Les carbones amorphes hydrogénés (a-C:H ou HAC) constituent une composante importante de la poussière interstellaire. Ces grains hydrocarbonés sont observés au travers de bandes d'absorption IR à 3.4, 6.9 et 7.3 microns, caractéristiques des vibrations des liaisons C-H aliphatiques. Leurs signatures spectrales sont détectées dans le milieu interstellaire diffus de différentes lignes de visée de la Voie Lactée, mais aussi de nombreuses autres galaxies. Cette thèse porte sur l'étude de ces a-C:H interstellaires, à la fois au travers d'observations de ces poussières, et grâce à la synthèse et la caractérisation d'analogues de laboratoire.Une première partie de mon travail de thèse est consacrée à l'observation de la bande à 3.4 microns des a-C:H du milieu interstellaire diffus galactique en direction de la source IRAS 18511+0146. La bande d'absorption des modes d'élongation C-H détectée dans cette direction, vers différentes lignes de visée proches les unes des autres, présente des profondeurs optiques similaires et les plus fortes observées dans la Voie Lactée en dehors du centre galactique. Différentes interprétations de la profonde bande dans cette direction sont discutées.Des analogues de ces poussières carbonées aliphatiques ont été synthétisés en laboratoire, sous forme de films, grâce à un plasma, et reproduisent bien les bandes IR observées dans le milieu interstellaire diffus. Ces échantillons ont été caractérisés par spectroscopie d'absorption dans l'UV-visible et l'IR.Puisque les a-C:H émettent un rayonnement visible après absorption de photons UV ou visibles, une partie de la thèse est consacrée à une étude systématique de cette photoluminescence. Pour la première fois, les rendements absolus et intrinsèques de photoluminescence d'a-C:H sont déterminés pour une large gamme de longueurs d'onde d'excitation. Les propriétés de la photoluminescence des a-C:H sont confrontées aux observations de l'Emission Rouge Etendue, une large bande d'émission interstellaire dont les porteurs ne sont pas identifiés.Afin de déduire l'influence des rayons cosmiques sur ces poussières carbonées, les analogues produits ont été irradiés par différents ions énergétiques dont le dépôt d'énergie est similaire à celui du rayonnement cosmique interstellaire. Les effets induits ont été suivies par IR. L'analyse de la déshydrogénation des a-C:H observée au travers de la disparition progressive des bandes des C-H aliphatiques permet de déduire l'évolution de ces poussières interstellaires et de leurs signatures spectrales sous l'effet des rayons cosmiques. La destruction induite par les rayons cosmiques est comparée aux effets de l'exposition aux photons UV et aux atomes d'hydrogène afin d'interpréter l'évolution de la bande d'absorption à 3.4 microns observée dans le milieu interstellaire diffus, mais pas dans les nuages denses.

Les travaux réalisés au cours de cette Thèse ont contribué à améliorer l'estimation de l'humidité de surface du sol et de l'humidité racinaire sur la bande sahélienne en Afrique de l'ouest. La première partie a été consacrée à évaluer la capacité de différents algorithmes d'estimations de l'humidité du sol basées sur des mesures satellites dans le domaine spectral de l'infrarouge thermique. Dans un deuxième temps, une méthode a été développée dans le but d'obtenir une cartographie de l'humidité du sol à une résolution temporelle fine (< 3h) en se basant sur deux produits satellites: un produit satellite de précipitation et une cartographie journalière micro-onde sensible à l'humidité du sol. Dans un troisième temps, une évaluation de la fiabilité et de la robustesse de la méthodologie a été proposée. Enfin, une méthode semi-empirique a été utilisée afin de produire une cartographie de l'humidité de la zone racinaire (0-1 m) sur l'ensemble de la bande sahélienne. Les mesures de terrain obtenues sur trois sites situés au Mali, au Niger et au Bénin dans le cadre du programme AMMA ont servi de référence pour évaluer la qualité des estimations de l'humidité superficielle et racinaire à chaque étape de ce travail. Les résultats montrent qu'une estimation de l'humidité superficielle du sol est possible avec une précision de moins de 3 % vol. sur la bande sahélienne. L'erreur est de l'ordre de 5% vol. sur la zone soudanienne (Bénin). La précision est identique sur l'estimation de l'humidité racinaire. Enfin, la méthode développée permet parallèlement de corriger les produits satellites de précipitation et notamment la surestimation du cumul annuel et du nombre d'événements des trois produits satellites utilisés dans ce travail.

