La capacité à libérer l'énergie stockée dans le champ magnétique et à briser le théorème du gel font de la reconnexion magnétique un des phénomènes les plus importants de la physique des plasmas. Lorsqu'elle se produit dans un environnement non-collisionel comme la magnétosphère terrestre, une modélisation cinétique est à priori nécessaire. Cependant la plupart de notre compréhension du phénomène se base sur un interprétation fluide, plus intuitive. Dans quelle mesure ces deux interprétations d'un même phénomène sont-elles reliées ? C'est la problématique à laquelle cette thèse s'intéresse, dans le cas de la reconnexion antiparallèle et pour la population ionique du plasma. La première partie de ce travail s'intéresse à l'accélération fluide et cinétique des protons au sein de la région de reconnexion. Il est montré comment le mouvement individuel des particules joue un rôle du point de vue fluide via la force de pression, jusqu'alors négligée dans les modèles. Ces résultats ont également mené dans une seconde partie à des prédictions et vérifications observationnelles basées sur les données des satellites Cluster. Dans un troisième temps, nous montrons le rôle important joué par le flux d'énergie thermique dans le transfert d'énergie au cours du processus de reconnexion, dans le cas symétrique et asymétrique. Enfin la dernière partie de ce manuscrit propose une solution au problème fondamental consistant décrire une couche de courant tangentielle asymétrique dans un état d'équilibre cinétique

Le transport radial des particules dans les tokamaks constitue une des questions les plus cruciales pour la communauté de la fusion par con finement magnétique. En eff et, d'une part la puissance de fusion est proportionnelle au carré de la pression, d'autre part l'accumulation d'impuretés lourdes dans le coeur du plasma conduit à d'importantes pertes par rayonnement qui peuvent fi nir par causer un e ffondrement radiatif du plasma. Les dent de scie et la redistribution périodique de la température et de la densité de coeur qui lui est associée peuvent a ffecter signifi cativement le transport radial des électrons et des impuretés. Dans cette thèse, nous présentons des simulations numériques de dents de scie utilisant un code tridimensionnel non linéaire de magnétohydrodynamique appelé XTOR-2F, a n d'étudier le transport de particules pendant les dents de scie. Nous montrons que le code est capable de reproduire les structures fines de densité observées après le crash de la dent de scie avec le diagnostic de réfl ectométrie à balayage rapide sur les tokamaks Tore Supra et JET. La présence de ces structures implique la possibilité que le crash de dent de scie ne soit pas aussi effi cace que prévu pour évacuer les impuretés du coeur du plasma. Cependant, en appliquant le code aux impuretés, nous montrons que finalement le taux de redistribution est quantitativement similaire à ce qui est prévu par le modèle de Kadomtsev, un résultat inattendu a priori. Nous concluons que la dent de scie est e fficace pour évacuer les impuretés du coeur du plasma.

Durant les 20 dernières années d'anciens bras latéraux du Rhin ont été restaurés par reconnexion au cours principal. L'objectif de cette thèse est d'évaluer l'efficacité de la restauration et de vérifier si l'écosystème aquatique a retrouvé sa fonctionnalité. Les communautés végétales aquatiques sont utilisées ici comme indicateurs de ces changements. De nombreux facteurs ont été mesurés : les communautés végétales, leurs traits biologiques, les flux et stocks de diaspores, la chimie de l'eau, du sédiment et des plantes, l'hydro-géomorphologie. Cette étude a été menée dans 9 sites restaurés et 3 sites de référence. Trois communautés végétales ont été identifiées : une "eutrophe", une "mésotrophe", et une "rhéophile". La composition de ces communautés est liée aux conditions physiques et trophiques, et aux flux de diaspores. Les reconnexions ont permis aux sites restaurés de retrouver des communautés et une fonctionnalité écologique semblables à celles des sites de référence. / During the last 20 years, side channels of the Rhine have been reconnected to the main course. The objective of this thesis is to assess the efficiency of restoration and the recovery of the ecosystems functionality. The aquatic plant communities were used as indicators of changes. Many factors were monitored: plant communities, their biological characteristics, flux and bank of propagules, the chemistry of water, sediment and plants, hydro-geomorphology. This study was conducted in 9 restored sites and 3 reference sites. Three aquatic plant communities were identified: eutrophic, mesotrophic and rheophilic. The composition of these communities is first linked to physical conditions and second to trophic level, together with flux of propagules. Reconnections allowed the restored sites to exhibit communities and ecological functioning similar to reference sites, in a relatively short time.

