Les mécanismes qui contrôlent le stockage du carbone dans le sol ne sont pas tous clairement identifiés et il reste une grande incertitude concernant leur quantification. L'usage et la gestion des sols sont les facteurs principaux qui influencent les transformations de la matière organique, déterminant la minéralisation du carbone et de l'azote ou leur rétention dans le sol<br />L'objectif principal de cette thèse est l'identification des processus physiques et biologiques qui sont influencés par la localisation des résidus dans le sol, en interaction avec la qualité de ces résidus. La localisation initiale des résidus modifie des propriétés physiques du sol : les dynamiques d'eau, le transport des solutés ou la température du sol. La qualité biochimique des résidus influence les processus (micro-)biologiques : les biotransformations du carbone et de l'azote, l'activité et la composition des populations microbiennes dans le sol. Ces changements physiques et biologiques interagissent, peuvent modifier la structure du sol (par l'agrégation) et, en retour, influencer la décomposition de la matière organique. <br />La première partie de ce travail traite de l'influence de la qualité des résidus végétaux et du type de sol sur la minéralisation du C et N en contact 'optimal' avec le sol (incorporation homogène des résidus finement coupés). Il est montré que sous conditions contrôlées et d'azote non limitant, la qualité des résidus est le facteur principal déterminant la vitesse de décomposition. Le type de sol a un effet négligeable sur les dynamiques de décomposition à court terme. Par contre, la minéralisation du carbone à plus long terme dépend du type de sol, ce qui est probablement lié aux différences dans la capacité du sol à stabiliser du carbone soluble ou d'origine microbienne.<br />La deuxième partie traite de l'effet de la localisation des résidus sur la minéralisation du C et N pour des résidus de colza dans un sol limoneux. Des colonnes de sol sont construites avec des résidus soit incorporés soit laissés à la surface du sol. Les colonnes sont placées périodiquement sous un simulateur de pluie pour simuler des conditions hydriques relativement similaires au champ. L'évaporation du sol est fortement réduite avec le mulch, ce qui conduit à une humidité du sol plus grande que lorsque les résidus sont incorporés. Simultanément, on observe un dessèchement rapide du mulch de résidus. Le C et N issu des résidus est distribué différemment dans le sol selon que ceux-ci sont à la surface ou incorporés. Les différences dans la disponibilité d'eau et des nutriments conduisent à une vitesse de décomposition plus lente pour des résidus à la surface que pour des résidus incorporés dans le sol. Cependant, la minéralisation nette de l'azote est plus grande dans le sol sous mulch qu'avec incorporation des résidus en raison de l'humidité plus grande qui favorise la minéralisation et d'une moindre organisation d'azote.<br />L'influence de la localisation des résidus sur le devenir du C et N dans le sol et dans les agrégats est examinée afin d'évaluer les mécanismes qui contrôlent le stockage du carbone dans le sol. A court terme, une grande partie de la matière organique particulaire (MOP) est retenue à la surface du sol avec le traitement mulch alors que toute la MOP a disparu quand les résidus sont incorporés. La présence des résidus augmente la taille moyenne des agrégats comparé au sol témoin et des agrégats plus larges sont trouvés dans la couche de sol 0-5 cm sous le mulch que dans la couche ou les résidus sont incorporés. La quantité totale du C des résidus récupérée dans les agrégats est similaire avec les résidus laissés à la surface et les résidus incorporés, mais elle est distribuée différemment dans le profil du sol. Malgré les différences dans la façon dont le C 'nouveau' entre dans le sol, la distribution relative du C des résidus dans les micro et macro agrégats est la même pour les deux localisations, probablement parce que dans les deux cas le C des résidus entre dans les agrégats sous forme soluble.<br />Finalement, l'interaction entre la localisation des résidus et leur qualité est étudiée. Un mulch réduit fortement l'évaporation du sol et l'importance de cette réduction dépend de la qualité physique du mulch. Des changements dans l'humidité du mulch, identifié comme facteur principal qui détermine la décomposition du mulch, dépend aussi de la qualité (physique) des résidus. Avec l'incorporation des résidus, la vitesse de minéralisation de C est principalement influencée par la qualité biochimique des résidus. L'interaction la plus forte entre localisation et qualité des résidus est observée sur les dynamiques de l'azote : la minéralisation nette de l'azote est déterminée par l'interaction entre l'humidité du sol (effet localisation) et la disponibilité de l'azote (effet qualité). Ces résultats permettent de développer et de calibrer un module du modèle PASTIS (Garnier et al., 2003), conçu pour simuler la décomposition d'un mulch. La modélisation avec PASTISmulch a permis d'avoir accès au flux brut d'azote, d'estimer le transport des nitrates et le lessivage potentiel dans le profil du sol, et de quantifier l'impact de la localisation et qualité des résidus sur la minéralisation du C et N dans le sol.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Biodiversité et Écosystèmes fossiles et actuels : Lille 1 : 2005. / N° d'ordre (Lille 1) : 3629. Résumé en français et en anglais. Contient un article en anglais reproduit en annexe. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 213-228.