L'astronomie gamma des Très Hautes Energies utilise jusqu'à aujourd'hui exclusivement comme détecteurs le Photomultiplicateur à Tube (PMT) pour capter les faibles flux lumineux des gerbes atmosphériques. Mais une alternative commence à apparaitre : les photodiodes à avalanche polarisées en mode Geiger appelées APD Geiger. Le PMT est un détecteur conçu dans les années 70 qui présente certes de nombreux avantages mais qui souffre également d'inconvénients comme la taille, le coût, le poids ou encore la sensibilité aux champs magnétiques et surtout la difficulté à réaliser une pixellisation en matrice. Les APD-Geiger, sont des dispositifs à semi-conducteur composés d'une jonction PN intégrée dans une technologie spéciale pour la détection de très faible flux lumineux grâce à leur polarisation au delà de la tension d'avalanche. Les APD-Geiger présentent un gain de photoélectrons très élevé (~106), bien que dépendant fortement de la tension de polarisation au delà de l'avalanche. Ces photodiodes présentent de nombreux avantages par rapport aux photomultiplicateurs, notamment du point de vue de leur miniaturisation pour des applications basées sur l'imagerie, comme la détection de flashs Tcherenkov en astronomie gamma. Dans cette thèse, nous présentons l'étude, la conception et la réalisation de cette structure technologique basée sur du Silicium. Cette structure a montré sa fiabilité pour la détection de faibles flux lumineux avec une tension de claquage de 12V et un courant de fuite ne dépassant pas 10pA au claquage. Nous avons également mis au point, différents modèles physiques et électriques indispensables aux démarches d'optimisation technologiques ainsi qu'au développement des circuits de commande et de lecture, i.e. la base de toute technologie d'imagerie. Le travail présenté ici consiste en l'étude, la conception et la réalisation d'une matrice de pixels à haute sensibilité. Un projet de télescope Cerenkov basé sur cette technologie innovante est finalement présenté

La Cordillère Principale des Andes semi-arides est un relief transitoire qui se developpe suite au soulèvement des Andes initié à l'Oligocène. L'altitude des pédiments de la Cordillère Principale par rapport à ceux de la Cordillère de la Côte indique que ce soulèvement a atteint deux kilomètres. Ce qui se marque par de profondes vallées incisés (~2 km) qui se sont développées dans la haute cordillère depuis six millions d'années. Les volumes incisés de ces vallées et la concentration de 10Be des sédiments fluvio-glaciaires indiquent des vitesses d'érosion de l'order de trente a soixante-quinze mètres par million d'années, des valeurs qui sont relativement constantes depuis les six derniers millions d'années. Pendant cette période la dynamique de transfert de matière a été modulée par l'érosion glaciaire et l'exportation des sédiments fluvio-glaciaires vers l'aval des fronts glaciares plio-quaternaires.

L'objectif de cette thèse est d'améliorer les connaissances sur les processus et les facteurs de contrôle des flux d'altération chimiques à l'échelle d'un petit bassin versant tropical (Mule Hole, Inde du Sud). Le rôle de la minéralogie et du climat est étudié grâce à la modélisation. Dans la première partie du travail, les sols (fersialsols, vertisols) et la roche mère (gneiss) sont caractérisés minéralogiquement et chimiquement afin de procéder, dans la seconde partie, à la modélisation des processus. Le modèle géochimique est couplé avec un modèle hydrologique. Premièrement, les processus actuels sont étudiés. Le modèle est calibré grâce à la composition chimique du ruisseau et de la nappe. Les flux d'altération à l'échelle du bassin sont reproduits. Ils mettent en évidence le rôle prépondérant de l'altération des smectites (5% volumique dans les sols) sur le bilan d'altération du bassin. Finalement, des tests de sensibilité à la minéralogie et au climat sont réalisés.

