Grâce au développement récent des lasers de puissance, le domaine de l'interaction laser-matière a beaucoup évolué, ouvrant depuis quelques années, entre autres, la possibilité de générer des faisceaux d'ions à des énergies de plusieurs MeV. Soumise à de très fortes intensités laser (> 1018 W/cm2), une cible solide est rapidement transformée en plasma. Une fraction de sa population électronique est accélérée à des vitesses relativistes et à l'origine de la génération d'ions à des énergies très élevées. Les faisceaux de particules ainsi produits affichent des caractéristiques particulièrement intéressantes pour différentes applications (diagnostics de plasmas denses, fusion inertielle, protonthérapie...). Cependant, malgré la montée en puissance des installations laser, pour nombre d'entre elles, les énergies atteintes restent aujourd'hui insuffisantes, suscitant un important effort de recherche visant à optimiser les processus d'accélération. En se plaçant dans un régime d'interaction de ultra-haut contraste, nous avons étudié l'influence de l'épaisseur de la cible sur l'accélération des ions et dégager l'intérêt de l'interaction avec des feuilles minces. Au-delà d'un accroissement de l'énergie et du nombre d'ions accélérés par réduction de l'épaisseur de la cible, nous avons mis en évidence les caractéristiques de chaque étape de l'interaction. De plus, en tirant parti de ces conditions optimales d'interaction, nous avons étudié l'influence d'un gradient ionique en face arrière de la cible sur l'accélération des ions, conditions dans lesquelles intervient un mécanisme fin de déferlement ionique.

Lors d'événements météorologiques extrêmes, cyclones ou tempêtes, les états de mer exceptionnels avec un déferlement important provoquent une montée du niveau de l'eau sur le littoral (surcote) et un envahissement des terres émergées amplifié par l'effet du vent. Cela peut causer d'énormes dégâts humains et matériels (Xynthia, février 2010).Dans un premier temps, le but de ce travail était de comprendre les mécanismes hydrodynamiques mis en jeu lors des tempêtes. Pour cela, nous avons mis en place une campagne de mesures dans la grande soufflerie air-eau de l'IRPHE à Luminy. L'objectif était de quantifier le runup des vagues en fonction d'un vent onshore (jusqu'à 15m/s) pour différentes conditions de houle (régulière, irrégulière ou vent seul) mais aussi de connaître les effets du vent sur les caractéristiques de la houle et sur les courants moyens près du rivage.Dans un deuxième temps, un modèle numérique de type Boussinesq dans le domaine temporel a ensuite été développé en tenant compte des effets combinés vagues/vent/déferlement. Ce modèle est basé sur l'approche de Bingham et al. (2009). Il intègre une bathymétrie variable pour modéliser la propagation d'ondes à l'abord du rivage. Un terme d'amplification des vagues par le vent, Jeffreys (1925, 1926), Miles (1957) ainsi qu'un terme de dissipation pour tenir compte du déferlement ont été introduit, Madsen et al. (1997a), Muscari et Di Mascio (2002). Enfin un modèle simple de runup a été implémenté, Hibberd et Peregrine (1979), Lynett et al. (2002). Afin d'être validé le modèle est confronté à diverses expériences de la littérature, ou à des expériences déjà réalisées au sein du laboratoire. / During extreme weather events like cyclones and storms, the extreme states sea withimportant breaking cause a level setup and coastal flooding magnified by strong wind and can cause human and material damage (Xynthia, february 2010).Initially, the aim of this work is to understand the hydrodynamics mechanisms when storms. To understand this, a measurement campaign was carried out in large air/sea facility at Marseille Luminy. The objective was to quantify maximum runup due to the wind and waves during onshore wind (up to 15m/s) for different conditions of waves (regular, irregular or only wind) and also to know the effect of wind on the waves characteristics and currents near the shore.A Boussinesq-type model in time domain has been developed taking into account the combined effects of wave/wind/breaking. The model that we use is based on the model developed by Bingham et al. (2009). It incorporates a variable bathymetry to simulate the propagation of the waves from offshore to the coastal environment. Amplification of waves by wind is added in two different ways. Jeffreys (1925, 1926), Miles (1957) and to take into account the dissipation of wave, we included a dissipation term, Madsen et al. (1997a), Muscari and Di Mascio (2002). Finally, we introduced the simple runup model of Hibberd et Peregrine (1979), Lynett et al. (2002). In order to validate the model, we have compared our results with differents experiments.