L'étude de l'incorporation de l'azote dans des bioverres du système SiO2-Na2O-CaO, a été abordée selon une approche globale de la synthèse des bioverres oxynitrurés et oxyfluoronitrurés jusqu'à leurs caractérisations physico-chimiques, mécaniques et biologiques. Les protocoles de synthèse de ces verres dopés à l'azote ont été mis en place. Les différents verres élaborés ont présenté une structure amorphe et homogène. Des analyses WDS ont confirmé l'insertion de l'azote dans ces verres. L'ajout du fluor dans la composition des verres a permis de conserver le maximum d'azote dans les verres. Des études structurales par RMN-MAS du 29Si pour les verres oxynitrurés (Si-Na-Ca-O-N), et parRMN-MAS du 29Si et du 19F pour les verres oxyfluoronitrurés (Si-Na-Ca-N-O-F), ont permis de mettre en évidence des entités constitutives du réseau silicate, et de confirmer aussi l'insertion de l'azote au sein du verre.L'étude de l'influence de l'azote introduit dans la matrice vitreuse sur les propriétés physicochimiques et mécaniques a également été étudiée, et a montré une augmentation de ces propriétés avec le taux d'azote.Le comportement des différents verres a ensuite été évalué lors de tests in vitro en milieu physiologique simulé pour différents délais d'immersion, en l'absence puis en présence de cellules. L'influence de l'azote inséré dans les verres sur la bioactivité a ainsi été étudiée. Enfin, une étude bactériologique a été réalisée sur les verres oxynitrurés et oxyfluoronitrurés.

Nous avons étudié l’application de plusieurs mesures d’isotopes stables afin de caractériser les processus du cycle de l’azote et les sources d’azote dans les lacs tempérés à diverses échelles spatiales et temporelles. Les résultats d’une étude à travers 65 lacs sur un gradient trophique ont démontré que le ratio d’isotopes stables d’azote (δ15N) des sédiments de surface est un indicateur de l’importance relative des sources d’azote anthropique, mais que ce ratio peut être altéré par la diagenèse. La mesure du δ15N des sédiments demeure néanmoins un outil permettant de déterminer à long terme le changement des charges en azote anthropique aux écosystèmes lacustres et les causes de l’eutrophisation de ces systèmes. Nos résultats d’une étude sur la variation saisonnière de plusieurs isotopes stables dans trois lacs peu profonds situés sur un gradient trophique et ayant différents régimes de stratification ont démontré que cette approche est prometteuse dans les lacs mésotrophes et stratifiés. Dans ces systèmes, le δ15N de la matière organique particulaire (MOP) aurait le potentiel de déterminer les sources d’azote assimilées par le phytoplancton. Cependant les mesures d’isotopes stables du carbone (δ13C) et du ratio C:N indiquent que les apports de matières organiques du bassin versant peuvent altérer les relations observées. Nous avons également constaté une déviation de la relation 1:1 entre les isotopes stables d’azote et d’oxygène (δ18O) du nitrate (NO3-) indiquant son assimilation et sa nitrification simultanée. Cette application est particulièrement prometteuse puisque la nitrification est méconnue dans les lacs et peut exacerber les effets de l’eutrophisation. / We studied the application of multiple stable isotopes measures with the overall objective of improving our understanding of nitrogen cycling and sources in temperate lakes over different spatial and temporal scales. Results from our study across 65 lakes on a trophic gradient demonstrated that surface sediment nitrogen stable isotope ratio (δ15N) is an indicator of the relative importance of anthropogenic N loads, but that diagenesis can alter this ratio. Nevertheless, sediment core δ15N is a powerful proxy for the determination of longterm changing anthropogenic N loads to lake ecosystems and the causes of lake eutrophication. Results from our second study on multiple stable isotopes seasonal variation in three shallow lakes along a trophic gradient and with different stratification regimes have demonstrated that such an approach is particularly promising in mesotrophic and stratified lakes. In these systems, our results showed that the suspended particulate organic matter (SPOM) δ15N could be used to assess the nitrogen sources assimilated by phytoplankton. However, measurement of carbon stable isotopes (δ13C) and C:N ratios from the SPOM showed that the observed relationships can be altered by watershed derived organic matter. We have also found a deviation from the 1:1 relationship between nitrogen and oxygen stable isotopes (δ18O) of nitrate (NO3-) indicating a simultaneous NO3- assimilation and nitrification in our stratified system. The application of dual nitrate isotopes is promising in the study of nitrification since this process is not well understood in lakes and can increase the severity of eutrophication symptoms.