La reconnexion magnétique est un processus qui permet la conversion d'énergie magnétique en énergies cinétique et thermique, et autorise le mélange de plasmas. À la magnétopause terrestre, en particulier, elle est responsable d'un transfert d'énergie et de matière du vent solaire vers la magnétosphère. L'importance de ce transfert dépend du taux de reconnexion, qui lui-même varie en fonction des conditions locales du plasma. La présence fréquente à la magnétopause de populations froides d'origine ionosphérique est donc susceptible d'influer sur les propriétés et l'efficacité du processus. Cette thèse cherche à déterminer à l'aide de simulations numériques cinétiques quels sont les effets de ces populations froides sur la reconnexion magnétique asymétrique. La première partie de ce travail s'intéresse à la structure de la couche de courant et prouve, en se servant d'un équilibre cinétique récemment développé, que l'équilibre initial n'a en fait pas d'impact sur le développement de la reconnexion magnétique. Cette dernière ne dépend que du plasma reconnectant à un moment donné. Une deuxième partie de cette thèse montre que lorsque ce plasma contient des ions froids, ces derniers peuvent modifier des signatures observationelles des sites de reconnexion. La reconnexion magnétique chauffe et accélère également les ions froids. La troisième partie de ce travail prédit des signatures observationnelles inédites liées à cette dynamique et propose un modèle analytique pour expliquer l'une d'elles. Ces résultats pourront être confrontés aux données dans le cadre de la récente mission MMS, dont l'objectif est l'étude des sites de reconnexion à petite échelle. / Magnetic reconnection is a process allowing the conversion of magnetic energy into kinetic and thermal energies. It also leads to the mixing of plasmas. At the Earth's magnetopause, in particular, it allows the transfer of energy and matter from the solar wind to the magnetosphere. The importance of this transfer depends on the reconnection rate, which is itself dependent on local plasma conditions. The recurrent presence of cold plasma populations of ionospheric origin at the magnetopause is proposed to impact the properties and efficiency of the process. This thesis looks into the effects of such cold populations on asymmetric magnetic reconnection using the state-of-the-art numerical kinetic simulations. The first part of this work is interested in the current sheet structure and demonstrates, using a recently developed kinetic equilibrium, that the initial equilibrium in fact does not impact the properties of the ensuing magnetic reconnection growth. The latter only depends on the instantaneously reconnecting plasma. A second part of this thesis shows that when this plasma contains cold ions, these latter modify expected observational signatures of reconnection sites. Magnetic reconnection heats and accelerates cold ions. The third part of this work predicts original signatures due to this dynamics and offers an analytical model to explain one of them. These results are being confronted with data from the recent MMS mission, which is targeted at studying reconnection sites at small scales.

