La détermination des propriétés des matériaux soumis à des chocs est un enjeu essentiel dans de nombreux domaines industriels. L’objectif de cette thèse est de proposer une nouvelle méthode fondée sur l’interrogation en bande millimétrique d’un solide soumis à un choc. Deux paramètres doivent être mesurés simultanément, la vitesse du choc et la vitesse matérielle associée afin de pouvoir construire la polaire de choc du matériau d’étude. Dans un premier temps, un état de l’art des techniques de mesure existantes est réalisé pour cibler les performances et limites de l’existant. Dans un second temps, on s’intéresse à la modélisation de la propagation des ondes électromagnétiques dans des milieux à plusieurs interfaces en mouvement et avec un gradient d’indice pour représenter des cas de choc soutenu et non soutenu. Enfin, des campagnes expérimentales d’impact plan sont présentées sur différents matériaux, inertes et explosifs, pour confronter la théorie développée aux résultats de mesure. Pour le cas des chocs soutenus, les résultats sont en très bon accord et permettent de valider le modèle. Le cas des chocs non soutenus est plus complexe. Une approche par réseau de neurones est envisagée pour permettre de remonter aux vitesses et aux indices de réfraction. Enfin, des mesures de la permittivité complexe de nombreux explosifs sont présentées. / The mechanical properties of solids under shock wave loading are a key factor in many industrial applications. This work aims at defining a new approach for the simultaneous measurement of shock wave and particle velocity during a shock event, using millimeter wave interrogation. With the two determined parameters, the shock polar of any material can be derived. First, a review of the classical methods to determine these quantities is presented, to identify the advantages and limits of such techniques. A modelization work is then performed to understand the propagation of electromagnetic waves in a stratified mediumwith moving interfaces and different refractive index in each of the layers. Such a configuration can be used to describe both steady and unsteady shocks on solids. Last, experimental results of plane impact tests on both inert and reactive materials are presented and analyzed to comfort the modelization. For steady shocks, the results are in very good agreement and prove the developed model to be adequate. The case of unsteady shocks is more complex, and a neural network approach is described to solve the problem. Finally, new data on the permittivity of high explosives and a new setup are described.

Le très abondant Boreogadus saida occupe au sein de l’écosystème marin arctique une place prépondérante, ce qui lui vaut une attention croissante des scientifiques. Arctogadus glacialis, commun dans toutes les mers arctiques, est beaucoup moins étudié. Les deux espèces et leurs jeunes stades cohabitent mais ces derniers sont pratiquement impossibles à différencier. Seuls des outils génétiques, ou une méthode utilisant la taille du noyau de l’otolithe développée dans cette thèse, peuvent distinguer les deux espèces. Ces méthodes d’identification ont permis d’étudier pour la première fois l’écologie des jeunes stades d’Arctogadus et d’estimer la proportion de cette espèce dans des échantillons de gadidés arctiques. À la lumière des observations faites en mer de Beaufort, il apparait que les jeunes Arctogadus ont une abondance environ vingt fois moindre, une taille à l’éclosion supérieure, un taux de croissance similaire, et un taux de mortalité inférieur aux jeunes Boreogadus. Pour Boreogadus, l’hypothèse selon laquelle certaines larves éclosent en hiver près des panaches des fleuves, a été testé, d’abord en comparant la saison d’éclosion dans six régions de l’océan Arctique caractérisées par différents apports d’eau douce. Conformément à cette hypothèse, l’éclosion commence en hiver dans les mers recevant de forts apports fluviaux alors que l’éclosion débute au printemps dans les régions aux apports d’eau douce limités. Les larves qui éclosent en hiver profitent d’une longue saison de croissance leur permettant d’atteindre des tailles pré-hivernales largement supérieures aux larves qui éclosent en été, ce qui favoriserait leur survie. Cette même hypothèse a ensuite été testée en comparant la composition chimique des otolithes de Boreogadus provenant de ces six régions, et les différences observées semblent appuyer l’hypothèse. Les tendances actuelles au devancement de la débâcle, au réchauffement des eaux de surface et à l’augmentation du débit des fleuves pourraient favoriser le recrutement de Boreogadus, et possiblement aussi celui d’Arctogadus. Découle de cette thèse une connaissance accrue de l’écologie de gadidés habitant un océan confronté à une pléthore de changements. / The very abundant polar cod (Boreogadus saida) plays a preponderant role in the Arctic marine ecosystem