Cette thése est dédiée à la mesure des anisotropies du Fond Diffus Cosmologique (CMB) ainsi qu'à la caractérisation des émissions d'avant-plan galactiques. Les travaux que nous avons réalisés s'inscrivent dans le cadre de la préparation à l'analyse des données du satellite PLANCK. Cette thèse débute pas une description du modèle de Big Bang chaud et de la physique du CMB. Ensuite un état des lieux des expériences dédiées à la mesure du CMB est dressé, donnant lieu à la présentation des expériences Archeops, WMAP et PLANCK. Une deuxième partie est dédiée à la présentation des émissions galactiques diffuses puis à l'étude de ces émissions dans le plan galactique, permettant d'établir des cartes partielles des variations spatiales de la température des grains de poussière et des indices spectraux des émissions synchrotron et de poussière. Une troisième partie est dédiée à l'étude des deux principales émissions galactiques polarisées diffuses : les émissions synchrotron et de la poussière. Nous avons étudié des modèles effectifs de ces émissions basés sur l'utilisation de cartes-patron. Ensuite nous avons construit des modèles basés sur la physique de ces émissions et les avons comparés aux données Archeops et WMAP afin de contraindre les paramètres de ces modèles. Ceci nous permet de proposer pour la première fois un modèle cohérent de ces deux émissions. Ensuite nous fournissons une méthode pour améliorer ces contraintes à l'aide des données PLANCK. Dans une dernière partie nous étudions les spectres de puissance angulaires de ces émissions galactiques et estimons la contamination du signal CMB par ces émissions d'avant-plan. Enfin nous proposons une méthode pour minimiser la contamination du signal CMB de PLANCK par l'émission de la poussière.

Real neurons, and their networks, are far too complex to be described exactly by simple deterministic equations. Any description of their dynamics must therefore incorporate noise to some degree. It is my thesis that the nervous system is organized in such a way that its performance is optimal, subject to this constraint. I further contend that neuronal dynamics may even be enhanced by noise, when compared with their deterministic counter-parts. To support my thesis I will present and analyze three case studies. I will show how noise might (i) extend the dynamic range of mammalian cold-receptors and other cells that exhibit a temperature-dependent discharge; (ii) feature in the perception of ambiguous figures such as the Necker cube; (iii) alter the discharge pattern of single cells.

Ce manuscrit est dédié au transport relativiste cinétique sous influence de champs magnétiques, identifié comme obstacle pour la modélisation et la simulation intégrée, dans le cadre de la Fusion par Confinement Inertiel (FCI). Une réalisation importante concerne le développement d'un code déterministe de référence, 2Dx-3Dv, de type Maxwell-Fokker-Planck-Landau, permettant la prise en compte de fonctions de distribution à large degré d'anisotropie. Ce travail se situe à l'interface de l'analyse numérique, des mathématiques appliquées, et de la physique des plasmas. Un deuxième résultat marquant concerne la dérivation d'un modèle collisionel multi-échelle, pour le transport d'électrons relativistes dans la matière dense. Des processus importants sont mis en évidence pour la FCI, et une analogie est menée vis-à-vis des processus de transport collisionels connus en radiothérapie. Enfin, un modèle mésoscopique aux moments angulaires, avec fermeture entropique, a été dérivé et utilisé pour le dépôt de dose pour la radiothérapie. Des schémas numériques précis, d'ordre élevé, et robustes, ont été développé dans ce cadre. / This manuscript is dedicated to the relativistic kinetic transport, under the influence of the magnetic field, identified as a barrier for the modeling and integrated simulations, in the frame of the Inertial Confinement Fusion (ICF). An important achievement concerns the development of a deterministic, reference code, 2Dx-3Dv, of Maxwell-Fokker-Planck-Landau type, that permits the treatment of distribution functions with large anisotropy degree. This work is at the interface between the numerical analysis, applied mathematics, and plasma physics. Another milestone result concerns the derivation of a multi-scale, collisional model, for the transport of relativistic electrons in dense matter. A set of processes is demonstrated to be of importance for ICF, and an analogy is conducted with respect to well-known collisional transport processes in radiotherapy. Finally, a mesoscopic angular moment model, with entropic closure, is derived and employed for radiotherapy dose computation. High order precise and robust numerical schemes are then developed in this framework.