La capacité à libérer l’énergie stockée dans le champ magnétique et à briser le théorème du gel font de la reconnexion magnétique un des phénomènes les plus importants de la physique des plasmas. Lorsqu’elle se produit dans un environnement non-collisionel comme la magnétosphère terrestre, une modélisation cinétique est à priori nécessaire. Cependant la plupart de notre compréhension du phénomène se base sur un interprétation fluide, plus intuitive. Dans quelle mesure ces deux interprétations d’un même phénomène sont-elles reliées ? C’est la problématique à laquelle cette thèse s’intéresse, dans le cas de la reconnexion antiparallèle et pour la population ionique du plasma. La première partie de ce travail s’intéresse à l’accélération fluide et cinétique des protons au sein de la région de reconnexion. Il est montré comment le mouvement individuel des particules joue un rôle du point de vue fluide via la force de pression, jusqu’alors négligée dans les modèles. Ces résultats ont également mené dans une seconde partie à des prédictions et vérifications observationnelles basées sur les données des satellites Cluster. Dans un troisième temps, nous montrons le rôle important joué par le flux d’énergie thermique dans le transfert d’énergie au cours du processus de reconnexion, dans le cas symétrique et asymétrique. Enfin la dernière partie de ce manuscrit propose une solution au problème fondamental consistant décrire une couche de courant tangentielle asymétrique dans un état d’équilibre cinétique / Because of its ability to transfer the energy stored in magnetic field together with the breaking of the flux freezing constraint, magnetic reconnection is considered as one of the most important phenomena in plasma physics. When it happens in a collision less environment such as the terrestrial magnetosphere, it should a priori be modelled with in the framework of kinetic physics. The evidence of kinetic features has incidentally for a long time, been shown by researchers with the help of both numerical simulations and satellite observations. However, most of our understanding of the process comes from the more intuitive fluid interpretation with simple closure hypothesis which do not include kinetic effects. To what extent are these two separate descriptions of the same phenomenon related? What is the role of kinetic effects in the averaged/fluid dynamics of reconnection? This thesis addresses these questions for the proton population in the particular case of antiparallel merging with the help of 2D Hybrid simulations. We show that one can not assume, as is usually done, that the acceleration of the proton flow is only due to the La place force. Our results show, for symmetric and asymmetric connection, the importance of the pressure force, opposed to the electric one on the separatrices, in the decoupling region. In the symmetric case, we emphasize the kinetic origin of this force by analyzing the proton distribution functions and explain their structure by studying the underlying particle dynamics. Protons, as individual particles, are shown to bounce in the electric potential well created by the Hall effect. The spatial divergence of this well results in a mixing in phase space responsible for the observed structure of the pressure tensor. A detailed energy budget analysis confirms the role of the pressure force for the acceleration ; but, contrary to what is sometimes assumed, it also reveals that the major part of the incoming Poynting flux is transferred to the thermal energy flux rather than to the convective kinetic energy flux, although the latter is generally supposed dominant. In the symmetric case, we propose the pressure tensor to be an additional proxy of the ion decoupling region in satellite data and verify this suggestion by studying a reconnection event encountered by the Cluster spacecrafts. Finally, the last part of this thesis is devoted to the study of the kinetic structure of asymmetric tangential current sheets where connection can develop. This theoretical part consists in finding a steady state solution to the Vlasov-Maxwell system for the protons in such a configuration. We present the theory and its first confrontation to numerical tests.

La Nébuleuse du Crabe, contenant en son centre une étoile à neutrons très magnétisée – le pulsar du Crabe, était essentiellement considérée comme une chandelle standard stable dans les rayons-gamma. Récemment, ce point de vue a été contredit par des éruptions en rayons-gamma observées par les satellites spatiaux AGILE/Fermi-LAT. Même si le vent magnétique relativiste du pulsar est considéré comme la source d’énergie, le mécanisme physique à la base de ces événements éruptifs est encore un mystère. Nous avons, dans cette thèse, amélioré la compréhension d’un mécanisme basé sur la reconnexion magnétique rapide, partant du modèle du vent magnétique généré par le pulsar central qui perd son énergie rotationnelle. En effet, la structure du vent magnétique implique la présence des stries à lignes de champ magnétique de polarités alternées (d’où le nom "vent strié") à travers le plan équatorial du pulsar. Dans un modèle simplifié local, nous supposons l’initiation de la dynamique à partir d’une configuration à double nappe de courant (induite par la structure magnétique) dans le repère du vent strié. / The Crab Nebula, containing in its center a highly magnetized neutron star - the Crab pulsar, was essentially considered as a standard steady-state candle in gamma rays. Recently, this point of view has been challenged by gamma-ray flares observed by space satellites AGILE/Fermi-LAT. Even if the relativistic magnetic wind of the pulsar is considered to be the source of energy, the physical mechanism underlying these eruptive events is still a mystery. In this thesis, we improved the understanding of a mechanism based on fast magnetic reconnection, starting from the model of the magnetic wind generated by the central pulsar which loses its rotational kinetic energy. Indeed, the structure of the magnetic wind implies the presence of stripes with magmatic field lines of alternating polarities (hence the name "striped wind") through the equatorial plane of the pulsar. In a simplified local model, we assume the initiation of the dynamics from a double-current sheet configuration (induced by the magnetic structure) in the striped wind reference.

