A l’heure des études sur le changement climatique, un certain nombre d’inconnues subsiste comme la caractérisation des propriétés radiatives des aérosols à l’échelle globale. Différents moyens d’observations, depuis la surface ou l’espace, ont été développés ces dernières années et nous nous focalisons ici sur les mesures spatiales océaniques et notamment sur celles issues de deux instruments, MODIS/AQUA (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer de la NASA) et POLDER/PARASOL (POLarization and Directionality of Earth Reflectances du CNES) qui appartiennent à la constellation de satellites « A-Train ». Ces deux instruments nous permettent, à partir des luminances réfléchies par le système « Terre-Atmosphère », d’observer quotidiennement différents types d’aérosols (brûlis, poussières désertiques, pollution) en fonction de la zone géographique et d’en effectuer le suivi temporel.En première analyse, on peut comparer les résultats obtenus par chaque capteur qui ont des techniques d’observations privilégiant pour l’un, le domaine spectral pour l’autre, le caractère angulaire et polarisé des luminances. Utiliser ensuite en synergie les deux types d’informations nécessite de comparer les mesures brutes des instruments et d’assurer la cohérence des traitements. Nous avons ainsi examiné les étapes nécessaires à cette inversion: étalonnage des instruments, corrections apportées aux mesures et validité des modèles d’aérosols utilisés. Enfin, nous avons sélectionné quelques cas d’études afin d’analyser les caractéristiques des aérosols (quantité, taille, nature) d’origine désertique au-dessus de l’océan Atlantique et leur évolution au cours de leur transport. / Within climatic change issues, one of the unknowns remains the characterization of the aerosol radiative properties at global scale. Different ways of monitoring aerosols from surface or space have been developed during the recent years and our present study is especially focused on observations over ocean from two satellite instruments, MODIS/AQUA (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer of NASA) and POLDER/PARASOL (POLarization and Directionality of Earth Reflectances of CNES), that are both part of the “A-Train” constellation. From the radiances reflected by the “Earth-Atmosphere” system, we can monitor the distribution of different aerosol types (smoke, dust, pollution) over specific regions and with a good temporal frequency.We can first compare results obtained by each sensor that are using different techniques, MODIS favor spectral domain when POLDER considers the angular and polarized character of radiances. In a second step, it looks attractive to combine both data sets into a single inversion scheme. To do so, it requires to ensure that the radiances of the two instruments are consistent and to control the coherency of the assumptions used along the retrieval processing. We analyze the different steps: calibration, gaseous absorption and molecular scattering correction as well as the validity of the aerosol models. Lastly, we select specific events to analyze the evolution of aerosol plumes (content, size, composition) transported over the Atlantic Ocean.

La détermination de la composition chimique des aérosols atmosphériques est essentielle pour le climat terrestre et l’environnement. Néanmoins, les mesures in situ qui permettent d’accéder à cette composition sont limitées et les modèles de chimie-transport peuvent ne pas bien représenter la réalité. Notre travail de thèse a consisté à développer une nouvelle approche afin de remonter à la composition des aérosols à grande échelle par télédétection. Les modèles de mélange des composants des aérosols, soit par proportion en volume soit par l’approximation de Maxwell Garnett qui relient les propriétés optiques à la composition, ont été incorporés dans l’algorithme de restitution des propriétés atmosphériques (GRASP). La nouveauté du concept réside dans la restitution directe des composants chimiques de l’aérosol plutôt que dans une estimation indirecte à partir des propriétés optiques retrouvées. Les tests synthétiques ont montré une sensibilité des observations du satellite