dust mass, solid component of the interstellar medium, in our Galaxy and in dwarf galaxies. I have performed simulations of a massive galaxy to understand localeffects on dust evolution while simulations of dwarf galaxies have been carried out to follow the dust mass in low metallicity environments. Chemodynamical simulations have shown that they are useful. Indeed, local effects and transport mechanisms are naturally included and turn out to be important for a model of dust mass production and destruction.

Cette thèse s'attache à caractériser l'évolution dans le temps et l'espace des circulations de fluides le long des failles. Une approche multidisciplinaire et multi-échelle a été mise en place sur un exemple naturel dans la région du plateau du Colorado (Utah): du terrain à la modélisation et de la proche-surface au bassin. L'étude des minéralisations en proche surface et leur lien avec le transfert le long des failles a été effectuée sur des travertins récents. L'analyse isotopique et la datation U/Th des veines de travertins révèle des cycles de circulation de fluides enrichis en CO2 et de précipitation épisodiques de carbonates de calcium (travertin) correspondant à des cycles saisonniers ou climatiques (annuels et centennals) ainsi qu'à des cycles qui s'apparentent à des cycles sismiques de l'ordre du millier d'années. Ces données permettent de calibrer le volume de CO2 qui a fuit par la faille. Des zones de paléo-circulation, témoins de l'activité des failles sur le long-terme, sont observées sous forme de blanchiment chimique ("bleaching") des grès à l'affleurement, et ont été étudiées à l'échelle du bassin. Deux épisodes principaux de circulation de fluides le long des failles ont été distingués : une première circulation durant l'enfouissement maximum puis une seconde circulation le long des réservoirs et des failles, qui est reliée à des phénomènes tectoniques régionaux, compemporains de la remontée du Plateau du Colorado. La dernière circulation s'est découpée en plusieurs pulses avec des circulations de fluides de différente nature (tels que des saumures, des fluides riches en hydrocarbures ou en CO2) au cours du temps et le long des failles.

Le phénomène de dégazage permanent observé sur le volcan Erebus s'accompagne d'une variation cyclique de la composition des gaz et du niveau de son lac de cratère que nous nous sommes proposé de modéliser en partant de l'hypothèse que ces fluctuations sont causées par l'arrivée de batch de magma naissant à faible profondeur, ascendant dans un conduit à travers duquel percole un flux continu de gaz dont l'origine est plus profonde. Nous avons tout d'abord montré par simulation numérique que la vigueur de la convection observée en surface ne pouvait être expliquée par la seule convection thermique d'un mélange liquide-cristaux. Si une alimentation continue en magma et gaz dans un système ouvert permet de simuler un comportement pulsatif de la surface, cet apport doit être suffisamment important pour que les changements de vitesse de surface ainsi générés puissent être appréciés. Le conduit doit avoir un diamètre suffisant large pour assurer la pérennité de la convection et maintenir le magma au-dessus de sa température de transition vitreuse. La présence de cristaux accélère la convection et améliore l'efficacité du transfert de chaleur entre les régions inférieures et supérieures du système magmatique ; ces cristaux se déposent dans le fond de la chambre pour former une couche de forte concentration d'une dizaine de mètres d'épaisseur. L'introduction de deux batch de magma d'origines différentes a permis de mettre en évidence combien leur composition et le comportement du lac de lave étaient sensibles à la température à laquelle ces batch sont générés. D'autre part, un batch ne contribuera au budget de dégazage dans des proportions consistantes avec les observations que si un seuil de flottabilité suffisant a été atteint. Dans le cas contraire, la migration d'une quantité de magma nécessaire à ce dégazage ne pourrait se faire que dans un conduit de très grand diamètre. Les paramètres physiques de la croute qui se forme lors du refroidissement de la surface du lac de lave, tels que son épaisseur et sa perméabilité, influent sur sa capacité à se déformer sous la pression qu'elle piège et à permettre un dégazage de type effusif. Cette pression conditionne à son tour la porosité du magma en surface et éventuellement le degré de dégazage du magma qui redescend vers la chambre magmatique. Cette étude nous a permis de mieux appréhender les mécanismes associés à une éruption de régime effusif et constitue une étape dans la compréhension de la transition à un régime explosif, préoccupation majeure des centres de surveillance volcaniques.