Dans le cadre de la fusion par confinement inertiel, une capsule contenant le combustible de deutérium-tritium est implosée soit par irradiation laser (attaque directe, interaction laser – cible de numéro atomique faible), soit par un rayonnement de corps noir émis par une cavité convertissant le rayonnement laser (attaque indirecte, interaction laser – cible de numéro atomique élevé).Dans les deux cas, une modélisation correcte du transport électronique est cruciale pour avoir des simulations hydro-radiatives prédictives. Cependant, il a été montré très tôt que les hypothèses d'un mécanisme de transport linéaire ne sont pas applicables dans le cadre de l'irradiation d'une cible solide par un laser de puissance (I~10^14 W/cm²). Cela est dû d'une part à des gradients de température très importants (effets cinétiques dits « non-locaux ») ainsi qu'à la présence d'un champ magnétique auto-généré par effet thermo-électrique. Enfin, le flux de chaleur et le champ magnétique sont fortement couplés au travers de deux mécanismes : le transport du champ magnétique par le flux de chaleur (effet Nernst) et la rotation et inhibition du flux de chaleur par la magnétisation du plasma (effet Righi-Leduc).Dans le présent manuscrit, nous commencerons par exposer les différents modèles de transport électronique, et en particulier le modèle non-local avec champ magnétique, implémenté dans le code hydro-radiatif FCI2. Par la suite, nous chercherons à valider ce modèle par des comparaisons avec un code cinétique, puis avec une expérience lors de laquelle le champ magnétique a été mesuré par radiographie proton. Cela fait, nous utiliserons le code FCI2 pour expliquer la source et le transport du champ, ainsi que son effet sur l'interaction.Enfin, nous étudierons la reconnexion du champ magnétique, lors de l'irradiation d'une cible par deux faisceaux lasers. / In the framework of the inertial confinement fusion, a pellet filled with the deuterium-tritium fuel is imploded, either through laser irradiation (direct drive, laser – low atomic number target interaction) or by the black body radiation from a cavity converting the laser radiation (indirect drive, laser – high atomic number target interaction).In both cases, a correct modeling of the electron transport is of first importance in order to have predictive hydro-radiative simulations. Nonetheless, it has been shown early on that the hypothesis of the linear transport are not valid in the framework of a solid target irradiated by a high power laser (I~1014 W/cm²). This is due in part to very steep temperature gradients (kinetic effects, so-called « non-local ») and because of a magnetic field self-generated through the thermo-electric effect. Finally, the heat flux and the magnetic field are strongly coupled through two mecanisms: the advection of the field with the heat flux (Nernst effect) and the rotation and inhibition of the heat flux by the plasma's magnetization (Righi-Leduc effect).In this manuscript, we will first present the various electron transport models, particularly the non-local with magnetic field model included in the hydro-radiative code FCI2. Following, in order to validate this model, we will compare it first against a kinetic code, and then with an experiment during which the magnetic field has been probed through proton radiography. Once the model validated, we will use FCI2 simulations to explain the source and transport of the field, as well as its effect on the interaction.Finally, the reconnection of the magnetic field, during the irradiation of a solid target by two laser beams, will be studied.