POLDER/PARASOL à la présence d’éléments chimiques clés des aérosols. La méthodologie a ensuite été appliquée aux mesures réelles. Les caractéristiques optiques dérivées de PARASOL en utilisant le module de composition chimique ont montré un bon accord (R de ~ 0,9 pour l’épaisseur optique) avec nos mesures de référence — le réseau AERONET. La méthodologie a aussi été appliquée aux mesures de AERONET. Les variabilités spatiale et temporelle de la composition de l’aérosol ainsi retrouvée correspondent bien à nos attentes. La composition obtenue a également été validée à l’aide de données de campagne de terrain et a pu être comparée avec les simulations réalisées avec le modèle chimie-transport GOCART. / Determination of atmospheric aerosol chemical composition has a great importance for Earth’s climate and environment. However, in situ measurements that enable determination of aerosol composition are limited in time and space, while simulations by chemical transport models may not accurately describe the reality. The current thesis presents a novel methodology for monitoring of aerosol composition by remote sensing on large spatial and temporal scale. Namely, the volume-weighted and Maxwell Garnett models, which link the aerosol optical properties and chemical composition, were incorporated into the first versatile algorithm (GRASP) that derives the atmospheric properties from remote sensing. The concept proposes the direct retrieval of fractions of aerosol chemical components instead of post-processing estimate of the aerosol composition from the retrieved optical properties (refractive index, aerosol sizes). The tests showed sufficient sensitivity of the POLDER/PARASOL satellite observations to presence of key aerosol chemical elements. Then, the methodology was applied for the real PARASOL measurements. The aerosol optical characteristics derived from PARASOL using the chemical composition module demonstrated a good agreement with our reference measurements – AERONET ground-based network (e.g., R of ~ 0.9 for aerosol optical thickness). The methodology was then applied to the AERONET measurements as well. The obtained spatial and temporal patterns of aerosol composition agree well with known physical expectations. The retried aerosol composition was validated using available field campaign data and inter-compared with GOCART chemical transport model simulations.

No description available.

Casimir and Casimir-Polder effects are forces between electrically neutral bodies and particles in vacuum, arising entirely from quantum fluctuations. The modification to the vacuum electromagnetic-field modes imposed by the presence of any particle or surface can result in these mechanical forces, which are often the dominant interaction at small separations. These effects play an increasingly critical role in the operation of micro- and nano-mechanical systems as well as miniaturized atomic traps for precision sensors and quantum-information devices. Despite their fundamental importance, calculations present theoretical and numeric challenges, and precise atom-surface potential measurements are lacking in many geometric and distance regimes. The spectroscopic measurement of Casimir-Polder-induced energy level shifts in optical-lattice trapped atoms offers a new experimental method to probe atom-surface interactions. Strontium, the current front-runner among optical frequency metrology systems, has demonstrated characteristics ideal for such precision measurements. An alkaline earth atom possessing ultra-narrow intercombination transitions, strontium can be loaded into an optical lattice at the “magic” wavelength where the probe transition is unperturbed by the trap light. Translation of the lattice will permit controlled transport of tightly-confined atomic samples to well-calibrated atom- surface separations, while optical transition shifts serve as a direct probe of the Casimir-Polder potential. We have constructed a strontium magneto-optical trap (MOT) for future Casimir-Polder experiments. This thesis will describe the strontium apparatus, initial trap performance, and some details of the proposed measurement procedure.