Les datations des paléosurfaces continentales constituent des points d'ancrage majeurs pour contraindre l'évolution géodynamique d'une région. Le paléomagnétisme s'avère être une méthode adaptée pour dater les paléoaltérations continentales ferrugineuses. Les datations des formations rouges "sidérolithiques" du Massif central indiquent des âges s'échelonnant entre 160 Ma (Jurassique supérieur) dans le bassin de Naussac et 140 Ma (Crétacé inférieur) dans le Lembron. Sur la bordure Sud-Est du bassin de Paris, un niveau hématitique, à la base des argiles de Myennes, a fourni un âge sub-récent (0-3 Ma) qui pourrait souligner l'entaille des paysages actuels. Sur le socle cristallin du Massif central et du Morvan la datation des faciès albitisés a fourni un âge triasique soulignant l'origine superficielle de ces faciès. L'ancrage spatio-temporel des paléoaltérations et des paléosurfaces permet de préciser des traits majeurs de l'évolution géodynamique du Massif Central. Sur de vastes régions les paléosurfaces du Trias, du Jurassique terminal et du Tertiaire sont confondues. Il n'y a donc pas eu d'érosion conséquente du socle entre le Trias et la période actuelle, puisque la paléosurface albitisée au Trias est encore présente sur de très grandes surfaces du massif. Les datations du Jurassique supérieur/Crétacé inférieur des paléoaltérations "sidérolithiques" soulignent que le Massif Central ne présentait pas de couverture sédimentaire à cette époque. La reconnaissance et la datation de ces paléosurfaces continentales témoignent de longues périodes de continentalisation du socle et de la relative stabilité du Massif Central tout au long du Mésozoïque

Les ondes gravitationnelles sont émises par une large gamme de sources astrophysiques et cosmologiques. L'étude des ondes à basse fréquence telles que celles émises par les binaires de trous noirs, les EMRIs ou encore les fonds galactique et stochastique, nécessite l'utilisation d'un détecteur spatial. C'est la mission LISA (Laser Interferometer Space Antenna) composée de trois satellites distants de 5 millions de kilomètres et qui s'échangent des faisceaux lasers afin de former plusieurs interféromètres. La bonne compréhension de ce projet complexe nécessite le développement d'un simulateur tel que celui réalisé pendant cette thèse, LISACode. C'est un simulateur scientifique de LISA qui s'attache à rester au plus proche de la réalité du détecteur, sans pour autant le décrire au niveau des détails d'ingénierie. Il fournit des flux de données similaires à ceux de la future mission et applique la méthode TDI qui réduit effectivement le bruit laser. Ainsi il permet de tester des points technologiques importants de LISA et de mener des études scientifiques sur les ondes gravitationnelles. C'est un outil essentiel pour la préparation de l'analyse de données qui est un point capital de la mission LISA. Ainsi le second point de cette thèse porte sur le développement d'une méthode d'analyse basée sur l'étude de la modulation d'amplitude du signal gravitationnel induite par le mouvement LISA. Cette étude donne accès à la position de la source. L'application de cette méthode a nécessité la mise en place de méthodes d'extraction du signal. Les résultats obtenus pour une onde monochromatique et pour une onde émise par une binaire de trous noirs super-massifs sont prometteurs.

Les composés dits 'bionano' (bionanocomposites) apparaissent comme un nouveau groupe de matériaux hybrides nano-structurés. Ils sont issus de la combinaison de polymères naturels et de solides inorganiques et sont de l'ordre du nanomètre dans au moins une direction. Ces matériaux hybrides conservent les structures et les propriétés fonctionnelles des polymères et matériaux inorganiques dont ils sont composés. Parallèlement, la présence de biopolymères permet de diminuer les risques environnementaux et de santés publiques liés aux nano-matériaux. Les propriétés inhérentes aux biopolymères (biocompatibles' et biodégradables) ouvrent des perspectives intéressantes pour ces matériaux hybrides en particulier dans les domaines de la médecine regénérative et en génie de l'environnement. La production de bionanocomposites de taille plus importante, que les nanoparticules qu'ils renferment, permet d'éviter les effets nocifs potentiels des nanoparticules (NPs) pour les organismes vivants et plus particulièrement pour l'homme. L'association de biopolymères et de nano-solides inorganiques permet la conception de bionanocomposites multifonctionnels qui peuvent être synthétisés et utilisés pour des applications dans des domaines variés. Cette thèse se propose d'étudier principalement (i) ma présence d'arsenic et d'antibiotiques dans les sources d'eau potable en Chine; (ii) l'évaluation d'un nouveau bionanocomposites, à savoir le CGB (chitosan goethite bionanocomposite), dans la décontamination des eaux contenant des espèces inorganiques d'arsenic; (iii) l'évaluation d'argiles comme adsorbants de décontamination de la gentamicine (un antibiotique aminoglycoside ) présent dans l'eau de même que celle de bionanocomposés fait d'argiles riches en gentamicine de polymères de methycelluloses hydroxypropyles Gt-Mt-HPMC (gentamicin-montmorillonite- hydroxypropyl methycellulose) utilisés comme pansement contre les infections qui ont lieu suite à des brûlures.

C'est dans les années 1980 que l'importance de l'Atlantique Tropical sur le climat des régions avoisinantes a été clairement mise en évidence, notamment grâce à l'expérience FOCAL-SEQUAL. Celle-ci a également permis d'observer des tourbillons et des ondes océaniques influant sur la circulation et les transports de chaleur de petite et moyenne échelles spatio-temporelles. Avec le programme WOCE des années 1990 et les mesures effectuées de la surface au fond de l'océan, le rôle de l'Atlantique Tropical sur la circulation thermohaline de grande échelle a pu également être identifié. Dans ce mémoire, je vais décrire mes différentes contributions aux observations et aux analyses portant sur toutes les dimensions de ce bassin Atlantique Tropical, de la surface au fond, et de l'Ouest vers l'Est et le Golfe de Guinée. Ces travaux m'ont amené à initier et à coordonner des programmes de recherche et de formation universitaire, qui seront également évoqués. Je conclurai par des perspectives de recherche spécifiques à la région Est du bassin, et d'observations, tant en terme de campagnes de mesures que de réseaux.