Les précipitations, notamment la pluie, constituent un phénomène naturel qui a un très fort impact socio-économique, surtout lorsqu'elles ont un caractère torrentiel. Pour prendre en compte cet aspect, les systèmes hydrologiques d'alerte et de prévision ont besoin d'une information spatio-temporelle plus détaillée et des prévisions fiables de précipitation à très court terme. Ceci a une importance particulière dans de situations d'urgence (crues éclair, gestion de réseaux d'assainissement urbain, des barrages, etc.). Les champs de nuages et de précipitations demeurent les champs les plus difficiles a simuler pour les actuels modèles de prévision météorologiques. En effet, les échelles spatiotemporelles de ces modèles restent largement supérieures a celles qui sont pertinentes pour les précipitations : les mécanismes des précipitations sont essentiellement parametrisés et les pluies ne sont estimées que sur des échelles relativement grossières. De plus, le temps de mise en route de ces modèles est souvent prohibitif pour des prévisions à court terme. Différentes méthodes statistiques de traitement des images satellites et radar ont été développées pour combler ce déficit de prévision. Ces méthodes prennent en compte un grand nombre d'information à petite échelle, mais elles n'ont pas de base physique, en particulier elles ne prennent pas en compte la dynamique fortement non linéaire des cellules orageuses. Une alternative permettant a priori de dépasser, à l'aide des méthodes multi fractales, les limites des précédentes méthodes a été récemment considérée. Elle est fondée sur les modèles de cascade et prend en compte la hiérarchie des structures ainsi que leurs interactions non linéaires sur une grande gamme d'échelle spatio-temporelles, l'anisotropie entre espace et temps, et causalité. Fondamentalement, les processus de cascade développent des gradients de contenu en eau des plus en plus grands sur des fractions de plus en plus petites de l'espace physique. Ce type de modèles a l'avantage d'avoir un nombre limite de paramètres qui ont une signification physique forte et peuvent être évalues soit théoriquement, soit empiriquement. Dans cette thèse on présente la mise en oeuvre d'une procédure correspondant à cette alternative et son application à l'événement du 8-9 septembre 2002 a Nîmes, en utilisant des données radar fourni par la Direction de la Climatologie de Meteo-France, pour déterminer leurs caractéristiques multi fractales. On présente aussi la mise en oeuvre d'une procédure pour la simulation et prévision de champs de pluie multifractale et l'étude de la loi de perte de prédictibilité attendue.