River reaches protected by dikes exhibit high damage potential due to strong value accumulation in the hinterland areas. While providing an efficient protection against low magnitude flood events, dikes may fail under the load of extreme water levels and long flood durations. Hazard and risk assessments for river reaches protected by dikes have not adequately considered the fluvial inundation processes up to now. Particularly, the processes of dike failures and their influence on the hinterland inundation and flood wave propagation lack comprehensive consideration. This study focuses on the development and application of a new modelling system which allows a comprehensive flood hazard assessment along diked river reaches under consideration of dike failures. The proposed Inundation Hazard Assessment Model (IHAM) represents a hybrid probabilistic-deterministic model. It comprises three models interactively coupled at runtime. These are: (1) 1D unsteady hydrodynamic model of river channel and floodplain flow between dikes, (2) probabilistic dike breach model which determines possible dike breach locations, breach widths and breach outflow discharges, and (3) 2D raster-based diffusion wave storage cell model of the hinterland areas behind the dikes. Due to the unsteady nature of the 1D and 2D coupled models, the dependence between hydraulic load at various locations along the reach is explicitly considered. The probabilistic dike breach model describes dike failures due to three failure mechanisms: overtopping, piping and slope instability caused by the seepage flow through the dike core (micro-instability). The 2D storage cell model driven by the breach outflow boundary conditions computes an extended spectrum of flood intensity indicators such as water depth, flow velocity, impulse, inundation duration and rate of water rise. IHAM is embedded in a Monte Carlo simulation in order to account for the natural variability of the flood generation processes reflected in the form of input hydrographs and for the randomness of dike failures given by breach locations, times and widths. The model was developed and tested on a ca. 91 km heavily diked river reach on the German part of the Elbe River between gauges Torgau and Vockerode. The reach is characterised by low slope and fairly flat extended hinterland areas. The scenario calculations for the developed synthetic input hydrographs for the main river and tributary were carried out for floods with return periods of T = 100, 200, 500, 1000 a. Based on the modelling results, probabilistic dike hazard maps could be generated that indicate the failure probability of each discretised dike section for every scenario magnitude. In the disaggregated display mode, the dike hazard maps indicate the failure probabilities for each considered breach mechanism. Besides the binary inundation patterns that indicate the probability of raster cells being inundated, IHAM generates probabilistic flood hazard maps. These maps display spatial patterns of the considered flood intensity indicators and their associated return periods. Finally, scenarios of polder deployment for the extreme floods with T = 200, 500, 1000 were simulated with IHAM. The developed IHAM simulation system represents a new scientific tool for studying fluvial inundation dynamics under extreme conditions incorporating effects of technical flood protection measures. With its major outputs in form of novel probabilistic inundation and dike hazard maps, the IHAM system has a high practical value for decision support in flood management. / Entlang eingedeichter Flussabschnitte kann das Hinterland ein hohes Schadenspotential, aufgrund der starken Akkumulation der Werte, aufweisen. Obwohl Deiche einen effizienten Schutz gegen kleinere häufiger auftretende Hochwässer bieten, können sie unter der Last hoher Wasserstände sowie langer Anstaudauer versagen. Gefährdungs- und Risikoabschätzungsmethoden für die eingedeichten Flussstrecken haben bisher die fluvialen Überflutungsprozesse nicht hinreichend berücksichtigt. Besonders, die Prozesse der Deichbrüche und deren Einfluss auf Überflutung im Hinterland und Fortschreiten der Hochwasserwelle verlangen eine umfassende Betrachtung. Die vorliegende Studie setzt ihren Fokus auf die Entwicklung und Anwendung eines neuen Modellierungssystems, das eine umfassende Hochwassergefährdungsanalyse entlang eingedeichter Flussstrecken unter Berücksichtigung von Deichbrüchen ermöglicht. Das vorgeschlagene Inundation Hazard Assessment Model (IHAM) stellt ein hybrides probabilistisch-deterministisches Modell dar. Es besteht aus drei laufzeitgekoppelten Modellen: (1) einem 1D instationären hydrodynamisch-numerischen Modell für den Flussschlauch und die Vorländer zwischen den Deichen, (2) einem probabilistischen Deichbruchmodell, welches die möglichen Bruchstellen, Breschenbreiten und Breschenausflüsse berechnet, und (3) einem 2D raster-basierten Überflutungsmodell für das Hinterland, das auf dem Speiherzellenansatz und der Diffusionswellengleichung basiert ist. Das probabilistische Deichbruchmodell beschreibt Deichbrüche, die infolge von drei Bruchmechanismen auftreten: dem Überströmen, dem Piping im Deichuntergrund und dem Versagen der