Diese Dissertation nimmt am Beispiel des Max-Planck-Instituts für Bildungsforschung (MPIB) eine systemtheoretische Betrachtung der Folgen von Politikberatung für den Wissenschaftsbetrieb vor. In seiner Arbeit stand das MPIB in einem Dreiecksverhältnis zur Politik einerseits und zur Max-Planck-Gesellschaft andererseits. Alle drei Seiten hatten ihre eigenen Funktionslogiken und Zielvorstellungen, die ihre gegenseitigen Austauschbeziehungen formten und bedingten und in ihren Wechselwirkungen mithilfe einer systemtheoretischen Perspektive analysiert werden. Dabei wurde der Zeitraum zwischen 1962 und etwa 1989 betrachtet. Es wurden zwei unterschiedliche Quellenzugänge gewählt: Erstens wurden etwa 60 Leitfadengespräche mit ehemaligen oder aktuellen Institutsangehörigen sowieso weiteren Zeitzeugen geführt. Zweitens wurden die im Zusammenhang mit dem MPIB vorhandenen Aktenbestände der Max-Planck-Gesellschaft, Publikationen des Instituts und seiner Angehörigen sowie weitere Institutsbestände eingesehen und analysiert. Es ließ sich nachweisen, dass die zu unterschiedlichen Zeitpunkten am Institut vorherrschenden Wissenschaftsverständnisse sein jeweiliges Engagement in der Politikberatung determiniert und zusätzlich die konkrete Ausprägung der strukturellen Kopplung von Wissenschaft und Politik – sprich: den Grad der Vermischung der Funktionsprinzipien im Prozess der Politikberatung – bestimmt haben. Als besondere Zäsur stellte sich der Direktorenwechsel um 1982 heraus. Der vor der Zäsur beträchtliche gesellschaftliche Statusgewinn der in der Politikberatung engagierten Institutsmitglieder führte zur Verfestigung einer institutsinternen Hierarchie, die der empirischen Grundlagenforschung zeitweise eine Außenseiterrolle zuwies. Das dominierende Wissenschaftsverständnis nach der Zäsur betonte dann die Grundlagenforschung und definierte sich über die Abgrenzung von der Politikberatung einerseits und überdrehtem Theorieanspruch andererseits. / Looking at the Max Planck Institute for Human Development (MPIHD) from a systems theory standpoint, this dissertation seeks to analyze policy adivising provided by researchers. In its work, the MPIHD was positioned in a triangle between the political system on the one side and the Max Planck Society on the other side. All three sides had their own logic of functioning and their own set of values that determined their mutual relationships. This complex triangular exchange of information was analyzed from a systems theory standpoint covering the timeframe between 1962 and 1989. Two different kinds of sources were applied: Firstly, approximately 60 semi-structured in-depth interviews were carried out with both current and former MPIHD members as well as additional stakeholders. Secondly, the archives of the Max Planck Society in Berlin were searched for all documents concerning the MPIHD; major publications of institute members were analyzed as well. It became clear that the researchers'' attitude toward basic versus applied research determined their respective engagement in policy advising and at the same time formed the concrete variation of „structural coupling“ - in other words: of the degree of overlay between the different logics of functioning of the scientific and the political realms in the process of policy advising. The replacement of the founding directors around 1982 proved to be a major turning point in the institute''s history. Before this turning point, being involved in policy advising led to considerable social status gains inside the institute''s hierarchy; a hierarchy that had put fundamental and, at least partly, empirical research at the sidelines. After the turning point, however, fundamental research was paramount in the institute''s set of values, and the mainstream consisted in refraining from policy advising and „overzealous“ theoretical discussions.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:54Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2003-10-31Bitstream added on 2014-06-13T18:41:05Z : No. of bitstreams: 1 castro_grpb_dr_sjrp.pdf: 1005126 bytes, checksum: 6a95db71dd7b9909e6062d9a618753c2 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Neste trabalho a equação de Schrödinger associada a equação de Fokker-Planck é estudada através do formalismo de supersimetria. O procedimento usado é buscar a função de onda através da determinação do superpotencial. Quando esta função não pode ser determinada exatamente, procuram-se soluções aproximadas que podem ser usadas no método variacional. Através do formalismo supersimétrico é possível construir uma hierarquia de Hamiltonianos efetivos, e deste modo determinar as autofunções aproximadas e os autovalores variacionais. A equação de Fokker-Planck é analisada envolvendo dois potenciais biestáveis unidimensionais, um simétrico e outro assimétrico. Os