and consequently has received significant attention in recent years. The ice cod (Arctogadus glacialis), a common species in all Arctic seas, is much less studied. Both species co-occur on Arctic continental shelves and their early life stages are often found together in ichthyoplanktonic collections. However, larvae and juveniles of polar cod and ice cod are almost impossible to differentiate. Only genetic tools, or a method using the size of the otolith nucleus developed in this thesis, can distinguish the two species. These identification methods allowed to study for the first time ice cod early life stage ecology and estimate the proportion of this species in Arctic gadids samples. In light of observations made in the Beaufort Sea, it seems that young ice cod are about twenty times less abundant, hatch at a larger size, grow at the same rate, and have a mortality rate inferior to young polar cod. For polar cod, the hypothesis that some larvae hatch in winter near river plumes, was tested, first by comparing the hatching season in six regions of the Arctic characterized by different freshwater inputs. Consistent with this hypothesis, hatching starts in winter in seas receiving large river discharge while hatching starts in spring in regions with limited freshwater inputs. The larvae hatched in winter benefit from a long growth season allowing them to reach larger pre-winter size than larvae hacth in summer, a condition that likely favors their survival. This same hypothesis was further tested by comparing the otolith chemistry of polar cod juveniles from those six regions, and the differences observed seem to support the hypothesis. On-going trends of earlier ice break-up, warmer surface layer, and increased river discharge could favor polar cod, and possibly also ice cod, recruitment. Arise from this thesis an increased knowledge of the ecology of gadids living in an Ocean facing a plethora of changes.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2018-2019 / Dans l’Arctique canadien, la pression des changements climatiques s’accroît, alors que le développement anthropique et les impacts qui en découlent sont de plus en plus importants. Toutefois, nos connaissances sur l’assemblage des poissons demeurent limitées. En assurant le transfert d’énergie entre le zooplancton et les prédateurs supérieurs arctiques, certaines espèces de poissons jouent un rôle clé dans l’équilibre de cet écosystème marin. L’objectif principal de cette thèse doctorale est de documenter les variations spatio-temporelles du recrutement de la morue arctique Boreogadus saida dans l’Arctique canadien ainsi que les facteurs environnementaux et biologiques influençant celles-ci. Basé sur des valeurs d’abondance et biomasse de poissons estimées à partir de données acoustiques validées par des filets et chaluts entre 2005 et 2017, j’étudie: (1) les impacts d’une débâcle des glaces plus hâtive et de températures de surface de la mer plus chaudes sur la survie et le recrutement des jeunes stades de morue arctique dans différentes régions de l’Arctique canadien; (2) le rôle de la productivité de l’écosystème dans le recrutement de la morue arctique et les différences de productivité à travers trois provinces océanographiques de l’Arctique canadien; et (3) la codistribution de la morue arctique et de ses prédateurs aviaires à travers la zone marginale de glace de la mer de Baffin. Une débâcle des glaces hâtive dans l’Arctique canadien entraine des températures printanières et estivales plus chaudes, une floraison hâtive de phytoplancton ainsi qu’une productivité de l’écosystème supérieure durant l’été. Une débâcle hâtive augmente également la biomasse de juvéniles de morue arctique à la fin de l’été en permettant la survie des larves écloses durant l’hiver et le printemps. À la lumière des résultats, il apparait que deux facteurs permettent aux jeunes morues arctiques de l’année de bénéficier d’une fonte des glaces hâtive, du moins jusqu’à présent; soit des températures plus chaudes et, surtout, une ressource alimentaire plus abondante. Durant la période d’étude, la productivité de l’écosystème était similaire dans le sud de la mer de Beaufort et dans le complexe polynique Eaux du Nord/détroit de Lancaster, toutefois la biomasse de juvéniles de morues arctique était supérieure dans la mer de Beaufort. Une prédation aviaire intense pourrait expliquer la biomasse de juvéniles de morue arctique plus faible dans le complexe polynique, confirmant sa réputation comme point chaud biologique pour le transfert d’énergie vers les niveaux trophiques supérieurs. Néanmoins, aucune association spatiale claire n’a été trouvée entre la distribution de la morue arctique et celle de ses prédateurs aviaires à travers la zone marginale de glace de la mer de Baffin, ce qui pourrait être expliqué par une absence de formation de bancs de poissons chez la morue et une