L'objectif de ces travaux est d'étudier la dynamique de différents types de vagues extrêmes en eau peu profonde et plus particulièrement les tsunamis et les vagues scélérates. Pour modélisation et analyse, les simulations numériques sont réalisées à l'aide d'une méthode d'intégrales de frontières appelée BIEM (Boundary Integral Equation Method). Dans un premier temps nous considérons numériquement la dynamique des ondes solitaires, modèles simples pour les vagues de tsunamis dont la phase appelée "runup" sera l'objet d'un développement particulier. Afin de valider le modèle BIEM, nous confrontons les résultats numériques d'une onde solitaire déferlante avec une approche expérimentale. Une méthode de génération numérique de ces ondes est ensuite développée. Enfin une étude complète sur la collision frontale de deux ondes solitaires de Tanaka est effectuée. Un nouveau phénomène est alors découvert, puis exploré, la formation d'un jet résiduel en chute libre apparaissant à partir d'une valeur critique du paramètre de non linéarité a/h. Nous considérons ensuite numériquement la génération de vagues scélérates en eau peu profonde par focalisation d'énergie due à la nature dispersive des vagues. Ce travail s'attache à étudier entre autres l'influence du vent sur la dynamique de ces vagues. Le mécanisme d'abri proposé par Jeffreys est modifié par l'introduction d'un seuil de pente pour lequel un décollement aérien au-dessus des vagues apparaît. Ces vagues sont alors amplifiées et leur durée de vie est significativement augmentée."

Nous considèrons le ballottement des liquides dans les réservoirs cylindriques pour de forts taux de remplissage. Le système est soumis à une oscillation rectiligne horizontale et périodique de basse fréquence. Des visualisations ainsi que des mesures temporelles de la position de la surface libre par sonde capacitive ont permis de détailler les mouvements d'ondes ainsi que la déstabilisation du front. Trois régimes sont mis en évidence : un mode plan antisymétrique, un régime chaotique et un mode tournant. Le mode forcé est très bien modélisé par un pendule simple amorti. Ce modèle mécanique permet de prévoir la coexistence initiale du mode propre décroissant et du mode forcé et de déterminer l'amplitude stationnaire et le déphasage par rapport à l'excitation. La résonance est observée pour des fréquences inférieures à la fréquence propre linéaire du mode 1, la non linéarité est négative pour ces taux de remplissage. Le mode plan déferle alors et un régime pseudo périodique d'alternance des différents modes et de phases de brisure s'installe. L'étude détaillée de la brisure est réalisée en cuve carrée. Le front de l'onde à la paroi est déstabilisé par des ondes transverses de type Faraday. Cette instabilité donne lieu à une forte modification du profil de l'onde. Elle conduit également à une importante création de bulles entraînées et de gouttes par un phénomène de splashing. Pour des fréquences légèrement supérieures à la fréquence de résonance linéaire, le mode tournant, onde progressive azimutale, émerge. Ce mode existe pour des fréquences élevées par mise en rotation de la masse de fluide et effet Doppler. Il reste stable pour des amplitudes d'ondes très importantes.