Les travaux présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans le cadre de la détection d'évènements impulsionnels intermittents en provenance de pulsars. Ces objets astrophysiques sont des étoiles à neutrons hautement magnétisées en rotation rapide, qui émettent un faisceau radio balayant l'espace comme la lentille d'un phare. Ils sont détectables grâce à une instrumentation spécifique. Depuis quelques années, on a découvert de nouvelles catégories de ces pulsars, aux caractéristiques extrêmes, avec en particulier des impulsions individuelles plus intenses et irrégulières comparé à la moyenne. Il faut pouvoir les détecter en temps réel dans un environnement radio perturbé à cause des signaux de télécommunications. Cette étude propose des algorithmes de traitement d'interférences radio fréquence (RFI) adaptés à ce contexte. Plusieurs méthodes de traitement de RFI sont présentées et comparées. Parmi elles, deux ont été retenues et comparées au moyen de simulations Monte Carlo, avec un jeu de paramètres simulant le pulsar et un signal BPSK avec des puissances et des durées différentes. Pour la recherche de nouveaux pulsars, une méthode alternative est proposée (SIPSFAR), combinant capacité de recherche en temps réel et robustesse contre les RFI. Elle est basée sur la transformée de Fourier 2D et la transformée de Radon. Une étude comparative théorique a permis de confronter et comparer la sensibilité de cette nouvelle méthode avec celle communément utilisée par les radioastronomes. La méthode a été implantée sur un GPU GTX285 et testée sur un grand relevé du ciel effectué au radiotélescope de Nançay. Les résultats obtenus ont donné lieu à une comparaison statistique complémentaire à partir de données réelles.

La géophysique procure une vision d'ensemble du sous-sol sous forme de cartes et de coupes et apporte des informations précieuses sur la géologie et l'organisation du sous-sol. Bureau d'étude spécialise dans les diagnostics de sols et la recherche d'objets enterrés, Geoscope, partenaire de la thèse CIFRE, désire développer sa thématique géophysique appliquée aux sites et sols pollués. L'objectif est de localiser, de limiter et caractériser les zones polluées aux hydrocarbures. L'étude porte sur l'impact des pollutions hydrocarbonées sur la réponse géoélectrique, et plus spécifiquement sur la réponse en polarisation provoquée spectrale. Les mécanismes de polarisation, qui peuvent être modifiés par la présence d'hydrocarbures, interviennent sur des gammes de fréquences caractéristiques. La polarisation provoquée spectrale, qui mesure la réponse d'un milieu dans le domaine fréquentiel, apporte des informations plus précises que les autres méthodes géoélectriques qui fonctionnent dans le domaine temporel. Les effets de la présence d'hydrocarbures sont étudiés à différentes échelles : (i) à l'échelle du laboratoire, sur des milieux synthétiques afin d'appréhender les mécanismes de réponse (ii) à l'échelle de deux sites pollués afin de confronter les modèles développés en, laboratoire aux données réelles, d'apprécier les limites des méthodes et d'adapter les protocoles utilisés.

En zone de montagne, et particulièrement dans les Alpes du Nord, l'amélioration des modèles de prévision de crues est un enjeu scientifique et opérationnel important, du fait notamment des changements climatiques et environnementaux qui modifient le fonctionnement des systèmes hydrologiques. Les apports liés à la fonte nivale constituent une difficulté spécifique à la modélisation hydrologique dans les Alpes. Cette thèse entend contribuer à améliorer les modèles dans ce domaine, à deux niveaux. Dans un premier temps un modèle de fonte de neige performant à l'échelle ponctuelle a été explicité, utilisant un minimum de variables météorologiques. Pour cela l'approche dite " degré jour ", qui permet d'estimer en fonction de la température de l'air la lame d'eau déstockée par le manteau neigeux, a été reprise. Grâce aux données acquises par le Centre d'Etude de la Neige sur le site expérimental du Col de Porte (Chartreuse), plusieurs formulations ont été testées prenant notamment en compte le stock de froid du manteau neigeux et les effets liés au cycle saisonnier, à travers un coefficient de fonte explicité à l'aide d'une sinusoïde. Dans un deuxième temps, l'accent est mis sur la régionalisation de la donnée d'entrée fondamentale pour ce modèle degré jour : la température de l'air. La spatialisation des champs de température a été étudiée à l'aide d'outils géostatistiques, en se focalisant sur une meilleure compréhension des gradients altimétriques de température. L'objectif est de mieux cartographier les températures au pas de temps infra journalier et de déterminer un modèle d'interpolation pertinent et simple. Les perspectives sur l'utilisation des résultats obtenus dans ces deux phases de modélisation sont abordées en vue d'une utilisation future des modèles degré jour sur des bassins versants de montagne.