stratégie efficace de celle-ci pour éviter la prédation en se cachant sous la glace. Les résultats de cette thèse mettent en évidence la sensibilité de la morue arctique face à son environnement en changement et sa capacité à l’exploiter au maximum à court terme. / In the Canadian Arctic, climate change pressure is increasing, while anthropogenic activities and the resulting human impacts on the ecosystem are intensifying. However, fish communities remain poorly documented despite their pivotal role in the ecosystem equilibrium in transferring the energy from zooplankton to top arctic predators. The main objective of this PhD thesis is to document spatial and temporal variations in polar cod Boreogadus saida recruitment in the Canadian Arctic, and the environmental and biological factors influencing these variations. Based on fish abundance and biomass estimated with hydroacoustic data validated by nets and trawls from 2005 to 2017, I investigate: (1) the impacts of an earlier ice breakup and warmer sea surface temperatures (SST) on the survival and recruitment of age-0 polar cod in different regions of the Canadian Arctic; (2) the role of ecosystem productivity in age-0 polar cod recruitment and differences in productivity across three oceanographic provinces of the Canadian Arctic; and (3) the co-distribution of polar cod and its seabird predators across the marginal ice zone in Baffin Bay. Earlier ice breakup in the Canadian Arctic resulted in warmer SST in spring-summer, earlier phytoplankton bloom and higher ecosystem productivity in summer. Early ice breakup also increased juvenile polar cod biomass at the end of summer by allowing the survival of larvae hatched in winter and spring. In light of these results, it seems that both warm temperatures and, mostly, abundant food resource allow age-0 individuals to benefit from an earlier ice breakup, at least for the time being. During the period of the study, ecosystem productivity was similar in the southern Beaufort Sea and the North Water/Lancaster Sound polynya complex, but juvenile polar cod biomass was higher in the Beaufort Sea. Intense avian predation could explain the lower biomass of juvenile cod in the polynya complex, confirming its reputation as a biological hotspot for the transfer of energy to higher trophic levels. Nevertheless, no strong spatial match was found between the distribution of polar cod and that of its avian predators across the marginal ice zone in Baffin Bay, which could be explained by a lack of schooling behavior in polar cod and a successful strategy to avoid predation by hiding under the ice. The results of this thesis highlight the sensitivity of polar cod to its changing environment and its ability to exploit it to the fullest in the short term.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / Les changements climatiques en Arctique menacent les espèces polaires hyperspécialisées tout en favorisant l’invasion d’espèces boréales et tempérées. La morue arctique (Boreogadus saida) est l’espèce de poisson fourrage la plus abondante de l’Océan Arctique. En 2011, une espèce boréale a toutefois été détectée dans la mer de Beaufort (Arctique canadien). Le lançon du Pacifique (Ammodytes hexapterus) était alors la deuxième espèce en abondance dans l’assemblage d’ichtyoplancton. La présente recherche visait à évaluer les conséquences de l’invasion de cette espèce fourragère boréale sur la morue arctique durant les jeunes stades de vie. Les deux espèces se sont révélées en compétition potentielle au stade juvénile, mais le lançon sélectionnait surtout de petites proies tandis que la morue arctique dépendait des grands copépodes calanoïdes. La diminution prédite de la taille du zooplancton avantagerait le lançon par rapport à la morue arctique et la compétition détectée pourrait donc s’amplifier avec une augmentation de la population de lançons en mer de Beaufort. / Climate change in the Arctic threatens hyper specialized polar species while favouring the invasion of boreal and temperate fish species. In the arctic marine food web, arctic cod (Boreogadus saida) is the key forage fish species. The boreal Pacific sand lance (Ammodytes hexapterus) was recently detected in southeastern Beaufort Sea (Canadian Arctic), numbering as the second most abundant ichthyoplankton species after the arctic cod in 2011. The aim of this research was to elucidate the consequences of this boreal forage fish species invasion on arctic cod during the early life stages. Potential competition was detected during the early juvenile stage but arctic cod strongly relied on big calanoid copepods while Pacific sand lance significantly selected for smaller prey. The forecasted reduction in the size of zooplankton would therefore favour sand lance over arctic cod. The interspecific competition is predicted to amplify as the abundance of sand lance in the Beaufort Sea increases.