Mon activité de recherche concerne la dynamique des sédiments cohésifs, appliquée aux écosystèmes côtiers et continentaux. Du fait de son impact sur le transit des polluants et la dégradation des sols, cette activité figure au coeur des missions de l'Institut de Recherche pour le Développement auquel j'appartiens. La dégradation de la quantité et de la qualité des sols constitue un enjeu de Société, notamment en terme de sécurité alimentaire. Les principaux résultats de recherche obtenus concernent : 1. les processus physiques de dépôt des sédiments cohésifs dans les systèmes aquatiques naturels (laboratoire et estuaire de la Gironde) 2. la vulnérabilité de l'écosystème côtier aux modifications géomorphologiques (Guyane) 3. la dégradation des écosystèmes continentaux semi-arides par érosion des sols (France et Mexique) 1. Le premier thème de recherche a essentiellement été abordé sous un angle expérimental et analytique en étroite collaboration avec M. Mory, H. Michallet (Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels, Grenoble) et A.Manning (Marine Institute of the University of Plymouth, UK) dans le cadre du projet européen COSINUS. Les avancées principales attraient à la floculation des sédiments fins et la dynamique des fluides stratifiés particulaires en milieux naturels (rivière, lac, estuaire, côte). Le flux massique de dépôt des sédiments croît fortement avec la concentration en matière solide C dans la gamme [0-1] g.l-1. La diminution de la distance inter-floc (d/Df ~O(10)) entraîne une augmentation du nombre de chocs et favorise la floculation. Pour des concentrations plus élevées (1-5 g.l-1), nous avons pu montrer expérimentalement que l'augmentation drastique du nombre de collisions ne modifiait pas le caractère constructif (floculation) des collisions et cela, même dans des conditions de turbulence significatives (Gratiot and Manning, 2004 ; 2007a ; 2007b). Pour des concentrations dans la gamme C=[5-100] g.l-1, le comportement des sédiments cohésifs nécessite une approche multidisciplinaire alliant la physique des flocs, la mécanique des fluides et la rhéologie. Du fait des difficultés d'instrumentation inhérentes aux crèmes de vase (très forte concentration, mesures très près du fond), nos contributions les plus significatives sur le dépôt des sédiments cohésifs ont été obtenues en laboratoire (Gratiot et al., 2005) puis ont été appliquées sur l'estuaire de la Gironde dans le cadre d'une collaboration avec l'UMR Environnements et Paléoenvironnements OCéaniques (EPOC, Bordeaux) et le Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels (LEGI, Grenoble) (Sottolichio et al., submitted). Nous avons pu montrer que l'évolution du flux de chute des sédiments ws C ) varie de plusieurs ordres selon la nature des sédiments (cohésifs ou non cohésifs), le régime de l'écoulement (laminaire ou turbulent) et la concentration. 2. A plus grande échelle, nous nous sommes intéressés à la dynamique de l'écosystème côtier du plateau des Guyanes (Amérique du Sud). Ce travail s'est fait en interaction avec différents acteurs de la recherche (acteurs du Programme National d'Environnement Côtier : chantier Guyane), de l'Observation de la Terre depuis l'espace (CNES-CSG) et de la protection de la Nature (WWF, association Kwata). Le développement de méthodes de suivi de l'écosystème et le couplage des approches de laboratoire et de terrain ont conduit à des avancées quant à la migration des bancs de vase (Baghdadi et al., 2004 ; Gardel and Gratiot, 2005, 2006 ; Gratiot et al., 2007 ; Anthony et al., 2008 ;Gratiot et al., 2008), la colonisation de la frange côtière par la mangrove (Fiot and Gratiot 2006 ; Proisy et al. 2009) ou encore la vulnérabilité de l'écosystème à la dynamique côtière (Lefebvre et al. 2004 ; Gratiot et al., 2006 ; Kelle et al., 2007, 2009). Le résultat le plus original précise le rôle du cycle nodal de marée (à 18.6 ans) sur la vulnérabilité côtière, avec des extrapolations possibles à l'échelle planétaire (Gratiot et al., 2008). 3. Depuis mon intégration au sein de l'équipe RIVER du Laboratoire des Transferts en Hydrologie et Environnement (jan. 2005), j'aborde la dynamique sédimentaire en milieu continental semi-aride. Deux sites pilotes (BV de la Bléone, France ; BV de Cointzio, Mexique) ont été retenus et sont soutenus au plan national (projet ANR STREAMS, 2007-2009) et international (projet Européen DESIRE, convention IRD-Univ. National. Auton. de Mexico, 2007-2011). Le suivi en continu du réservoir de Cointzio a révélé un fonctionnement hydro-sédimentaire particulièrement contraignant, tant pour l'écosystème que pour les gestionnaires. Situé dans un environnement de pluie tropicale de montagne, les caractéristiques morphométriques du réservoir (profond et de faible volume) amplifient les variabilités locales. L'écosystème lacustre s'adapte donc à des conditions environnementales très contrastées au cours de l'année (Susperregui et al., 2009 ; Némery et al., 2009). L'évolution pluri-décennale du cycle de l'eau sur le bassin versant de Cointzio a, quant à elle, révélé une augmentation significative de la contribution des eaux de ruissellement vis-à-vis des eaux de nappes (Gratiot et al., 2010). Cette évolution est une conséquence directe et préoccupante des changements anthropiques engagés depuis les années 1970. Les travaux en cours visent à caractériser les temps de résidence des sédiments, les flux sédimentaires et biogéochimiques associés, en couplant approches hydro-sédimentaire et de traçage (par éléments majeurs, par spectrométrie et par datation isotopique) (Duvert et al., 2009 ; Evrard et al., in prep.). Par la suite, l'inter comparaison des bassins versants de la Bléone (France) et de Cointzio (Mexique) devrait permettre des avancées significatives quant à l'optimisation des protocoles d'échantillonnage (Borga et al., 2008 ; Némery et al., 2010) et la définition des invariants qui gouvernent la dynamique sédimentaire des bassins versants de meso-échelle.