- Réalisé au centre de recherche de l'hospital du Sacré-Coeur de Montréal. - Programme conjoint entre Université de Montréal et École Polytechnique de Montréal. / La fibrillation auriculaire (FA) est la forme d’arythmie la plus fréquente chez les êtres humains. Les mécanismes qui gouvernent l’initiation et les manifestations de cette maladie sont complexes, de nature dynamique, incluant des interactions à travers multiples échelles temporelles et spatiales dans les oreillettes. Ceci conduit très souvent à des manifestations imprévisibles et à des phénomènes qui émergent à l’échelle de l’organe, et qui se reflètent à l’échelle de tout le torse. Pour remédier à ce problème, on peut effectuer une ablation par cathéter, qui consiste à créer sur le tissu auriculaire des lésions linéaires qui bloquent et contraignent la propagation électrique. Parfois, ces lignes se reconnectent quelque temps après l’intervention, ce qui mène à des récidives, nécessitant ainsi une nouvelle intervention. Le but de ce projet est de modéliser un suivi de l’onde P post-opératoire pour détecter de manière non-invasive la reconnexion des lignes d’ablation et ainsi prédire les récidives de fibrillation auriculaire. À l’aide d’un modèle mathématique des oreillettes et du thorax, les ondes P sont simulées avant et après ablation, ainsi qu’après reconnexion de certaines lignes d’ablation. Les résultats montrent que la morphologie et les caractéristiques de l’onde P, ainsi que la carte d’activation sont affectées significativement par l’ablation et les reconnexions subséquentes. Ces différences sont plus facilement détectables lorsque les reconnexions naissent sur la veine pulmonaire inférieure gauche. Les changements sont plus importants pour les électrodes placées sur certaines zones du torse, notamment dans le dos. Ces nouvelles données aident actuellement à la conception d’une étude clinique pour valider l’approche. / Atrial fibrillation (AF) is the most common form of arrhythmia in humans. The mechanisms governing the initiation and manifestations of that disease are complex, dynamic in nature, including interactions across multiple spatial and temporal scales in the atria. This often leads to unpredictable manifestations and phenomena that arise at the level of the organ, and are reflected across the entire torso. To remedy that problem, catheter ablation can be carried out, which consists in creating linear lesions which block and force the electrical propagation in the atrial tissue. Sometimes these lines reconnect after the procedure, which leads to atrial fibrillation recurrence, thus requiring a new intervention. The purpose of this work is to model the monitoring of the postoperative P wave to detect non-invasively the reconnection of ablation lines and to predict atrial fibrillation recurrences. Using a mathematical model of the atria and thorax, the P waves are simulated before and after ablation, as well as after reconnection of some ablation lines. The results show that the morphology and the characteristics of the P wave as well as the activation map are significantly affected by the ablation lines and the subsequent reconnections. These differences are more easily detected when reconnections arise on the left inferior pulmonary vein. The changes are most important in electrodes placed in certain areas of the torso, notably in the back. These new data are helping to plan a clinical study to validate the approach.

