The European project BACCHUS (impact of Biogenic versus Anthropogenic emissions on Clouds and Climate: towards a Holistic UnderStanding) focuses on aerosol-cloud interactions. Vertical wind velocities near cloud base, and cloud condensation nuclei (CCN) spectra, are the two most important input parameters for aerosol-cloud parcel models in determining cloud microphysical and optical properties. Therefore, the present study focuses on the instrumental development for vertical wind measurements to improve aerosol-cloud closure studies. Enhancements in Remotely Piloted Aircraft Systems (RPAS) have demonstrated their potential as tools in atmospheric research to study the boundary layer dynamics, aerosols and clouds. However, as a relatively new tool for atmospheric research, RPA require instrumental development and validation to address current observational needs. A 5-hole probe is implemented on a remotely piloted aircraft (RPA) platform, with an inertial navigation system (INS) to obtain atmospheric wind vectors. The 5- hole probe is first calibrated in a wind tunnel (at Météo-France, Toulouse, France), and an error analysis is conducted on the vertical wind measurement. Atmospheric wind vectors obtained from RPA flights are compared with wind vectors determined from sonic anemometers located at different levels on a 60 m meteorological mast (Centre de Recherches Atmosphériques, Lannemezan, France). Good agreements between vertical wind velocity probability density functions are obtained. The power spectral density of the three wind components follow the -5/3 line for the established regime of turbulence (Kolmogorov law). Turbulent kinetic energy (TKE) values calculated from the RPA are somewhat higher than TKE compared to the sonic anemometer; however, the results agree with those reported in other experiments that compare RPA platforms and sonic anemometers (Lampert et al. (2016), Båserud et al. (2016)). As the RPA equipped with a 5-hole probe (defined as the ``wind-RPA'') is developed for aerosol-cloud observations, updraft velocities near cloud base are compared with cloud radar data during a BACCHUS field campaign (Mace Head Research Station, Ireland). Three case studies illustrate the similarity of in-cloud updrafts measured between the wind-RPA and the cloud radar. A good agreement between vertical velocities of both instruments over a range of different meteorological conditions is found. Updraft velocity measurements from the wind-RPA are implemented in the aerosol-cloud parcel model to conduct a closure study for stratocumulus case with convection sampled during a BACCHUS field campaign in Cyprus. Aerosol size distributions and CCN were measured at a ground-site, which served as input to the aerosol-cloud parcel model along with the updraft velocities at cloud base measured by the RPA. In addition, the RPA conducted a vertical profile through the cloud layer and measured the shortwave transmission of solar irradiance during the ascent. The aerosol-cloud parcel model also shows that entrainment has a greater impact on cloud optical properties than variability in updraft velocity and aerosol particle concentration. Results of the case study for the Cyprus field experiment are consistent with results for similar closure studies conducted during the Mace Head field campaign (Sanchez et al., 2017), and reinforce the significance of including entrainment processes in cloud models to reduce uncertainties in aerosol-cloud interactions.