Lors de certains scénarios accidentels, percement de cuve de réacteur avec entrée d'air, dénoyage de piscinesde manutention, de stockage ou d'entreposage de combustibles usés, ou encore certains accidents de transport,les assemblages combustibles des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP), peuvent se retrouver privés de leurrefroidissement et exposés à l'air. Dans ces conditions, la température des assemblages s'élève et les gaines descrayons combustibles, en alliage à base de zirconium, s'oxydent. Par rapport à une oxydation sous vapeur, lavitesse de dégradation des gaines est beaucoup plus élevée, d'une part à cause de l'enthalpie élevée de laréaction zirconium-oxygène, comparée à la réaction zirconium-vapeur d'eau, et d'autre part parce que l'azotecontribue à la dégradation. Des phénomènes d'emballement sont attendus qui peuvent rapidement conduire à laperte de la fonction de confinement assurée par les gaines.L'objectif de cette thèse a été d'affiner la compréhension des mécanismes d'oxydation sous air à hautetempérature des deux alliages de zirconium les plus utilisés dans les REP français, le Zircaloy-4 et le M5®, et depréciser le rôle de l'azote.Des tronçons de gaines vierges de Zircaloy-4 et M5® ont été oxydés dans une thermobalance sous air enconditions isothermes à des températures comprises entre 800°C et 1000°C. Plusieurs techniquesexpérimentales (spectroscopie micro-Raman, EPMA, DRX, microscopies optique et électronique à balayage...)ont été mises en oeuvre pour caractériser les couches d'oxyde. La formation et l'évolution des différentes phasesqui composent ces couches (zircone monoclinique, quadratique et cubique, oxynitrure de zirconium et ZrN) ontainsi pu être mises en évidence et analysées en fonction de l'avancement de l'oxydation. Des mécanismesd'oxydation ont été proposés, et la résistance à l'oxydation plus importante de l'alliage M5® par rapport auZircaloy-4 a été expliquée.Les informations recueillies permettront d'alimenter des modèles visant à prédire le comportement des gaineslors de l'oxydation en situation accidentelle avec entrée d'air (transitoire de température, composition évolutive dela phase gazeuse...).

Thèse (Ph.D.)--Université Laval, 2006. / Bibliogr. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

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Le projet expérimental international ITER vise à tester la faisabilité de la fusion nucléaire en tant que source d'énergie. Le banc d'essai sera un tokamak où le deutérium et le tritium seront fusionnés et des ions d'hélium et des neutrons énergétiques seront produits. Une partie de l'énergie produite sera déposée dans la zone divertor. Afin de préserver le divertor en tungstène d'ITER, il est envisagé d‘injecter de l'azote au niveau du divertor afin de rayonner plus uniformément la charge d'énergie. Ce mode opérationnel soulève plusieurs questions. Tout d'abord, comment la rétention du combustible de fusion (deutérium et tritium) dans les premières parois de tokamak sera-t-elle affectée? En particulier, est-ce que l'azote implanté agira comme une barrière à la désorption pour le tritium? Deuxièmement, à quelle production d'ammoniac peut-on s‘attendre due aux processus réactifs sur les matériaux des premières parois? Cette thèse présente une étude approfondie de l'interaction du tungstène avec le deutérium et l'azote, avec l‘examen de plusieurs facteurs clés: la rétention de l'azote et du deutérium en fonction de la fluence; l'évolution dynamique de la rétention d‘atomes de deutérium après l'implantation; l'influence de l'azote pré-implanté sur la rétention de deutérium; et la détermination quantitative de l‘ammoniac produit après une implantation séquentielle d‘azote et de deutérium dans le tungstène. Une attention particulière est donnée à l'identification précise des mécanismes de piégeage pour chacune des deux espèces de gaz (azote et deutérium) dans le tungstène. / The international experimental project ITER aims to test the feasibility of nuclear fusion as an energy source. The test bed will be a tokamak reactor where deuterium and tritium will be fused and energetic helium ions and neutrons will be released. A part of the produced energy will be exhausted in the divertor area of the tokamak. In order to preserve the tungsten divertor of ITER, it is envisioned to use nitrogen injection above the divertor in order to radiate more evenly the incident power loads. This operational plan raises several issues. Firstly, how the retention of fusion fuel (deuterium and tritium) in the tokamak first walls will be affected? In particular, does the implanted nitrogen act as a desorption barrier for tritium? Secondly, how much production of ammonia can be expected from reactive processes on the first wall materials? This thesis presents an extensive study of the interaction of tungsten with deuterium and nitrogen, with several key factors being investigated: the nitrogen and deuterium retention as a function of fluence; the dynamic evolution of retained deuterium atoms after implantation; the influence of the pre-implanted nitrogen on deuterium retention; and the amounts of ammonia that are produced on tungsten after sequential implantation of nitrogen and deuterium. A special focus is directed towards identifying the exact trapping mechanisms for each of the two gas species (nitrogen and deuterium) in tungsten.