landseitigen Böschung als Folge des Sickerflusses und der Erosion im Deichkörper (Mikro-Instabilität). Das 2D Speicherzellenmodell, angetrieben durch den Breschenausfluss als Randbedingung, berechnet ein erweitertes Spektrum der Hochwasserintensitätsindikatoren wie: Überflutungstiefe, Fliessgeschwindigkeit, Impuls, Überflutungsdauer und Wasseranstiegsrate. IHAM wird im Rahmen einer Monte Carlo Simulation ausgeführt und berücksichtigt die natürliche Variabilität der Hochwasserentstehungsprozesse, die in der Form der Hydrographen und deren Häufigkeit abgebildet wird, und die Zufälligkeit des Deichversagens, gegeben durch die Lokationen der Bruchstellen, der Zeitpunkte der Brüche und der Breschenbreiten. Das Modell wurde entwickelt und getestet an einem ca. 91 km langen Flussabschnitt. Dieser Flussabschnitt ist durchgängig eingedeicht und befindet sich an der deutschen Elbe zwischen den Pegeln Torgau und Vockerode. Die Szenarioberechnungen wurden von synthetischen Hydrographen für den Hauptstrom und Nebenfluss angetrieben, die für Hochwässer mit Wiederkehrintervallen von 100, 200, 500, und 1000 Jahren entwickelt wurden. Basierend auf den Modellierungsergebnissen wurden probabilistische Deichgefährdungskarten generiert. Sie zeigen die Versagenswahrscheinlichkeiten der diskretisierten Deichabschnitte für jede modellierte Hochwassermagnitude. Die Deichgefährdungskarten im disaggregierten Darstellungsmodus zeigen die Bruchwahrscheinlichkeiten für jeden betrachteten Bruchmechanismus. Neben den binären Überflutungsmustern, die die Wahrscheinlichkeit der Überflutung jeder Rasterzelle im Hinterland zeigen, generiert IHAM probabilistische Hochwassergefährdungskarten. Diese Karten stellen räumliche Muster der in Betracht gezogenen Hochwasserintensitätsindikatoren und entsprechende Jährlichkeiten dar. Schließlich, wurden mit IHAM Szenarien mit Aktivierung vom Polder bei extremen Hochwässern mit Jährlichkeiten von 200, 500, 1000 Jahren simuliert. Das entwickelte IHAM Modellierungssystem stellt ein neues wissenschaftliches Werkzeug für die Untersuchung fluvialer Überflutungsdynamik in extremen Hochwassersituationen unter Berücksichtigung des Einflusses technischer Hochwasserschutzmaßnahmen dar. Das IHAM System hat eine hohe praktische Bedeutung für die Entscheidungsunterstützung im Hochwassermanagement aufgrund der neuartigen Deichbruch- und Hochwassergefährdungskarten, die das Hauptprodukt der Simulationen darstellen.

Ce mémoire présente la réalisation d'un dispositif expérimental de deuxième génération pour le projet FORCA-G (FORce de CAsimir et Gravitation à courte distance). L'objectif de ce projet est la mesure des interactions à faible distance entre un atome et une surface massive. La mesure de force est réalisée à l'aide d'interféromètres atomiques utilisant des atomes confinés dans un réseau optique 1D vertical basé sur le déplacement des atomes de puits en puits. La dégénérescence des niveaux d'énergies des atomes dans les puits du réseau est levée par la force que l'on cherche à mesurer. Des transitions Raman permettent de séparer les atomes dans des puits adjacents, puis de les recombiner, créant ainsi un interféromètre atomique qui permet de mesurer la différence d'énergie entre puits, liée à la fréquence de Bloch nu B du réseau. Ce travail présente la mise en place d'un dispositif proprement dédié au projet, qui permettra à terme de mesurer les forces à faible distance. Il rend compte des améliorations obtenues en configuration de gravimètre sur la sensibilité court terme de la mesure qui atteint 5. 10^-6 à 1 s. Il regroupe l'étude des limitations de la sensibilité, de l'exactitude et l'étude de la perte de contraste des interféromètres. Il présente aussi la mise en place d'une étape supplémentaire : l'implémentation d'un piège dipolaire visant obtenir un échantillon d'atomes plus dense et plus froid. / The thesis presents the set up of the second version of the experiment FORCA-G (CAsimir FORce and Gravitation at short range). The purpose of this experiment is the measurement of short-range interactions between an atom and a massive surface. The measurement is realised thanks to atom interferometers using atoms trapped in a 1D vertical optical lattice. The energy levels of atoms in such a trap are shifted from lattice site to another by the force we aim at measuring. We move the atoms from site to site using counter-propagating Raman transitions. The atoms are moved from Δm lattice sites only if the Raman frequency matches υHFS +∆m.υB where υHFS is the frequency of the hyperfine ground state transition and υB is the Bloch frequency and represents the difference of potential energy between two wells in the case where the atoms are far from the surface. This thesis presents the implementation of a setup properly dedicated to FORCA-G in which the measurement of short-range forces will be possible. It reaches an improved short-term relative sensitivity on the measurement of the Bloch frequency of at 3.9 10-6 at 1s. It contains the studies of the limits in the sensitivity, the accuracy and the contrast losses. It also presents the implementation of a dipolar trap to further cool the atoms and increase their density (crossed dipolar trap with a 1064 broadband laser).