La reconnexion magnétique est un processus omniprésent et fondamental dans la physique des plasmas spatiaux. La "Magnetospheric multiscale mission" (MMS) de la NASA, lancée le 12 mars 2015, a été conçue pour fournir des mesures in-situ permettant d'analyser le processus de reconnexion dans la magnétosphère terrestre. Dans ce but, quatre satellites identiquement instrumentés mesurent les champs électromagnétiques et les particules chargées dans les régions de reconnexion, avec une résolution temporelle cent fois meilleure que celle des missions précédentes. MMS permet, pour la première fois, d'étudier les structures microscopiques associées à la reconnexion magnétique et, en particulier, la région de diffusion électronique. Au niveau de la magnétopause terrestre, la reconnexion magnétique a un rôle chef dans le transport de l'énergie du vent solaire vers la magnétosphère terrestre, en convertissant l'énergie magnétique en énergie cinétique et thermique. Les événements à transfert de flux (FTEs) sont considérés comme l'un des produits principaux et les plus typiques de la reconnexion magnétique à la magnétopause terrestre. Cependant, des structures magnétiques 3D plus complexes, avec des signatures similaires à celles des FTEs, peuvent également exister à la magnétopause. On retrouve, par exemple, des tubes de flux entrelacés qui résultent de reconnexions magnétiques ayant eues lieu à des sites différents. La première partie de cette thèse étudie l'un de ces événements, qui a été observé dans des conditions de vent solaire inhabituelles, au voisinage de la magnétopause terrestre par MMS. Malgré des signatures qui, à première vue, semblaient cohérentes avec un FTE classique, cet événement a été interprété comme étant le résultat de l'interaction de deux tubes de flux avec des connectivités magnétiques différentes. La haute résolution temporelle des données MMS a permis d'étudier en détail une fine couche de courant observée à l'interface entre les deux tubes de flux. La couche de courant était associée à un jet d'ions, suggérant ainsi que la couche de courant était soumise à une compression qui a entraîné une reconnexion magnétique à l'origine du jet d'ions. La direction, la vitesse de propagation et la taille de différentes structures ont été déduites en utilisant des techniques d'analyse de données de plusieurs satellites. La deuxième partie de la thèse fournit une étude complémentaire à la précédente et s'intéresse aux ondes observées autour de la couche de courant. / Magnetic reconnection is a ubiquitous and fundamental process in space plasma physics. The NASA's Magnetospheric Multiscale mission (MMS) launched on 12 March 2015 was designed to provide in-situ measurements for analyzing the reconnection process at the Earth's magnetosphere. In this aim, four identically instrumented spacecraft measure fields and particles in the reconnection regions with a time resolution which is one hundred times faster than previous missions. MMS allows for the first time to study the microscopic structures associated with magnetic reconnection and, in particular, the thin electron diffusion region. At the Earth's magnetopause, magnetic reconnection governs the transport of energy and momentum from the solar wind plasma into the Earth's magnetosphere through conversion of magnetic energy into kinetic and thermal energies after a rearrangement of magnetic field lines. Flux Transfer Events (FTEs) are considered to be one of the main and most typical products of magnetic reconnection at the Earth's magnetopause. However, more complex 3D magnetic structures with signatures akin to those of FTEs might also occur at the magnetopause like interlaced flux tubes resulting from magnetic reconnection at multiple sites. The first part of the work presented in this thesis consisted of the investigation of one of these events that was observed, under unusual and extreme solar wind conditions, in the vicinity of the Earth's magnetopause by MMS. Despite signatures that, at first glance, appeared consistent with a classic FTE, this event was interpreted to be the result of the interaction of two separate sets of magnetic field lines with different connectivities. The high time resolution of MMS data allowed to resolve a thin current sheet that was observed at the interface between the two sets of field lines. The current sheet was associated with a large ion jet suggesting that the current sheet was submitted to a compression which drove magnetic reconnection and led to the formation of the ion jet. The direction, velocity and scale of different structures were inferred using multi-spacecraft data analysis techniques. This study was completed with a plasma wave analysis that focused on the reconnecting current sheet.

Cette théese est basée sur la représentation Eulerienne-Lagrangiene de la vitesse, qui nous appelons la transformation de Weber-Clebsch.<br />Constantin a construit en 2002 une extension de la description de Weber-Clebsch des fluides parfaits aux fluides visqueux. La nécessité de réinitialiser périodiquement les coordonnées Lagrangiennes à été interprété par Constantin comme un diagnostique de la reconnexion de la <br />vorticité. Le système de Constantin est contenu dans notre formulation, qui est plus générale, dans une limite singulière.<br /><br />Pour comparer les résultats obtenus en utilisant notre formulation généralisée à ceux qui sont obtenus dans la formulation de <br />Constantin nous avons procédé à des simulations numériques d'un certain nombre d'écoulements obéissants aux équations de Navier<br />Stokes.<br /><br />Des extensions à la magnéto hydrodynamique et aux fluides compressibles sont également proposées et validées numériquement.