L’oxyde de zinc est un matériau prometteur pour la réalisation de composants optoélectroniques dans la gamme des émetteurs UV. Pour cela il faut développer des hétéro-structures tel que des puits quantiques ZnO/(Zn, Mg)O afin de mieux contrôler les propriétés d’émissions. Ce travail porte sur la caractérisation de telles structures crûes sur le plan A, surface non polaire, de ZnO massif. A partir de mesures de spectroscopie optiques (réflectivité, photoluminescence en excitation continue et photoluminescence résolue en temps) nous avons déterminé les différents phénomènes physiques mis en jeux lors de la recombinaison radiative des porteurs dans ces puits quantiques. Dans un premier temps, nous avons étudié en détail l’émission des photons par les barrières de (Zn, Mg)O. Grace à l’étude en température nous avons montré que l’émission optique de la barrière correspond à la recombinaison de paires électron trou en interactions (excitons) qui sont à basses températures localisées dans des fluctuations de potentiel. Sous l’effet de la température ils se délocalisent et se recombinent comme des exciton libres. L’étude détaillée des déclins temporels de photoluminescence nous à permis de démontrer que nous avions affaire à deux états excitoniques différents qui présentent des dynamiques de recombinaisons différentes. Un modèle est proposé pour rendre compte des différentes observations. La partie principale de ce travail porte sur le comportement des excitons dans le puits quantique. Le résultat majeur de cette étude est la démonstration expérimentale que dans ce cas des complexes excitoniques, ici des trions chargé négativement (exciton en interaction avec un électron libre), se forment à basse température et sont responsable de la luminescence observée. De plus, en variant la densité d’excitation nous avons montré que se former également des bi-excitons (pseudo particule formée de deux exciton en interactions). Le comportement en température de la photoluminescence obtenue dans différente conditions d’excitation à permis de démontrer que sous l’effet de l’énergie thermique les complexes excitoniques se dissociés pour créer des excitons libres. Des mesures en fonction de la polarisation de la lumière émise et de la température ont permis également d’étudier l’état C de l’exciton dans le puits. Les dynamiques de recombinaison des différents complexes excitoniques sont examinées en fonction de la température. / The zinc oxide is a promising material for the realization of optoelectronic devices in the blue-UV range. For this, it is necessary to develop hetero-structures such as ZnO / (Zn, Mg) O quantum wells in order to have better control of the properties of emissions. This work concerns the characterization of such structures grown on the A-plane (non-polar surface) of bulk ZnO. From optical spectroscopies measurements (reflectivity, continuous wave and time-resolved photoluminescence) we determined the various physical phenomena involve during the radiative recombination of the carriers in these quantum wells. At first, we studied in detail the emission of photons by the barriers of (Zn, Mg) O. Thanks to the study in temperature we showed that the optical emission of the barrier corresponds to the recombination of electron hole pairs in interactions (excitons), which are at low temperatures localized in the fluctuations of the potential. Under the influence of the temperature they delocalize and recombine as free exciton. From the detailed study of the temporal decays of photoluminescence we can demonstrate that we deal with two different excitonic states, which present different dynamics of recombination. A model is proposed that explain the various observations. The main part of this work concerns the behavior of the excitons in the quantum well. The major result is the experimental demonstration that excitonics complexes are formed at low temperature, negatively charged trion (exciton in interaction with a free electron), in this system and they are responsible for the observed luminescence. Furthermore, by varying the density of excitation we showed that biexcitons are also form (pseudo-particles formed by two excitons in interactions). The behavior in temperature of the photoluminescence obtained in different conditions of excitation demonstrates that under the influence of the thermal energy the exitonic complexes are broken to create free excitons. Measures according to the polarization of the emitted light and the temperature also allowed studying the C state of the exciton in the quantum well. The dynamics of recombination of the various excitonics complexes are examined according to the temperature.