Ce travail de thèse présente la modélisation théorique de l'expérience FORCA-G. L'objectif de cette expérience est la mesure des interactions à courte portée entre des atomes piégés dans un réseau optique et une surface massive à une grande précision. Nous nous sommes intéressés plus particulièrement à l'effet Casimir-Polder induit par la surface sur les atomes. Le but était de fournir la prédiction la plus précise possible des états atomiques. Ceci a consisté à considérer les effets de la température sur l'interaction Casimir-Polder et modéliser la surface de la manière la plus réaliste possible. Afin de résoudre le problème de divergence qu'impliquait un traitement perturbatif de l'interaction atome-surface, nous avons développé une méthode numérique pour un traitement non-perturbatif de l'interaction Casimir-Polder et modélisé l'interaction atome-surface à très courte distance par un potentiel de Lennard-Jones. Chaque effet et incertitude sur les états atomiques ont été évalués afin de déterminer s'ils seraient observables ou un facteur limitant en regard de la précision visée par l'expérience. Enfin nous nous sommes intéressés au cas d'un déséquilibre thermique entre la température du miroir et la température de l'environnement qui pourrait être induit par les lasers en présence ou un laser de chauffage. Nous avons calculé la correction du potentiel Casimir-Polder due au déséquilibre et évalué l'effet sur les niveaux d'énergie atomiques pour déterminer si cet effet pouvait être mesuré. / This thesis presents the theoretical modeling of the experiment FORCA-G. The purpose of this experiment is to measure short-range interactions between trapped atoms in an optical lattice and a massive surface with a high precision. We are focused on Casimir-Polder effect induced by the surface on the atoms. The aim was to give the most possible precise prediction of atomic states. This work took the temperature effects on Casimir-Polder interaction into account, modelled the surface of the experiment. In order to solve the divergence problem due to the perturbative treatment of the atom-surface interaction, we developed a digital method for a non-perturbative treatment of the Casimir-Polder interaction and modelled the short-range atom-surface interaction by a Lennard-Jones potential. Each effect and uncertainties on the atomic states were evaluated so that we know if they could be observable or a limiting factor compared to the experiment precision. Finally we were focused on an out of thermal equilibrium situation between the miroir and environment temperature which may be induced by the lasers. We computed the correction to the Casimir-Polder potential due to this disequilibrium and evaluated the effect on the atomic states.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(農学) / 甲第20448号 / 農博第2233号 / 新制||農||1050(附属図書館) / 学位論文||H29||N5069(農学部図書室) / 京都大学大学院農学研究科森林科学専攻 / (主査)教授 神﨑 護, 教授 北島 薫, 教授 柴田 昌三 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DGAM

Diese Diplomarbeit untersucht den Casimir-Effekt zwischen normal- und supraleitenden Platten über einen weiten Temperaturbereich, sowie die Casimir-Polder-Wechselwirkung zwischen einem Atom und einer solchen Oberfläche. Hierzu wurden vorwiegend numerische und asymptotische Rechnungen durchgeführt. Die optischen Eigenschaften der Oberflächen werden dann aus dielektrischen Funktionen oder optischen Leitfähigkeiten erhalten. Wichtige Modellen werden vorgestellt und insbesondere im Hinblick auf ihre analytischen und kausalen Eigenschaften untersucht. Es wird vorgestellt, wie sich die Casimir-Energie zwischen zwei normalleitenden Platten berechnen lässt. Frühere Arbeiten über den in allen metallischen Kavitäten vorhandenen Beitrag von Oberflächenplasmonen zur Casimir-Wechselwirkung wurden zum ersten mal auf endliche Temperaturen erweitert. Für Supraleiter wird eine analytische Fortsetzung der BCS-Leitfähigkeiten zu rein imaginären Frequenzen, sowohl