Le projet européen BACCHUS (impact of Biogenic versus Anthropogenic emissions on Clouds and Climate: towards a Holistic UnderStanding) porte sur les interactions aérosol-nuage. Les vitesses du vent vertical à proximité de la base des nuages et les spectres des noyaux de condensation des nuages (CCN) sont deux paramètres d'entrée importants pour les modèles de parcelle aérosol-nuage dans la détermination des propriétés microphysiques et optiques des nuages. Par conséquent, la présente étude se concentre sur le développement et la mise en oeuvre de mesures de vent atmosphérique afin d’améliorer les études de fermeture aérosolnuage. Les systèmes d'aéronefs pilotés à distance (RPAS) ont démontré leur potentiel en tant qu'outils pour la recherche atmosphérique dans l’étude de la couche limite, des aérosols et des nuages. Cependant, en tant qu'outil récent en recherche atmosphérique, le RPAS nécessite un développement instrumental pour répondre aux besoins d'observation actuels. Une sonde à 5 voies est développée pour une plateforme d'aéronef piloté à distance (RPA), assistée par un système de navigation inertiel (INS) pour obtenir les trois vecteurs du vent atmosphérique. La sonde à 5 voies est d'abord calibrée dans une soufflerie (à Météo-France, Toulouse, France), et une analyse d'erreur est effectuée sur la mesure du vent vertical. Les vecteurs de vent obtenus à partir de vols de RPA sont comparés à des vecteurs de vent déterminés à partir d'anémomètres soniques situés à différents niveaux d’un mât météorologique de 60 m (Centre de Recherches Atmosphériques, Lannemezan, France). Une bonne concordance entre les fonctions de densité de probabilité de la vitesse verticale du vent est obtenue. La densité spectrale de puissance des trois composantes du vent suit la ligne -5/3 en régime de turbulence établie (loi de Kolmogorov). Les valeurs d’énergie cinétique turbulente (TKE), calculées à partir du RPA, sont légèrement supérieures à celles de l'anémomètre sonique. Cependant, les résultats concordent avec ceux rapportés dans d'autres expériences comparant les plateformes RPAs à des anémomètres soniques (Lampert et al. (2016), Båserud et al. (2016)). Comme le RPA équipé d'une sonde à 5 voies (définie comme le ``wind-RPA'') est développé pour les observations aérosol-nuage, les vitesses verticales (updraft) près de la base des nuages sont comparées avec les données d’un radar de nuage au cours d'une campagne de mesures BACCHUS (Mace Head Research Station, Irlande). Trois études de cas illustrent la similitude des vitesses verticales dans les nuages mesurées par le wind-RPA et le radar de nuage. Une bonne concordance entre les vitesses verticales des deux instruments à travers différentes conditions météorologiques est établie. Les mesures de vitesse verticale du wind-RPA sont implémentées dans le modèle de parcelle aérosol nuage pour mener une étude de fermeture (campagne de mesures BACCHUS à Chypre). Les distributions de taille des aérosols et les CCN mesurés par un site au sol servent de paramètres d’entrée au modèle avec les vitesses verticales mesurées par le RPA. Le modèle de parcelle aérosol-nuage montre que l'entraînement dans les nuages a un impact plus important sur les propriétés optiques des nuages que la variabilité de la vitesse verticale et que la concentration en aérosols. Les résultats du cas d’étude de Chypre sont cohérents avec les résultats des études de fermeture similaires de la campagne de mesures à Mace Head (Sanchez et al., 2017) et renforcent l'importance d'inclure les processus d'entraînement dans les modèles de nuages pour réduire les incertitudes liées aux interactions aérosol-nuage. / The European project BACCHUS (impact of Biogenic versus Anthropogenic emissions on Clouds and Climate: towards a Holistic UnderStanding) focuses on aerosol-cloud interactions. Vertical wind velocities near cloud base, and cloud condensation nuclei (CCN) spectra, are the two most important input parameters for aerosol-cloud parcel models in determining cloud microphysical and optical properties. Therefore, the present study focuses on the instrumental development for vertical wind measurements to improve aerosol-cloud closure studies. Enhancements in Remotely Piloted Aircraft Systems (RPAS) have demonstrated their potential as tools in atmospheric research to study the boundary layer dynamics, aerosols and clouds. However, as a relatively new tool for atmospheric research, RPA require instrumental development and validation to address current observational needs. A 5-hole probe is implemented on a remotely piloted aircraft (RPA) platform, with an inertial navigation system (INS) to obtain atmospheric wind vectors. The 5- hole probe is first calibrated in a wind tunnel (at Météo-France, Toulouse, France), and an error analysis is conducted on the vertical wind measurement. Atmospheric wind vectors obtained from RPA flights are compared with wind vectors determined from sonic anemometers located at different levels on a 60 m meteorological mast (Centre de Recherches