resultados obtidos são comparados com aqueles encontrados por outros métodos. Finalmente, um potencial com características adequadas para o estudo do enovelamento de proteína é analisado. As funções de onda e os autovalores de energia obtidos variacionalmente são utilizados para o cálculo da probabilidade de transição. Algumas quantidades dinâmicas do processo são descritas. / In this work the Schrödinger and Fokker-Planck equation are studied through the supersymmetric formalism. The method introduced here is based on an ansatz for the superpotential and it gives the analytical wave function. When this function cannot be determined exactly the formalism supplies a trial function to be used in the variational method. Using the supersymmetric formalism it is possible to build an effective hierarchy of Hamiltonians, then for a given potential, the approximated eigenfunctions and variational eigenvalues are determined. We analyze the Fokker-Planck equation with two one-dimensional bistable potential, symmetric and asymmetric. The results are compared with the values found by others methods. Finally, a potential with characteristics adapted for the study of the protein folding is analyzed. The wave functions and the eigenvalues of energy are used for the calculation of the transition probability. Some dynamic variables used in the description of the process are discussed.

Plasma, the fourth state of matter, is a gas in which a significant portion of the atoms are ionized. It is estimated that more than 99% of the material in the visible universe is in the plasma state. The process that stars, including our sun, combine atomic nuclei and produce large amounts of energy is called thermonuclear fusion. It is anticipated future energy demands will be met by large terrestrial devices harnessing the energy of nuclear fusion. A gas hot enough to produce the number of atomic collisions needed for fusion is necessarily in the plasma state. Therefore, plasmas are of great interest to researchers studying nuclear fusion. Stars are massive enough that the gravitational attraction heats and confines the plasma. Gravitational confinement cannot be used to confine fusion plasmas on Earth. Material containers cause cooling, which prevent a plasma from maintaining the high temperature needed for fusion. Fortunately plasmas have electrical properties, which allow them to be controlled by strong magnetic fields. Although serious research into controlled thermonuclear fusion began over 60 years ago, only a couple of man-made devices are even close to obtaining more energy from fusion than is put into them. One difficulty lies in understanding the physics of particle collisions. A relative few particle collisions result in the fusion of atomic nuclei, while the vast majority of collisions are understood in terms of the electrostatic force between particles. My work has been to create an a computer code, which can be executed in parallel on supercomputers, to quickly and accurately calculate the evolution of a plasma due to particle collisions. This work explains the physics and mathematics underlying our code, as well as several tests which demonstrate the code is working as expected.

Estimation of effective diffusion coefficients is essential to be able to describe the diffusive transport of solutes in porous media. It has been shown in theory that in the case of uncharged porous materials the effective diffusion coefficient of solutes is a function of the pore morphology of the material and can be described by their tortuosity (tensor). To estimate the apparent diffusion coefficients, the values of tortuosity and porosity should be known first. In contrast with calculation of porosity, which can be easily obtained, estimation of tortuosity is intricate, particularly with increasing micro-geometry complexity in porous media. Moreover, many engineering materials (e.g, clays and shales) are characterized by electrical surface charges on particles of the porous material which can strongly affect the diffusive transport properties of ions. For these materials, estimation of effective diffusion coefficients have been mostly based on phenomenological equations with no link to underlying microscale properties of these charged materials although a few recent studies have used alternative methods to obtain the diffusion parameters. / In the first part of this thesis a numerical method based on a recently proposed up-scaled Poisson-Nernst-Planck type of equation (PNP) and its microscale counterpart is employed to estimate the tortuosity and thus the effective and apparent diffusion coefficients in thin charged membranes. Beside this, a new mathematical approach for estimation of tortuosity is applied and validated. This mathematical approach is also derived while upscaling of micro-scale