En zone littorale, la houle subit de fortes transformations par effets bathymétriques. Une meilleure compréhension de ses modifications et des transferts d'énergie associés permet de mieux appréhender les problèmes de dimensionnement de structures côtières et d'aménagement du littoral (protection du littoral, influence des ouvrages sur la côte).<br />L'objectif de ce travail est d'étudier expérimentalement et numériquement la propagation et le déferlement<br />d'ondes de gravité.<br />La première partie, expérimentale, propose des méthodes de calcul, basées sur les houles de Stokes, pour la mesure d'ondes partiellement stationnaires à partir d'instruments de type électromagnétique (S4) ou<br />acoustique (ADV) donnant des mesures synchrones de vitesses et/ou de pression. Les influences du courant,<br />de la direction de propagation, de la profondeur d'immersion des appareils ainsi que des effets non<br />linéaires sont alors étudiés à partir de données en bassin et in situ.<br />La deuxième partie, numérique, consiste en la validation d'une méthode de suivi de surface libre de type<br />SL-VOF (Semi-Lagrangian Volume Of Fluid), insérée dans un code de calcul industriel (code EOLE de la<br />société Principia R&D). L'onde de gravité est modélisée par un soliton. L'étude de la propagation et du<br />déferlement du soliton est effectuée pour deux applications : sur une marche (discontinuité du fond) puis sur un fond de pente constante 1/15. L'évolution de la surface libre, son élévation et le champ de vitesses<br />sont alors comparés aux résultats expérimentaux.

Ce travail porte sur les processus locaux de déstabilisation, d'érosion et de transport des sédiments sous l'action des vagues en zone de déferlement. L'étude s'appuie sur une modélisation physique menée dans le canal à houle du LEGI avec un sédiment léger pour respecter les similitudes de Rouse et de Shields. Dans ces expériences, nous développons des techniques de mesure optiques, acoustiques et de pression. Ces capteurs nous permettent de caractériser la couche limite en vitesses et en concentration mais aussi d'étudier la réponse du lit aux sollicitations des vagues via la quantification de profondeurs d'érosion, d'épaisseurs de la couche de sédiments en mouvement, fortement concentrée et de la transmission de la pression interstitielle. L'influence des non-linéarités de la houle sur le transport sédimentaire est étudiée, en particulier la dissymétrie de l'accélération (ou asymétrie). Elle est constatée sur la mesure de flux sédimentaire. Deux mécanismes sont identifiés. i) Une asymétrie hors de la couche limite conduit à une dissymétrie de vitesse dans la couche limite qui produit un transport net. ii) L'accélération hors de la couche limite est proportionnelle au gradient horizontal de pression et l'effort de pression qu'il suscite peut déstabiliser le lit (plug-flow). Nous vérifions dans nos expériences que la contrainte de cisaillement (caractérisée par le nombre de Shields) et le gradient de pression (caractérisé par le nombre de Sleath) peuvent alternativement déstabiliser le lit. / This study investigates the local processes of surf-zone bed sediment destabilization, erosion and transport. It is based on a physical model in the LEGI wave flume using lightweight sediment to fulfill scaling laws. Optical, acoustical and pressure sensors measurements technics were developped. The sensors are used simultaneously to characterize the bottom boundary layer in terms of velocities and concentration. The bed response was also determined measuring erosion depth, sheet-flow thickness and pore-pressure pressure transmission. This work mainly focuses on non-linearities of the flow and their effect on transport, especially the acceleration skewness. It is shown that this asymmetry contributes to the sediment transport in two different ways. One mechanism is that the free-stream asymmetry of the flow results in a velocity skewness near the bed, it produces a net transport. The second one is that the free-stream acceleration is proportional to the horizontal pressure gradient. This pressure stress can destabilize the bed in a form of a plug-flow. Our results show that shear stress (characterized by the Shields number) and pressure gradients (characterized by the Sleath number) can in turn destabilize the bed.