Atmosphériques, Lannemezan, France). Good agreements between vertical wind velocity probability density functions are obtained. The power spectral density of the three wind components follow the -5/3 line for the established regime of turbulence (Kolmogorov law). Turbulent kinetic energy (TKE) values calculated from the RPA are somewhat higher than TKE compared to the sonic anemometer; however, the results agree with those reported in other experiments that compare RPA platforms and sonic anemometers (Lampert et al. (2016), Båserud et al. (2016)). As the RPA equipped with a 5-hole probe (defined as the ``wind-RPA'') is developed for aerosol-cloud observations, updraft velocities near cloud base are compared with cloud radar data during a BACCHUS field campaign (Mace Head Research Station, Ireland). Three case studies illustrate the similarity of in-cloud updrafts measured between the wind-RPA and the cloud radar. A good agreement between vertical velocities of both instruments over a range of different meteorological conditions is found. Updraft velocity measurements from the wind-RPA are implemented in the aerosol-cloud parcel model to conduct a closure study for stratocumulus case with convection sampled during a BACCHUS field campaign in Cyprus. Aerosol size distributions and CCN were measured at a ground-site, which served as input to the aerosol-cloud parcel model along with the updraft velocities at cloud base measured by the RPA. In addition, the RPA conducted a vertical profile through the cloud layer and measured the shortwave transmission of solar irradiance during the ascent. The aerosol-cloud parcel model also shows that entrainment has a greater impact on cloud optical properties than variability in updraft velocity and aerosol particle concentration. Results of the case study for the Cyprus field experiment are consistent with results for similar closure studies conducted during the Mace Head field campaign (Sanchez et al., 2017), and reinforce the significance of including entrainment processes in cloud models to reduce uncertainties in aerosol-cloud interactions.

L'évolution des caractéristiques des particules en suspension au cours de leur transfert au sein des bassins versants est encore mal connue. Ceci limite actuellement notre aptitude à prédire correctement l'érosion ou les flux de matières en suspension (MES) et rend difficile la proposition de pratiques de gestion adaptées aux réglementations en vigueur. A partir d'expériences en milieu contrôlé, nous avons montré que les particules de sols ont tendance à se désagréger en milieu turbulent. Il semble de plus qu'une augmentation de la concentration en suspension accélère cette désagrégation et conduise à des particules plus fines. Même si l'évolution des particules à l'échelle horaire semble rester de second ordre derrière les caractéristiques des sols sources, il est indispensable de pouvoir vérifier si les particules en suspension se comportent de la même manière en conditions naturelles où des interactions complexes entre processus peuvent avoir lieu. Cependant l'absence de méthode de mesure permettant le suivi des propriétés de transport des sédiments en écoulements très concentrés (de 1 plusieurs centaines de grammes par litre) dans les bassins élémentaires limite notre capacité à hiérarchiser les processus à considérer pour modéliser le transfert sédimentaire ou améliorer la gestion opérationnelle des sédiments. Afin de répondre à ce besoin instrumental, nous avons développé un Système de Caractérisation des Agrégats et des Flocs (SCAF). Cet instrument est conçu pour être incorporé dans les stations de suivi hydro-sédimentaire. La mesure est réalisée immédiatement après prélèvement d'un échantillon de la suspension à caractériser par une série de capteurs optiques qui suivent l'évolution de l'absorbance optique durant la sédimentation de l'échantillon. Nous proposons une méthode de traitement des données optiques donnant accès à la distribution des vitesses de chute de la suspension ainsi qu'à un indice de floculation qui renseigne sur la capacité des MES à floculer durant leur sédimentation. Les distributions de vitesses de chute mesurées sont validées sur une large gamme de matériaux et de régimes de sédimentation, afin de couvrir la variabilité des types de matériaux et des concentrations observées en milieu naturel. Pour des sédiments non cohésifs ou floculant peu durant leur sédimentation les mesures du SCAF s'ajustent sur celles issues des autres méthodes. Pour les suspensions qui floculent durant leur sédimentation, la plupart des méthodes de mesure classiques conduisent à des vitesses de chute non représentatives de la suspension. Nous avons montré que les variations des propriétés optiques des matières en suspension lors de leur floculation impactent nos mesures. La méthode proposée permet cependant de quantifier l'augmentation des vitesses de chute avec la floculation, et d'encadrer l'incertitude des mesures. Pour les mesures à forte concentration (>10 g/l), un front d'entravement