Poisson-Nernst-Planck system of equations using the volume averaging method. A variety of different pore 2D and 3D micro-geometries together with different electrochemical conditions are studied here. To validate the new approaches, the relation between porosity and tortuosity has been obtained using a multi-scale approach and compared with published results. These include comparison with the results from a recently developed numerical method that is based on macro and micro-scale PNP equations. / Results confirm that the tortuosity value is the same for porous media with electrically uncharged and charged particles but only when using a consistent set of PNP equations. The effects of charged particles are captured by the ratio of average concentration to effective intrinsic concentration in the macroscopic PNP equations. Using this ratio allows to consistently take into account electro-chemical interactions of ions and charges on particles and so excludes any ambiguity generally encountered in phenomenological equations. / Steady-state diffusion studies dominate this thesis; however, understanding of transient ion transport in porous media is also important. The last section of this thesis briefly introduces transient diffusion through bentonite. To do so, the micro Nernst-Planck equation with electro-neutrality condition (NPE) is solved for a porous medium which consists of compacted bentonite. This system has been studied before in another research using an experimental approach and the results are available for both transient and steady-state phases. Three different conditions are assumed for NPE governing equations and then the numerical results from these three conditions are compared to the experimental values and analytical phenomenological solution. The tortuosity is treated as a fitting parameter and the effective diffusion coefficient can be calculated based on these tortuosity values. The results show that including a sorption term in the NPE equations can render similar results as the experimental values in transient and steady state phases. Also, as a fitting parameter, the tortuosity values were found varying with background concentration. This highlights the need to monitor multiple diffusing ion fluxes and membrane potential to fully characterize electro-diffusive transport from fundamental principles (which have been investigated in first part of this thesis) rather than phenomenological equations for predictive studies. / This research has lead to two different journal articles submissions, one already accepted in Computers and Geotechnics (October 22, 2009, 5-yrs Impact Factor 0.884) and the other one still under review.

De l'IR au submillimétrique, le spectre du milieu interstellaire (MIS) est dominé par l'émission des grains de poussière interstellaires. Les plus petits d'entre eux, les PAHs, sont en fait de grosses molécules aromatiques polycycliques hydrogénées. Leur présence est attestée par l'observation d'une série de bandes vibrationnelles dans l'IR moyen, caractéristiques de modes de vibration C-C et C-H sur des cycles aromatiques. Etant donnée l'importance des PAHs pour la physique et la chimie du MIS (chauffage du gaz, formation de H2), il est essentiel de trouver d'autres observables pour contraindre leurs propriétés. L'émission micro-onde des grains interstellaires qui sera observée prochainement avec le satellite Planck est de ce point de vue une opportunité. En effet, les efforts faits récemment dans le but de mesurer les fluctuations du fonds diffus cosmologique ont motivé une étude détaillée des émissions Galactiques dans le domaine micro-onde. Un excès d'émission inattendu a été découvert entre 10 et 90 GHz et ne peut être expliqué par aucun des mécanismes d'émission déjà connu dans ce domaine de fréquences. Cet excès, baptisé « émission anormale », s'est révélé être corrélé à l'émission IR des grains interstellaires. L'origine de l'émission anormale pourrait être l'émission dipolaire électrique de PAHs en rotation.<br /> L'objectif central de ma thèse est la compréhension de l'émission des PAHs interstellaires à grande longueur d'onde en vue de mieux contraindre leurs propriétés et de préparer l'analyse des données Planck-Herschel. Mon travail de thèse a consisté en deux parties complémentaires : modélisation de l'émission des PAHs interstellaires de l'IR proche au centimètre, puis confrontation de ce modèle aux observations disponibles dans le but d'obtenir un modèle physique.