Le travail, basé sur les données de plusieurs campagnes scientifiques de pêche, est divisé en deux parties indépendantes. La première partie s'inscrit dans la recherche d'une méthodologie de suivi des stocks à l'aide d'indicateurs basés sur les seules campagnes scientifiques. Pour cela, on a sélectionné des indices décrivant la distribution spatiale d'une population halieutique: centre de gravité, inertie, anisotropie, microstructure, diverses mesures d'aires, etc. Ces indices ont été choisis en particulier de façon à ne pas dépendre d'une délimitation arbitraire du champ, la contribution d'un échantillon à valeur nulle de densité de poissons valant zéro. Appliqués à la population de merlu européen du golfe de Gascogne, ces indices permettent de décrire la dynamique spatiale des différents groupes d'âge, ainsi que leur variabilité interannuelle. Par ailleurs, de tels indices spatiaux se révèlent être des indicateurs de la dynamique de la population, ainsi qu'en témoignent des corrélations significatives avec des paramètres démographiques, observées sur une variété de stocks européens. De façon à assurer un meilleur suivi de l'état d'un stock, indices spatiaux et indices biologiques ont enfin été combinés par la méthode des MAF (Min-max Autocorrelation Factors), qui vise à réduire le bruit en extrayant les composantes les plus continues dans le temps. Cette technique a été appliquée sur la morue de mer du Nord et l'anchois du golfe de Gascogne. La seconde partie vise à évaluer, dans l'estimation d'abondances à partir de campagnes acoustiques, la part d'incertitude provenant de l'échantillonnage spatial. L'estimation de l'abondance provenant du signal acoustique enregistré le long de transects, ainsi que de facteurs biologiques mesurés en des stations de chalutage, il est nécessaire de combiner les incertitudes des deux sources. On a recours pour cela à des simulations géostatistiques conditionnelles de modèles multivariés spécifiques (à base de simulations gaussiennes transformées et d'un échantillonneur de Gibbs pour le traitement des nombreuses valeurs nulles de l'acoustique). La méthode a été appliquée au hareng autour des îles Shetland et à l'anchois dans le golfe de Gascogne.

Les déchets radioactifs sont stockés dans des milieux poreux multi-phasiques. Un nouveau modèle d'endommagement, formulé en variable indépendantes (contrainte nette, succion et contrainte thermique) est proposé pour ces géomatériaux. La variable d'endommagement est un tenseur d'ordre deux, dont les valeurs principales croissent avec la tension. Les relations contrainte/déformation sont dérivées de l'énergie libre, dont l'expression est postulée. Les rigidités dégradées sont calculées en appliquant le principe de l'Energie Elastique Equivalente pour chaque variable d'état. La fissuration est prise en compte dans les transferts d'humidité, au moyen de longueurs internes. Le modèle d'endommagement a été intégré dans le code d'Eléments Finis Θ-Stock. Le modèle mécanique a été validé en comparant des résultats numériques à des résultats expérimentaux et théoriques. Les tendances données par le modèle dans les études paramétriques sur des configurations réalistes complexes sont bonnes.

Cette thèse présente l'étude d'un système convectif à méso-échelle (MCS), observé à Niamey (Afrique de l'Ouest) au cours de la campagne AMMA (Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine) en 2006, à l'aide d'un modèle numérique à méso-échelle (BRAMS). L'objectif est de documenter le cycle de vie de ce type de système nuageux complexe et de caractériser les processus microphysiques prépondérants à l'aide d'observations synthétiques. Pour cela, plusieurs simulateurs d'instruments de télédétection ont été couplés aux sorties du modèle afin de créer un jeu de données qui soit comparable aux observations réalisées durant la campagne (au sol, aéroportées et satellitaires) : un radar à 95 GHz (facteur de réflectivité équivalente et vitesse Doppler), un lidar à 532 nm (coefficient de rétrodiffusion atténué) et un radiomètre infrarouge (températures de brillance à 8.7, 10.6, et 12 µm). Les comparaisons directes et statistiques ont mis en évidence l'importance de l'utilisation d'un schéma microphysique à deux moments pour la restitution de ce type de système. La caractérisation à méso-échelle de ce MCS a été effectuée en utilisant une méthode originale de discrimination des parties convectives, stratiformes et cirriformes à partir des températures de brillance et des réflectivités radar. L'analyse statistique des champs de température de brillance a permis de vérifier que le modèle BRAMS représente de façon réaliste le cycle de vie du MCS étudié. Dans le cadre d'une analyse à petite échelle, les comparaisons entre les réflectivités radar et les vitesses Doppler (observées et simulées) ont montrées que le processus de givrage était surestimé par le modèle même dans la partie stratiforme du MCS. L'étude des différents échanges entre classes d'hydrométéores a permis de mettre évidence le fait que les agrégats givrés, souvent observés, n'étaient pas correctement restitués par le modèle. Un ajustement de la paramétrisation de deux classes d'hydrométéores glacés (agrégat et graupel) est donc nécessaire. Le paramètre de forme des lois gamma utilisées pour représenter la distribution en taille de ces hydrométéores, ainsi que les coefficients des lois masse-diamètre doivent être modifiés afin de mieux représenter la gamme des densités observées in situ. Néanmoins, la variabilité des distributions en tailles calculées à partir des 7 classes d'hydrométéores dans cette partie de l'enclume est en accord avec les distributions observées in situ.