peut se former durant la sédimentation, le SCAF mesurant alors précisément les vitesses de chute du front. La mesure des distributions des vitesses de chute et de la cohésion des particules en suspension peut permettre d'identifier différentes populations de particules formant une suspension (grains de sables, flocs, matières fines...). Le suivi de telles informations au sein de bassins versants ouvre de nouvelles perspectives pour aborder la connectivité sédimentaire et s'orienter vers une gestion optimale des flux de MES. / Little is known about the processes that govern the evolution of suspended particle characteristics during their transport through a river basin. This is a main limitation for modelling erosion severity or suspended solids (SS) fluxes. It also leads to difficulties to propose management policies adapted to environmental legislation. Based on experiments in controlled environments, we have shown that soil particles tend to disaggregate in turbulent flows. The increase in SS concentration was associated to an increase of the disaggregation of SS particles, leading to smaller final particle sizes. Laboratory experiments also showed that the variability of the particle sizes due to their evolution over one hour was smaller than the variability due to the soil type from which the particles originated. However it is important to ensure that the suspended particles behave in the same way in natural conditions, where complex interactions between hydraulic, chemical and biological processes can influence their evolution. Up to now no measurement method allows measuring continuously the suspended sediment properties in highly concentrated fluids (from one to hundreds grams per liter), such as those observed in headwater catchments during runoff events. This severely limits the possibility to identify the processes that are important to consider in numerical models. The Aggregate and Floc Characterization System (SCAF) has been developed in order to measure SS properties for a wide range of SS concentrations. It was designed to be easily incorporated into sequential samplers. Immediately after the collection of a sample from the river, the sedimentation of the suspension is recorded by continuous measurements of the absorbance by a series of optical sensors. A method was proposed to processes the raw optical data in order to obtain the settling velocity distribution of the suspension. It also provides a flocculation index representing the tendency of the particles to flocculate during their sedimentation. The calculated settling velocity distributions were validated on a large range of materials and settling regimes in order to cover the natural variability of suspended sediments. For sediments that hardly flocculate during their sedimentation or are non-cohesive, the measurements of the SCAF were similar to those from other methods. In the case of suspensions that strongly flocculate during sedimentation, most of the classical methods give non-representative falling velocities. In this case, the optical property of the particles may vary during settling, affecting the optical measurement. The proposed method allowed quantifying the increase of settling velocity induced by flocculation, and provided confidence intervals for the settling velocities. For high SS concentrations ( > 10 g/l), a settling front can be formed during the sedimentation, which is well characterized by the SCAF. The measurement of the settling velocity distributions and of the flocculation index can be used to identify different particle populations (sand grains, flocs, individual particles) forming a suspension. Monitoring these properties in watersheds offers new insights to explore sediment connectivity within river basins and to optimize water management strategies.

Ce travail de thèse porte sur l’analyse conformationelle de biomolécules en phase gazeuse. L’étude d’objets complexes en phase gazeuse permet de connaître les facteurs intrinsèques stabilisant leur structure. La première étape de mes travaux a été le couplage entre un appareil de mobilité ionique (IMS) et un appareil de spectrométrie de masse (MS). Nous avons simulé (SimIon) et développé différentes optiques ioniques fonctionnant à haute pression (entonnoirs à ions, piège ionique). Ces modifications expérimentales nous ont permis de commencer des études conformationnelles de biomolécules en phase gazeuse.Les premières expériences avaient pour objectif d’observer les facteurs stabilisants une structure secondaire sur des séries de peptides analogues. La première étude a été réalisée sur des séries de polyalalanines et de polyglycines de formules Arg(Ala)4XxxAla4Lys et Arg(Gly)4Xxx(Gly)4Lys, où Xxx est l’un des 20 acides aminés naturels. Nous nous sommes intéressés à l’influence de l’acide aminé central sur la conformation globale. Puis nous avons observés la stabilité de l’hélice de la partie transmembranaire de la protéine M2 du virus de la grippe A et de différents mutants. Ces études ont permit de montrer l’importance de la solvatation des charges en phase gazeuse.Enfin nous avons initié une étude sur le repliement des protéines en utilisant une protéine modèle, le lysozyme. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés aux mécanismes de repliements en fonction du degré d’oxydation de cette dernière / This work deals with the conformational studies of biomolecules in gas phase. The gas phase allows observing the intrinsic factors that stabilize the structure.The first step of this work consisted in coupling an ion mobility tube and a mass spectrometer (IM-MS). Especially, ion optics working at high pressure had to be developed (ion funnels, cylindrical ion trap). These experimental modifications allowed us to realising conformational studies in vacuo.This work is build around two major axes. The first one deals with the understanding of the factors that stabilize the secondary structure in gas phase. We have studied series of peptides with similar sequences. We studied a series of polyalanines and polyglycines who have the following formula Arg(Ala)4XxxAla4Lys et Arg(Gly)4Xxx(Gly)4Lys, where Xxx is one of the 20 natural amino acids. We are looking the influence of central amino acid on the global structure of peptides. After that we have observed the stability of the helix of the transmembran domain of the M2 protein of virus Influenza A and some mutants. These studies allow showing the importance of the charge solvatation in the gas phase.Finally, we are initiated a study on the refolding of proteins and more particularly on a model protein: the Lysozyme. We are studied the refolding in function of oxide degrees

Les gliomes sont des tumeurs cérébrales infiltrantes difficilement curables, notamment à cause de la difficulté à visualiser toutes les infiltrations au bloc opératoire. Dans cette thèse, nous réalisons une étude clinique de spectroscopie de fluorescence de la protoporphyrine IX (PpIX) dans les gliomes de 10 patients selon l’hypothèse que les spectres collectés proviennent de la contribution de 2 états de la PpIX dont les proportions varient suivant la densité en cellules tumorales. Après avoir présenté le développement du système interventionnel proposant une excitation multi-longueurs d’onde, nous présentons son utilisation sur fantômes de PpIX mimant les propriétés des gliomes. Ceci permet tout d’abord d’obtenir les spectres émis par les 2 états séparément puis de proposer un modèle d’ajustement des spectres comme une combinaison linéaire des 2 spectres de référence sur la bande spectrale 608-637 nm. Ensuite, nous présentons la mise en place de l’étude clinique, notamment l’analyse de risques, avant d’appliquer ce système in vivo. Les mesures in vivo détectent de la fluorescence dans des tissus où le microscope chirurgical n’en détecte pas, ce qui pourrait s’expliquer par un changement d’état de la PpIX entre le cœur des gliomes et leurs infiltrations. L’intérêt de l’excitation multi-longueurs d’onde est démontré par la décroissance de la corrélation des spectres acquis aux trois excitations suivant la densité en cellules tumorale. Enfin, nous soulevons des pistes d’étude de l’identification peropératoire des zones de fonctionnalité cérébrale à l’aide d’une caméra optique ainsi que l’étude du temps de vie de fluorescence et de la fluorescence deux photons de la PpIX sur fantômes / Gliomas are infiltrative tumors of the brain which are yet hardly curable, notably because of the difficulty to precisely delimitate their margins during surgery. Intraoperative 5-ALA induced protoporphyrin IX (PpIX) fluorescence microscopy has shown its relevance to assist neurosurgeons but lacks sensitivity. In this thesis, we perform a spectroscopic clinical trial on 10 patients with the assumption that collected fluorescence is a linear combination of the contribution of two states of PpIX which proportions vary with the density of tumor cells. This work starts with the development of the intraoperative, portable and real time fluorescence spectroscopic device that provides multi-wavelength excitation. Then, we show its use on PpIX phantoms with tissues mimicking properties. This first enables to obtain a reference emitted spectrum for each state apart and then permits the development of a fitting model to adjust any emitted spectrum as a linear combination of the references in the spectral band 608-637 nm. Next, we present the steps led to get approvals for the clinical trial, especially the risk analysis. In vivo data analysis is then presented, showing that we detect fluorescence where current microscopes cannot, which could exhibit a change in PpIX state from glioma center to its margins. Besides, the relevance of multi-wavelength excitation is highlighted as the correlation between the three measured spectra of a same sample decreases with the density of tumor cells. Finally, the complementary need to intraoperatively identify cerebral functional areas is tackled with optical measurements as a perspective and other properties of PpIX on phantoms are also raised