Cette thèse présente une simulation, en canal à houle, des processus naturels hydrodynamiques etde transport sédimentaire de la zone de déferlement bathymétrique. L’analyse spatio-temporelle dela structure moyenne et instantanée de l’écoulement repose sur un jeu de mesures hauterésolutions.On effectue une étude des processus de couche limite et de l’impact des processus desurface libre sur le fond sédimentaire.Un profil de plage en forme de terrasse est engendré par le déferlement de séries de vagues irrégulières(JONSWAP) sur un fond mobile constitué de sédiments de faible densité (_ _ 1.19). Dans cesconditions, la mesure acoustique (ADVP) de profils de vitesse, de concentration et de flux de sédimentsest synchronisée à des séquences d’images vidéo et à des mesures de hauteurs de vagues.Une analyse de l’évolution des quantités moyennes hydrodynamiques et de transport solide est réaliséedans la zone de déferlement. Une analyse à l’échelle intra-vague aborde la structure del’écoulement sous le déferlement de vagues irrégulières. Enfin, on s’attache à une comparaison de lacontrainte au fond sous une vague déferlée calculée par des modèles physiques, à celle obtenue parmesures directes. / This thesis presents a wave channel simulation of the hydrodynamic and sediment transportprocesses in the wave breaking region. The spatio-temporal analysis of the mean and instantaneousflow structure relies on a full set of high resolution data. The study focuses on processes related tothe wave boundary layer and to the impact of surface breaking on the mobile bed.A terraced beach profile is generated by the breaking of irregular wave sequences (JONSWAP) on amobile bed constituted of low density sediments (_ _ 1.19). In these conditions, the acoustic measurementof velocity profiles, concentration profiles and sediment flux profiles are synchronised withsequences of video images and wave heights. An analysis of the evolution of mean hydrodynamicand sediment transport quantities is undertaken across the entire wave breaking zone. An intra-waveanalysis on the flow structure below irregular breaking waves is carried out. Finally, bed shear stressbelow a breaking wave predicted by different physical models and direct measurements, are comparedand discussed.

Les récentes paramétrisations utilisées dans les modèles spectraux de vagues offrent des résultats intéressants en termes de prévision et rejeux des états de mer. Cependant, de nombreux phénomènes physiques présents dans ces modèles sont encore mal compris et donc mal modélisés, notamment le terme de dissipation lié au déferlement des vagues.Le travail présenté dans cette thèse vise dans un premier temps à analyser et critiquer les paramétrisations existantes de la dissipation, au travers de la modélisation explicite des propriétés du déferlement sous-jacentes. Du constat de l’échec de ces paramétrisations à reproduire les observations in situ et satellite du déferlement, une nouvelle méthode d’observation et d’analyse des déferlements est proposée à l’aide de systèmes de stéréo vidéo. Cette méthode permet l’observation des déferlements sur des surfaces de mer reconstruites à haute résolution par stéréo triangulation. Ainsi, une méthode complète de reconstruction des surfaces de mer en présence de vagues déferlantes est proposée et validée. La détection des vagues déferlantes sur les images et leur reprojection sur les surfaces reconstruites est également discutée. Bien que peu d’acquisitions soient disponibles, les différents paramètres observables grâce à l’utilisation de la stéréo vidéo sont mis en avant. Ce travail montre l’intérêt des systèmes vidéo stéréo pour une meilleure observation et compréhension du déferlement des vagues, pour le développement des paramétrisations de la dissipation dans les modèles spectraux de vague. / The recent parameterizations used in spectral wave models provide today interesting results in terms of forecast and hindcast of the sea states. Nevertheless, many physical phenomena present in these models are still poorly understood and therefore poorly modeled, in particular the dissipation source term due to breaking. First, the work presented in this thesis is aimed at analyzing and criticizing the existing parameterizations of the dissipation through the explicit modeling of the underlying properties of breaking. The finding of the failure of these parameterizations to reproduce the in situ and satellite observations, a new method for the observation and the analysis of breaking is proposed using stereo video systems . This method allows the observation of breaking waves on the high-resolution stereo-reconstructed sea surfaces. Therefore, a complete method for reconstruction of the sea surfaces in the presence of breaking waves is proposed and validated.The detection of breaking waves on the images and their reprojection on reconstructed surface is also discussed. Although too few acquisitions are available to draw firm results, an overview of the various observable parameters through the use of stereo video is given.This work shows the importance of stereo video systems to a better observation and understanding of the breaking waves, required in order to improve dissipation source term in spectral wave models.