<br /> La première partie de mon travail de modélisation concerne l'émission rovibrationnelle des PAHs. J'ai adopté une section efficace déduite des observations ISO et Spitzer pour λ ≤ 20 µm. A plus grande longueur d'onde, trois modes vibrationnels ont été ajouté à partir des travaux théoriques de Malloci et al. (2007). Ce modèle permet de reproduire le spectre du milieu diffus et d'une région de photodissociation avec un mélange de PAHs neutres et ionisés. J'ai par ailleurs montré que si l'émission rovibrationnelle des PAHs dans l'IR moyen est proportionnelle à l'intensité du champ de rayonnement, ce n'est plus le cas pour λ ≥ 3 mm. La seconde partie a consisté en la modélisation de l'émission purement rotationnelle des PAHs. J'ai utilisé des propriétés moléculaires réalistes et traité les interactions avec les atomes et les ions du gaz interstellaire. L'excitation et le freinage par émission de photons rotationnels et rovibrationnels ont également été inclus. L'émission rotationnelle en bande large a été estimée pour une large gamme de conditions astrophysiques et de propriétés des grains. J'ai par ailleurs mis en évidence l'indépendance du spectre d'émission rotationnelle par rapport à l'intensité du champ de rayonnement G0 et à la densité du milieu dans lequel les grains se trouvent nH (G0 ≤ 100 et nH ≤ 30 cm-3).<br /> J'ai ensuite confronté les résultats de cette modélisation aux observations disponibles. La première étape a été l'extraction de l'émission anormale des données WMAP, à laquelle j'ai participé. Nous avons pu mettre en évidence l'existence d'une composante anormale forte, non polarisée, à 23 GHz. Elle a été incluse dans le Planck Sky Model. Pour la première fois, nous avons pu montrer que l'émission anormale est bien corrélée avec l'émission des poussières et que cette corrélation est meilleure à 12 µm (caractéristique des PAHs) qu'à 100 µm (caractéristique de grains plus gros). J'ai également montré l'indépendance de l'émission anormale par rapport à l'intensité du champ de rayonnement, une des prédictions du modèle. Les caractéristiques des grains déduites de l'émission anormale sont par ailleurs en accord avec celles déduites de l'émission IR. J'ai également étudié la région moléculaire G159.6-18.5 dans Persée et montré que son spectre d'émission anormale est bien ajusté avec une distribution de tailles bimodale, en accord avec les travaux théoriques de Le Page et al. (2003).

L'objectif de notre thèse de doctorat est d’étudier et de décrire les propriétés chimiques et mé- caniques du moteur moléculaire F1 -ATPase. Le moteur F1 -ATPase est un moteur rotatif, d’aspect sphérique et d’environ 10 nanomètre de rayon, qui utilise l’énergie de l’hydrolyse de l’ATP comme car- burant moléculaire. Des questions fondamentales se posent sur le fonctionnement de ce moteurs et sur la quantité de travail qu’il peut fournir. Il s’agit de questions qui concernent principalement la thermodynamique des processus irréversibles. De plus, comme ce moteur est de taille nanométrique, il est fortement influencé par les fluctuations moléculaires, ce qui nécessite une approche stochastique. C’est en créant deux modéles stochastiques complémentaires de ce moteur que nous avons contribué à répondre à ces questions fondamentales. Le premier modèle discuté au chapitre 5 de la thèse, est un mod- èle continu dans le temps et l’espace, décrit par des équations de Fokker-Planck, est construit sur des résultats expérimentaux. Ce modèle tient compte d’une description explicite des fluctua- tions affectant le degré de liberté mécanique et décrit les tran- sitions entre les différents états chimiques discrets du moteur, par un processus de sauts aléatoires entre premiers voisins. Nous avons obtenus des résultats précis concernant la chimie d’hydrolyse et de synthèse de l’ATP, et pour les dépendences du moteur en les différentes variables mécaniques, à savoir, la friction et le couple de force extérieur, ainsi que la dépendence en la température. Les résultats que nous avons obtenus avec ce modèle sont en ex- cellent accord avec les observations expérimentales. Le second modèle est discret dans l’espace et continu dans le temps et est décrit dans le chapitre 6. L’analyse des résultats obtenus par simulations numériques montre que le modèle est en accord avec les observations expérimentales et il permet en outre de dériver des grandeurs thermodynamiques analytique- ment, décrites au chapitre 4, ce que le modèle continu ne permet pas. La comparaison des deux modèles révele la nature du fonction- nement du moteur, ainsi que son régime de fonctionnement loin de l’équilibre. Le second modèle a éte soumis récemment pour publication.

Für mikroskopische Teilchen, die sich durch eine überdämpfte Fockker-Planck-Gleichung beschreiben lassen, werden thermodynamische Größen definiert. Es wird ein Ausdruck für die irreversible Arbeit berechnet. Weiterhin wird ein Kreisprozess konstruiert und für diesen der Wirkungsrad am Punkt maximaler Leistung berechnet. Als Spezialfall wird dann ein Teilchen in einem harmonischen Potential betrachtet. Alle Ergebnisse stammen bereits aus einer Veröffentlichung, es werden jedoch hier alle Berechnungen angegeben.