Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Le travail présenté dans ce mémoire a eu pour but une meilleure description et compréhension des structures spatiales et des variations temporelles du champ magnétique terrestre.<br /><br /> Dans une première partie, nous décrivons et utilisons deux méthodes de modélisation du champ magnétique terrestre.<br />La première méthode utilisée est le développement en harmoniques sphériques. En utilisant les mesures fournies par les observatoires magnétiques et par les récents satellites, Ørsted et CHAMP, et en leur appliquant des critères de sélection, nous avons calculé des modèles candidats aux DGRFs de 1995 et 2000.<br /> La seconde méthode que nous avons développée est la description du champ géomagnétique à l'aide des frames d'ondelettes de Poisson. Les comparaisons avec les harmoniques sphériques et les représentations de fonctions scalaires sur la sphère, illustrent la flexibilité de la méthode : le développement en frames d'ondelettes s'adapte à la répartition des données sur la sphère. Un même modèle en frames d'ondelettes comporte de petites échelles spatiales dans les zones où les données sont denses et des échelles spatiales plus grandes dans les régions où elles sont plus disparates. Les champs vectoriels dérivant de potentiels harmoniques, tels le champ magnétique et le champ de pesanteur, sont développés à partir des frames d'ondelettes.<br /><br /> Dans la seconde partie, nous étudions la variation temporelle du champ magnétique terrestre principal, la variation séculaire. Sa caractéristique la plus énigmatique est l'occurrence, à intervalles irréguliers, de brusques changements de sa tendance : les secousses géomagnétiques. Ces évènements sont détectables par l'analyse en ondelettes appliquée aux moyennes mensuelles des observatoires. Malheureusement, la distribution des observatoires est très irrégulière à la surface du Globe. Pour contourner ce problème dans l'étude des secousses géomagnétiques, une solution s'est alors imposée : l'utilisation de modèles de champ globaux et continus dans le temps, de type "comprehensive model". Nous avons ainsi étudié, par des méthodes simples, les répartitions temporelles et spatiales des secousses, vues par ces modèles, en tout point du globe sur les quatre dernières décennies. Nous nous sommes focalisé sur les secousses autour de 1971, 1980 et 1991 et avons mis en évidence des zones "aveugles", ou aucune secousse n'a été clairement détectée. Enfin, nous présentons une possible relation entre les secousses géomagnétiques et un paramètre physique à la surface du noyau, la pression dynamique absolue.<br /><br /> L'utilisation des ondelettes, en tant qu'outils de modélisation et d'analyse, permet d'explorer les échelles spatiales et temporelles du champ magnétique terrestre.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Parmi les méthodes de reconstitution de l'histoire du champ géomagnétique, l'étude des variations de la production atmosphérique d'isotopes cosmogéniques s'est récemment développé. Cette production est modulée au premier ordre et aux échelles multimillénaires par l'intensité du champ géomagnétique. Son enregistrement dans les archives de l'environnement terrestre en apporte une lecture indépendante, donc complémentaire des méthodes paléomagnétiques. Ce travail vise à retracer les changements de taux de production de 10Be enregistrés dans les sédiments marins, afin de restituer les variations du moment géomagnétique depuis environ 800 000 ans. Les rapports 10Be/9Be authigéniques mesurés par Spectrométrie de Masse par Accélérateur le long de trois séquences de différentes latitudes, permettent de caractériser la production globale de 10Be sur deux intervalles de temps. (1) Lors de la baisse du moment dipolaire associée à l'excursion Laschamp (~41 000 ans BP), la surproduction de 10Be à 38°N et 2°S, confirmée par des mesures de 10Be/230Thxs, est identique à celle restituée dans les glaces du Groenland. (2) L'étude menée sur une carotte prélevée à l'équateur couvrant l'intervalle 800 000 – 250 000 ans BP (époque Brunhes), révèle les phases successives de surproduction globale de 10Be déclenchées par les chutes de moment dipolaires liées à l'inversion Brunhes-Matuyama d'une part et d'autre part à une dizaine d'excursions documentées. La calibration de ces enregistrements avec des valeurs absolues disponibles dans la littérature permet la quantification des moments dipolaires. / Among the methods for reconstructing the geomagnetic field history, studying the variations in cosmogenic isotopes production in the atmosphere has recently developed. At multi millennial scales, this production is mainly modulated by the geomagnetic field intensity. Its record in terrestrial archives provides an independent reading to complement paleomagnetic methods. This work aims at tracing the changes in 10Be production rates recorded in marine sediments, in order to reproduce the geomagnetic variations for the past 800,000 years. Authigenic 10Be/9Be ratios measured using Accelerator Mass Spectrometry along three sequences from different latitudes, characterize the 10Be global production during two time intervals. (1) During the dipole moment low associated with the Laschamp excursion (~ 41,000 years BP), the 10Be overproduction at 38°N and 2°S, confirmed by measurements of 10Be/230Thxs, is identical to that recorded in the Greenland ice sheet. (2) Studying a core collected near the equator and covering the interval 800,000 – 250,000 years BP (Brunhes epoch) reveals the successive phases of global 10Be overproductions triggered by dipole moment lows associated to the Brunhes-Matuyama reversal and also to several other documented excursions. Calibrating these records with absolute values available in the literature allows quantifying dipole moments. These are then compared to paleomagnetic reference reconstructions over the same time series. Bearing out the number and extent of these dipole field lows allows considering to refine their chronology before using their features to get a better understanding of the geodynamo rhythms throughout the last Million years.