La diffraction des ondes électromagnétiques par des surfaces rugueuses intéresse de nombreux domaines comme l'Optique, la furtivité, la compatibilité électromagnétique ou bien encore la télédétection. La modélisation de ce phénomène peut se faire soit à l'aide de théories rigoureuses basées sur la résolution des équations de Maxwell, soit avec des théories approchées. Actuellement, le problème tridimensionnel de la diffusion des ondes électromagnétiques par des surfaces rugueuses éclairées sous incidence rasante ne peut pas être résolu de manière satisfaisante par les méthodes rigoureuses. Ces méthodes ne peuvent donc pas être utilisées pour estimer la validité des méthodes approchées pour ce type d'incidence. Afin de résoudre ce problème, de nouvelles équations intégrales de frontière ont été développées. A l'aide du théorème d'extinction et du théorème de réciprocité, le comportement du champ diffracté pour les angles rasants a pu être déterminé. A partir de ces résultats, l'amplitude diffractée a été reformulée afin d'obtenir explicitement le bon comportement du champ pour de tels angles. Une technique de résolution numérique de l'équation intégrale obtenue a été mise en oeuvre pour des surfaces rugueuses infiniment conductrices en polarisation Horizontale. La validation a été menée par comparaison avec des résultats issus du formalisme intégral classique, pour des angles d'incidence raisonnables. La pertinence de quelques méthodes approchées pour des incidences rasantes a été étudiée. Le problème de diffraction par la surface de la mer ne pouvant être résolu de manière rigoureuse pour des vents supérieurs à 4m/s, l'étude s'est portée sur les modèles à deux échelles et les fonctions d'ombrage. Nous montrons que ces dernières ne sont pas adaptées à la surface océanique. Enfin, en comparant un modèle à deux échelles, combinant l'Optique géométrique et l'approximation des faibles pentes, aux données expérimentales de Nathanson, nous avons montré que les phénomènes hydrodynamiques comme le déferlement augmentent de manière significative l'énergie rétro-diffusée dans les angles rasants.

Avec 70% de la surface de la planète recouverte par les mers et les océans, la présence de particules salées, produites majoritairement par le déferlement de vagues, représente une composante majeure dans le cycle géochimique de l'atmosphère et dans le bilan radiatif terrestre. Nos connaissances doivent progresser vers une description et une modélisation des flux actuels plus précises afin d'être capable d'anticiper les changements éventuels de la composition de l'atmosphère. Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre général d'une meilleure caractérisation des particules injectées dans l'atmosphère par le déferlement des vagues. Un des objectifs est d'etudier la validité des modèles paramétriques et numériques pour prédire la variation spatio-temporelle des particules d'aérosols à l'échelle locale et régionale. Une première partie du travail est consacrée à l'étude de la variation spatiale des concentrations d'aérosols dans une zone côtière méditerranéenne. Pour ce faire, un couplage entre un code météorologique méso-échelle (RAMS) et un modèle déterministe de distributions d'aérosols développé par le LSEET (Medex)a été réalisé. Les prédictions du couplage sont confrontées aux données enregistrées lors d'une campagne expérimentale menée en mai 2007 à la station de mesures du laboratoire sur l'île de Porquerolles. Une deuxième partie du travail s'est concentrée sur l'amélioration du modèle paramétrique Medex. A partir, de données enregistrées en mai 2007, les prédictions de Medex ont été affinées, en particulier par correction de l'influence saisonnière. Dans une troisième partie, on s'est intéressé aux paramètres qui influencent les variations de concentrations en aérosols lors d'un épisode de Mistral. Il est montré que des paramètres autres que la vitesse du vent interviennent, tel que le fetch et la hauteur de la couche limite marine. Une dernière partie est consacrée au développement d'un modèle numérique de transport des aérosols. Les premiers résultats permettent de montrer l'influence de la stabilité atmosphérique sur les profils horizontaux et verticaux d'aérosols.