Ce travail a été effectué sur une expérience de déflexion d'un jet moléculaire par un champ électrique intense et inhomogène. Cette expérience permet de mesurer la polarisabilité et le dipôle électrique de molécules en phase gazeuse. Durant mon travail de thèse, la mise en place et la calibration d'un nouveau système de détection sensible en position, couplé à un spectromètre de masse à temps de vol, ont été réalisées. Une série d'expériences sur des molécules de benzène disubstitué a ensuite été réalisée. Ces mesures ont permis de mieux comprendre les profils de déflexion observés et l'interaction de molécules polaires isolées avec le champ électrique. En particulier, l'importance de la symétrie et du couplage rotation-vibration sur la déflexion du jet a été étudiée et analysée en détail.

Ce document est la synthèse d'un parcours de recherche en mécanique étalé sur plus de dix ans et intéressant différents secteurs de la mécanique. La thèse se compose de trois parties principales. La première partie concerne les activités rattachées à la thèse de doctorat, portant sur l'optimisation des dimensions de la coque d'une plate-forme pétrolière de type TLP. Les deux thèmes traités dans la recherche sont rapidement présentés: la simplification des solutions pour le calcul des actions de la houle en théorie de la diffraction et la mise au point du procédé pour la détermination des dimensions de la coque de poids minimal. La deuxième partie porte sur une recherche de mécanique non linéaire: l'application de la Méthode Asymptotique Numérique (MAN) à la détection des points de bifurcation de l'équilibre d'une structure élastique et au suivi des branches de réponse post-critique. Après un bref rappel de la MAN, on montre la formulation théorique de la recherche et des exemples numériques traités, avec une discussion des résultats obtenus. La troisième partie concerne une série de travaux dans le domaine des matériaux composites, ayant pour fil conducteur l'utilisation de la méthode polaire en analyse, conception et identification des stratifiés en composite. Après une présentation détaillée et complète de la méthode polaire, les recherches développées dans ce domaine sont présentées, en les distinguant en quatre parties. Le chapitre 8 porte sur les stratifiés découplés ou quasi-homogènes, dont on met en évidence la découverte des solutions de type quasi-trivial, en soulignant leurs propriétés. Ensuite, on aborde la conception de stratifiés isotropes, totalement ou en partie, ainsi que celle des stratifiés formés de couches à symétrie carrée. Le point commun à ces travaux est l'approche entièrement analytique, qui a permis de dégager des solutions exactes pour chacun des problèmes cités. Dans le chapitre 9 on présente une formulation unique, sous forme d'un problème classique de l'optimisation structurale non convexe, d'un grand nombre de problèmes de conception des stratifiés, tandis que le chapitre 10 porte sur la mise au point d'un algorithme génétique de nouvelle conception, BIANCA, pour la conception et optimisation des stratifiés. Toujours en thème d'optimisation, le chapitre 11 porte sur une étude, théorique et numérique, de sensibilité de certaines solutions aux défauts d'orientation des couches. Le chapitre 12 concerne la découverte d'un cas particulier d'orthotropie plane, dite orthotropie R0, dont les caractéristiques assez singulières seront mises en évidence, ainsi que la façon d'obtenir un tel type de lamina et l'intérêt à son utilisation. Finalement, le dernier chapitre concerne certaines applications de la méthode polaire à l'identification des propriétés élastiques et de rupture des composites.