Les rayons cosmiques d'ultra-haute énergie forment un sujet d'astroparticules très actif car nos connaissances dans ce domaine sont encore loin d'être complètes. Par exemple, ni la nature ni les sources de ces particules ne sont clairement identi- fiées. Le seul fait expérimental bien établi à ce jour est l'existence d'une coupure dans le flux en énergie, autour de 4 × 1019 eV, en bon accord avec la coupure prédite par Greisen-Zatsepin-Kuzmin, comme conséquence de l'interaction des rayons cosmiques avec le rayonnement de fond cosmologique, aux énergies les plus hautes. Concernant les sources, seule une statistique accrue peut éventuellement résoudre l'énigme et il faudra probablement attendre une prochaine génération d'expériences, proposant une surface de collection encore plus grande que celles actuellement en cours d'acquisition, comme l'Observatoire Pierre Auger ou Telescope Array. Avant d'augmenter la statis- tique, une bonne connaissance à la fois de l'énergie du rayon cosmique et de sa nature aidera à comprendre les mécanismes opérant à leurs sources. Concernant l'identification de la nature du rayon cosmique, des améliorations des détecteurs actuels sont en cours ou envisagées. Elles devraient permettre de mesurer certaines composantes spécifiques des gerbes atmosphériques comme par exemple la contribution électromagnétique, via le champ électrique émis par les électrons et positrons secondaires. Je présente dans cette HDR une revue des résultats actuels concernant le thème des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie. Après avoir présenté quelques résultats sur le mécanisme de Fermi pour accélérer les rayons cosmiques, j'aborde en particulier la re- construction des gerbes atmosphériques détectées par le réseau de surface de l'Observa- toire Pierre Auger ainsi que la recherche des sources, basée sur la connaissance fine de la couverture du ciel, impliquant une maîtrise des performances du détecteur. Je traite également en détails le signal radio émis par les électrons et positrons secondaires des gerbes, dans le domaine du MHz. Ce signal est étudié depuis le milieu des années 1960 mais la technologie n'en permet une exploitation complète que depuis les années 2000. Je propose un état des lieux de nos connaissances à travers les résultats des expériences actuelles 1 dans ce domaine. Les données montrent que le champ électrique est princi- palement dû à l'influence du champ magnétique terrestre agissant sur les électrons et positrons mais plus récemment, la contribution due à l'excès l'électrons semble appa- raître dans les données. Enfin, je présente nos dernières avancées dans le domaine de la simulation du champ électrique, avec notamment la prédiction d'un signal nouveau, produit par la disparition de la gerbe atmosphérique lors de son absorption dans le sol.

La caractérisation d'un aquifère est classiquement réalisée à partir d'études géologiques, piézométriques, géochimiques et de pompages d'essai. Ces techniques d'étude présentent certaines limites, qui peuvent néanmoins être réduites par l'utilisation de méthodes complémentaires comme certaines méthodes géophysiques. L'objectif de cette thèse est de quantifier l'amélioration apportée par les informations géophysiques dans la caractérisation hydrogéologique des aquifères. Deux contextes géologiquessont sélectionnés pour les difficultés qu'ils posent à la caractérisation hydrogéologique, l'importance des questions sociétales qui s'y posent et leur pertinence dans le cadre des interventions humanitaires : les aquifères de socle cristallin et les lentilles d'eau douce des cordons sableux côtiers. Les résultats d'une étude numérique et leur validation sur deux sites expérimentaux en Inde montrent que les informations complémentaires apportées par la technique de panneau électrique et la méthode de sondage par résonance magnétique des protons (RMP) permettent de préciser l'interprétation de pompages d'essai en contexte de socle. L'incertitude sur la transmissivité est réduite en moyenne de 39 % et celle sur le coefficient d'emmagasinement de 34 %. Cette approche hydrogéophysique permet ainsi de mieux décrire le milieu souterrain, et de proposer des modèles conceptuels plus complets. En milieu côtier sableux dans le Sud de l'Inde, l'utilisation combinée d'observations piézométriques, de la loi d'Archie et des méthodes de sondage électromagnétiques en domaine temporel (TDEM) et RMP permet de quantifier un volume d'eau douce disponible de 510 litres en moyenne par mètre carré de surface au sol avant la mousson dans la partie inhabitée (contre 420 L/m2 dans la partie habitée), et 670 L/m2 après la mousson (contre 450 L/m2 dans la partie habitée). Ces volumes auraient été surestimés de près de 40 % si une approche basée uniquement sur le TDEM et la loi d'Archie avait été utilisée. Le suivi temporel des mesures géophysiques permet également d'estimer la recharge nette de l'année hydrologique 2008 à 140 mm sur ce cordon (pour 2030 mm de précipitations). De plus, ce cordon sableux présente un champ géomagnétique hétérogène, qui rend la mesure de signaux de Free induction decay, (FID, classiquement enregistrés en sondage RMP) difficile. Une nouvelle procédure de mesure et d'interprétation basée sur des signaux d'écho de spin a donc été testée et validée expérimentalement. La caractérisation du milieu avec ce nouveau protocole permet de préciser la teneur en eau du milieu, sous-estimée de 26 % par le protocole FID. Ce résultat ouvre de nouvelles perspectives dans la recherche d'une relation quantifiée entre la teneur en eau RMP et les différentes porosités hydrogéologiques.