La météorologie de l’espace est un domaine dédié à l’étude de l’impact des variations de l’activité solaire sur l’environnement spatial de la Terre. Celles-ci peuvent avoir des conséquences importantes sur les technologies humaines, comme les réseaux de lignes haute-tension ou les systèmes de télécommunication par satellites. Ces mêmes variations sont également à l’origine des aurores, phénomènes observés dans la haute atmosphère de la Terre au niveau des pôles, au pied des lignes de champ magnétique. Elles vont pouvoir nous servir de traceur dans l’étude des particules so- laires piégées dans l’environnement spatial de notre planète.Les émissions aurorales, complexes, de part leur étalement et différen- ciation en altitude et de leur diversité spectrale, restent un challenge ob- servationnel.Les émissions atomiques aurorales sont bien documentées, mais ce n’est pas toujours le cas des émissions moléculaires, qui sont pourtant une source d’information potentielle sur les précipitations énergétiques prove- nant de la magnétosphère. C’est dans ce contexte que se place la définition de la mission du nanosatellite ATISE (Auroral Thermospheric and Ionosphe- ric Spectrometer Experiment), développé au Centre Spatial Universitaire de Grenoble. Il aura pour but l’observation de la haute atmosphère terrestre via l’acquisition de spectres dans le proche UV et le visible.Le diazote N2 et son ion N2+ font partie des composés majoritaires de l’atmosphère, et sont donc un choix cohérent afin de définir l’observabilité des émissions moléculaires. Le monoxyde d’azote NO est une espèce mino- ritaire dans la thermosphère, mais va avoir un rôle clé dans la destruction d’ozone stratosphérique, et donc dans la problématique du dérèglement climatique.Les émissions de ces composés, et notamment leurs profils verticaux ainsi que intensités ont été étudiées grâce au modèle TRANS, qui résout l’équation de Boltzmann pour le transport d’électrons. Ceci nous a aidé à caractériser les besoins scientifiques de la mission ATISE. Dans un second temps, l’analyse des résultats du démonstrateur-sol de ce nanosatellite a montré le potentiel de cette mission, bien que certaines spécifications ne soient pas encore atteintes. Enfin, toujours dans cette logique de recherche de nouvelles quantités observables pour la météorologie de l’espace, une dernière partie abordera la polarisation de la lumière aurorale, avec l’étude de la bande à 427,8 nm de N2+ . / Space weather is the study of the Solar activity’s impact on Earth’s space environment. This is relevant as it may have serious consequences over modern technology, such as high-voltage power lines grids or telecommu- nication systems via satellites. Solar activity is also the phenomenon that causes the aurorae, which can be seen in Earth’s upper atmosphere, at the poles, at the base of magnetic field lines. Due to this aurorae may be used as a proxy for the study of Solar particles trapped in Earth’s magnetic field.Auroral emissions are complex, as they are spread over various altitudes and wide spectral ranges. Therefore, they remain an observational chal- lenge.Emissions from atomic lines transitions in aurorae are well documented and understood, but this is not always the case for molecular emissions. These are a potential source of information on energetic inputs from the magnetosphere. This is the context in which the ATISE (Auroral Thermo- spheric and Ionospheric Spectrometer Experiment) nanosatellite was designed in the Grenoble University Space Center. Its purpose will be to observe Earth’s upper atmosphere through the acquisition of spectra in near-UV and visible domains.Dinitrogen N2 and its ion N2+ are major components of Earth’s atmos- phere at larges altitudes, and therefore a logical choice in order to define molecular emission observability. On the other hand, nitrogen monoxide NO is a minor component in the thermosphere, but has a key role in stra- tospheric ozone destruction, and therefore has important consequences on the climate.Auroral emissions, and more particularly their vertical profiles and in- tensities were studied with the TRANS model, which solves the Boltzmann equation for electron transport in the atmosphere. We used these results to define the scientific requisites for the ATISE mission. In a second phase, we tested and analyzed the results of a ground demonstrator of the instru- mentation that will be found in the nanosatellite. It showed great potential, despite the fact that part of the specifications are not yet fulfilled. Finally, still looking for new observables quantities for space weather, we studied the polarisation of auroral light, with a focus on the 427,8 nm band of N2+.