La déformation plastique du monocristaI de glace se produit essentiellement par glissement de dislocations dans les plans de base. Le glissement sur d'autres systèmes ou une éventuelle montée de dislocations basales limite la vitesse de déformation de la glace polycristalline. Dans les glaces des calottes polaires, une orientation préferentielle des axes c se développe au cours de la déformation, induisant une forte anisotropie viscoplastique. Un modèle auto-cohérent viscoplastique (VPSC) est utilisé pour calculer le comportement mécanique de la glace polycristalline et le développement des textures. Les résultats sont comparés à ceux du modèle à contraintes uniformes (borne inférieure) et à déformations uniformes (borne supérieure). Dans les modèles, il est supposé que le monocristal de glace se déforme par glissement basal, prismatique, et pyramidal. La résistance des systèmes de glissement d'un grain in-situ est déterminée à partir de résultats d'essais mécaniques sur des échantillons polycristallins fortement anisotropes. D'après le modèle VPSC, le comportement d'un grain in-situ est semblable à celui d'un monocristal isolé. Ce modèle reproduit parfaitement le comportement expérimental des glaces polycristallines anisotropes. Lorsqu'un polycristal est déformé de telle manière à ce que le glissement basal soit difficilement activé, la direction de la vitesse de déformation est très sensible à la direction de la contrainte, appliquée. De telles conditions de déformation devraient se retrouver dans le voisinage des dômes des calottes polaires. Dans les couches de surface des calottes polaires (zone de grossissement de grains), le modèle VPSC permet d'obtenir une bonne estimation du développement des textures. Dans les glaces plus profondes, on montre que la recristallisation par rotation a une influence significative sur le développement des textures. Une série d'essais mécaniques en laboratoire indique une tendance au comportement newtonien sous de très faibles contraintes.

Un modèle climatique mondial qui utilise une grille à résolution variable constitue une méthode moderne et efficace pour la modélisation régionale, principalement parce qu'elle évite le problème de pilotage aux frontières latérales caractéristique aux modèles sur aire limitée. L'approche de grille étirée s'inscrit parmi les méthodes de réduction d'échelle dynamique (dynamical downscaling) qui permettent naturellement des interactions réciproques entre les échelles régionales et globales du mouvement. Une augmentation de la résolution seulement dans une région spécifique augmente la précision du modèle, gardant en même temps les coûts de calcul inférieurs aux modèles mondiaux qui utilisent une haute résolution uniforme sur toute la grille. Cependant, l'étirement de la grille conduit à des problèmes liés à l'anisotropie de la grille dans les zones adjacentes à la zone de haute résolution uniforme. Dans le cadre de cette thèse, un filtre numérique construit à l'aide d'un produit de convolution a été développé pour répondre aux questions associées à l'étirement et à l'anisotropie de la grille de calcul. La caractéristique principale de ce filtre est d'enlever toutes les échelles inférieures à une échelle prescrite par l'utilisateur. L'efficacité et la précision du filtrage représentent un compromis acceptable entre la réponse de filtrage et les coûts de calcul impliqués. Cette approche a été testée sur des grilles étirées unidimensionnelles et bidimensionnelles cartésiennes. Les résultats ont montré que le filtre est efficace même pour une distance de troncature limitée et que la réponse de filtrage est presque isotrope. Le filtre initialement appliqué sur une grille cartésienne a été adapté dans un deuxième temps pour la grille polaire. Cette étape constitue une démarche nécessaire pour passer ensuite à une grille sphérique latitude-longitude. Les deux grilles, polaire et sphérique, rencontrent le même « problème du pôle » causé par la convergence des méridiens vers les pôles. Des détails sur l'adaptation du filtre pour la grille polaire, ainsi que son application sur une grille polaire uniforme et sur une grille polaire étirée sont présentés. Dans cette partie de la thèse, la performance du filtre près des pôles et dans les régions d'étirement a été testée. Les résultats ont montré que l'opérateur de filtrage est capable d'enlever l'excès de résolution dans les régions polaires, avec des coûts de calculs qui sont inférieurs aux filtres polaires usuels. Le filtre a bien fonctionné en dehors de la région d'intérêt où les échelles qui ne sont pas supportées par la grille ont été enlevées sans déformation ou atténuation des grandes échelles. L'opérateur de filtrage développé a été appliqué sur une grille polaire étirée pour des variables scalaires et pour des vecteurs. Cette étude a montré des résultats prometteurs, la réponse de filtrage pouvant être optimisée pour différentes fonctions-test ainsi que pour différents types de bruit qui devraient être enlevés. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : filtrage numérique, produit de convolution, fonction de pondération, grille étirée, anisotropie.

L'objectif de la thèse consiste à mettre en place un système couplé océan-glace de mer pour simuler le climat dans les hautes latitudes