innerhalb wie außerhalb des schmutzigen Grenzfalles verschwindender mittlerer freier Weglänge vorgestellt. Es wird gezeigt, dass die aus dieser neuen Beschreibung erhaltene freie Casimir-Energie in bestimmten Bereichen der Materialparameter hervorragend mit der im Rahmen des Zwei-Fluid-Modells für den Supraleiter berechneten übereinstimmt. Die Casimir-Entropie einer supraleitenden Kavität erfüllt den Nernstschen Wärmesatz und weist einen charakteristischen Sprung beim Erreichen des supraleitenden Phasenübergangs auf. Diese Effekte treten ebenfalls in der magnetischen Casimir-Polder-Wechselwirkung eines Atoms mit einer supraleitenden Oberfläche auf. Es wird ferner gezeigt, dass die magnetische Dipol-Wechselwirkung eines Atomes mit einem Metall sehr stark von den dissipativen Eigenschaften und insbesondere von den Oberflächenströmen abhängt. Dies führt zu einer starken Unterdrückung der magnetischen Casimir-Polder-Energie bei endlichen Temperaturen und Abständen oberhalb der thermischen Wellenlänge. Die Casimir-Polder-Entropie verletzt in einigen Modellen den Nernstschen Wärmesatz.Ähnliche Effekte werden für den Casimir-Effekt zwischen Platten kontrovers diskutiert. In den entsprechenden elektrischen Dipol-Wechselwirkungen tritt keiner dieser Effekte auf. Die Ergebnisse dieser Arbeit legen nahe, das bekannte Plasma-Modells als Grenzfall eines Supraleiters bei niedrigen Temperaturen (bekannt als London-Theorie) zu betrachten, statt als Beschreibung eines normales Metalles. Supraleiter bieten die Möglichkeit, die Dissipation der Oberflächenströme in hohem Maße zu steuern. Dies könnte einen experimentellen Zugang zu den optischen Eigenschaften von Metallen bei niedrigen Frequenzen erlauben, die eng mit dem thermischen Casimir-Effekt verknüpft sind. Anders als in entsprechenden Mikrowellen-Experimenten sind hierbei die Energien und Impulse unabhängige Größen. Die Messung der Oberflächenwechselwirkung zwischen Atomen und Supraleitern ist mit den heute verfügbaren Atomfallen auf Mikrochips möglich und der magnetische Anteil der Wechselwirkung sollte spektroskopischen Techniken zugänglich sein / This thesis investigates the Casimir effect between plates made of normal and superconducting metals over a broad range of temperatures, as well as the Casimir-Polder interaction of an atom to such a surface. Numerical and asymptotical calculations have been the main tools in order to do so. The optical properties of the surfaces are described by dielectric functions or optical conductivities, which are reviewed for common models and have been analyzed with special weight on distributional properties and causality. The calculation of the Casimir energy between two normally conducting plates (cavity) is reviewed and previous work on the contribution to the Casimir energy due to the surface plasmons, present in all metallic cavities, has been generalized to finite temperatures for the first time. In the field of superconductivity, a new analytical continuation of the BCS conductivity to to purely imaginary frequencies has been obtained both inside and outside the extremely dirty limit of vanishing mean free path. The Casimir free energy calculated from this description was shown to coincide well with the values obtained from the two fluid model of superconductivity in certain regimes of the material parameters. The Casimir entropy in a superconducting cavity fulfills the third law of thermodynamics and features a characteristic discontinuity at the phase transition temperature. These effects were equally encountered in the Casimir-Polder interaction of an atom with a superconducting wall. The magnetic dipole coupling of an atom to a metal was shown to be highly sensible to dissipation and especially to the surface currents. This leads to a strong quenching of the magnetic Casimir-Polder energy at finite temperature. Violations of the third law of thermodynamics are encountered in special models, similar to phenomena in