Lors de certains scénarios accidentels, percement de cuve de réacteur avec entrée d’air, dénoyage de piscinesde manutention, de stockage ou d’entreposage de combustibles usés, ou encore certains accidents de transport,les assemblages combustibles des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP), peuvent se retrouver privés de leurrefroidissement et exposés à l’air. Dans ces conditions, la température des assemblages s’élève et les gaines descrayons combustibles, en alliage à base de zirconium, s’oxydent. Par rapport à une oxydation sous vapeur, lavitesse de dégradation des gaines est beaucoup plus élevée, d’une part à cause de l’enthalpie élevée de laréaction zirconium-oxygène, comparée à la réaction zirconium-vapeur d’eau, et d’autre part parce que l’azotecontribue à la dégradation. Des phénomènes d’emballement sont attendus qui peuvent rapidement conduire à laperte de la fonction de confinement assurée par les gaines.L’objectif de cette thèse a été d’affiner la compréhension des mécanismes d’oxydation sous air à hautetempérature des deux alliages de zirconium les plus utilisés dans les REP français, le Zircaloy-4 et le M5®, et depréciser le rôle de l’azote.Des tronçons de gaines vierges de Zircaloy-4 et M5® ont été oxydés dans une thermobalance sous air enconditions isothermes à des températures comprises entre 800°C et 1000°C. Plusieurs techniquesexpérimentales (spectroscopie micro-Raman, EPMA, DRX, microscopies optique et électronique à balayage…)ont été mises en oeuvre pour caractériser les couches d’oxyde. La formation et l’évolution des différentes phasesqui composent ces couches (zircone monoclinique, quadratique et cubique, oxynitrure de zirconium et ZrN) ontainsi pu être mises en évidence et analysées en fonction de l’avancement de l’oxydation. Des mécanismesd’oxydation ont été proposés, et la résistance à l’oxydation plus importante de l’alliage M5® par rapport auZircaloy-4 a été expliquée.Les informations recueillies permettront d’alimenter des modèles visant à prédire le comportement des gaineslors de l’oxydation en situation accidentelle avec entrée d’air (transitoire de température, composition évolutive dela phase gazeuse…). / In nuclear plants, some accidental situations can result in air exposure of Pressurized Water Reactor (PWR) fuelassemblies: air ingress following a breach in the reactor vessel, deflooding during handling, spent fuel storagepool deflooding. Deprived of cooling source, the assemblies temperature raises and the fuel cladding, made out ofzirconium based alloys, oxidize. Compared to a steam oxidation, the degradation kinetic of the cladding is higher,on the one hand because of the high enthalpy of the zirconium-oxygen reaction (compared to zirconium-steamreaction), on the other hand because of the nitrogen contribution to the degradation. Temperature escalation andreaction runaway are expected and can rapidly lead to the loss of integrity of the cladding tubes.The objective of this PhD thesis was to affine the understanding of the high temperature air oxidation mechanismsof the two mostly used zirconium alloys in French PWR, Zircaloy-4 and M5®. Special attention has been paid toclarify the role of nitrogen.As-received Zircaloy-4 and M5® claddings segments have been oxidized in a thermobalance in air in isothermalconditions at temperatures between 800°C and 1000°C. Several characterization techniques (micro-Ramanspectroscopy, EPMA, XRD, optical and scanning electron microcopies...) have been used to analyze the oxidelayers. Identification and evolution of the different phases (monoclinic, tetragonal and cubic zirconia, zirconiumoxynitride and ZrN) has been evidenced and analyzed at several step of the oxidation process. Oxidationmechanisms have been proposed and the better oxidation resistance of the M5® alloy, compared to Zircaloy-4alloy, has been explained.The collected information will allow improvement of modeling aiming to predict the behavior of the claddings invarious accidental situations with air ingress (temperature transients, evolution of the gas phase composition…).