the Casimir-effect between two plates, that are debated controversely. None of these effects occurs in the analog electric dipole interaction. The results of this work suggest to reestablish the well-known plasma model as the low temperature limit of a superconductor as in London theory rather than use it for the description of normal metals. Superconductors offer the opportunity to control the dissipation of surface currents to a great extent. This could be used to access experimentally the low frequency optical response of metals, which is strongly connected to the thermal Casimir-effect. Here, differently from corresponding microwave experiments, energy and momentum are independent quantities. A measurement of the total Casimir-Polder interaction of atoms with superconductors seems to be in reach in today’s microchip-based atom-traps and the contribution due to magnetic coupling might be accessed by spectroscopic techniques

Les collisions entre atomes ultrafroids et surfaces matérielles sont caractérisées par la réflexion de l'onde de matière atomique sur le potentiel attractif de Casimir-Polder. Cette réflexion quantique est déterminante pour des expériences telles que GBAR, qui mesurera l'accélération d'un atome d'antihydrogène froid chutant vers une plaque de détection. Dans cette thèse, le potentiel de Casimir-Polder est calculé à partir des propriétés de diffusion électromagnétique de l'atome et de la surface. Il s'avère dépendre de la réponse diélectrique, de l'épaisseur et de la densité du milieu. Nous montrons que la réflexion sur ce potentiel est associée à une rupture de l'approximation semiclassique et qu'elle augmente pour des atomes lents et des potentiels faibles. Les transformations de Liouville relient des équations de Schrödinger avec des potentiels différents mais les mêmes amplitudes de diffusion. L'équivalence entre la réflexion quantique sur un puits de potentiel et l'effet tunnel à travers une barrière offre de nouvelles perspectives sur le problème. Nous discutons aussi des effets de la gravité sur le paquet d'onde atomique et de ses conséquences pour les expériences avec des atomes en chute libre. Associée à la réflexion quantique sur un miroir horizontal, la gravité permet de maintenir des particules dans des états à longue durée de vie aux applications prometteuses pour la métrologie. En particulier, nous proposons un système pour améliorer la précision de GBAR en réduisant la dispersion en vitesse des atomes d'antihydrogène. / Collisions between ultracold atoms and material surfaces are characterized by the reflection of the atomic matter wave from the attractive Casimir-Polder potential. This quantum reflection is particularly relevant to experiments such as GBAR, which will determine the gravitational acceleration of a cold antihydrogen atom by timing its fall onto a detection plate. In this thesis, the Casimir-Polder potential is computed from the electromagnetic scattering properties of the atom and surface and it is found to depend notably on the dielectric response, thickness and density of the medium. We show that reflection on this potential is associated with a breakdown of the semiclassical approximation and that it is enhanced for slow atoms and weak potentials. Liouville transformations relate Schrödinger equations with different potential landscapes but identical scattering properties. We gain new insights on the problem of quantum reflection on a potential well by mapping it onto an equivalent problem of tunneling through a wall. We also discuss the effect of gravity on the atomic wavepacket and its implications for free fall experiments with atoms. When combined with quantum reflection from a horizontal mirror, gravity can be used to trap particles in long lived states with promising applications for metrology. In particular, we suggest a scheme to improve the precision of the GBAR experiment by reducing the velocity dispersion of the falling atoms.