Aerosols contribute the largest uncertainty to estimates of radiative forcing of the Earth’s atmosphere, which are thought to exert a net negative radiative forcing, offsetting a potentially significant but poorly constrained fraction of the positive radiative forcing associated with greenhouse gases. Aerosols perturb the Earth’s radiative balance directly by absorbing and scattering radiation and indirectly by acting as cloud condensation nuclei, altering cloud albedo and potentially cloud lifetime. One of the major factors governing the uncertainty in estimates of aerosol direct radiative forcing is the poorly constrained aerosol single scattering albedo, which is the ratio of the aerosol scattering to extinction. In this thesis, I describe a new instrument for the measurement of aerosol optical properties using photoacoustic and cavity ring-down spectroscopy. Characterisation is performed by assessing the instrument minimum sensitivity and accuracy as well as verifying the accuracy of its calibration procedure. The instrument and calibration accuracies are assessed by comparing modelled to measured optical properties of well-characterised laboratory-generated aerosol. I then examine biases in traditional, filter-based absorption measurements by comparing to photoacoustic spectrometer absorption measurements for a range of aerosol sources at multiple wavelengths. Filter-based measurements consistently overestimate absorption although the bias magnitude is strongly source-dependent. Biases are consistently lowest when an advanced correction scheme is applied, irrespective of wavelength or aerosol source. Lastly, I assess the sensitivity of the direct radiative effect of biomass burning aerosols to aerosol and cloud optical properties over the Southeast Atlantic Ocean using a combination of offline radiative transfer modelling, satellite observations and global climate model simulations. Although the direct radiative effect depends on aerosol and cloud optical properties in a non-linear way, it appears to be only weakly dependent on sub-grid variability.

Este trabalho apresenta e consolida uma metodologia alternativa para a determinação de taxas de reação nuclear ao longo da direção radial das pastilhas combustíveis sem necessidade de intensos fluxos neutrônicos. Esta técnica se baseia na irradiação de um disco de UO2 inserido no interior de uma vareta combustível desmontável no núcleo do reator IPEN/MB-01. Após a irradiação são realizadas várias espectrometrias gama do disco utilizando um detector HPGe alternando sequencialmente 6 colimadores de chumbo com diâmetros diferentes. Consequentemente, as reações nucleares de captura radiativa que ocorrem nos átomos de 238U, juntamente com as fissões que ocorrem em ambos 235U e 238U são mensuradas em função de 6 regiões radiais distintas do disco combustível. As correções de eficiência geométrica devido à introdução dos colimadores no sistema de detecção HPGe são determinadas através do código MCNP-5. As medidas de taxa de fissão são realizadas utilizando o 99Mo como radionuclídeo traçador. Esse radionuclídeo foi estudado e provou-se ideal para estas medidas por possuir um comportamento linear de formação, alto rendimento de fissão e principalmente por emitir fótons de baixa energia. As medidas foram efetuadas irradiando discos de UO2 (com enriquecimento de 4,3%) na posição central do reator IPEN/MB-01 a potência de 100 Watts durante uma hora. Algumas medidas foram realizadas utilizando uma luva de cádmio envolta na vareta combustível para determinar as taxas de reação nuclear na faixa de energia epitérmica. Os resultados experimentais obtidos são comparados a cálculos de taxa de reação nuclear via MCNP-5 utilizando a biblioteca de dados ENDF/B-VII.0, os quais apresentaram discrepâncias de no máximo 9% para as taxas de captura no 238U e 14% para as taxas de fissão no U na faixa epitérmica. Foram obtidos valores máximos de 4,5% para incertezas relativas as taxas de captura total e epitérmica e para as taxas de fissão total e epitérmica valores máximos de 11,3%. / This research presents and consolidates an alternative methodology for determining nuclear reaction rates along the radial direction of the fuel pellets which does not require high neutron flux. This technique is based on irradiating a thin UO2 disk inserted into a removable fuel rod at the IPEN/MB-01 reactor core. Several gamma spectrometries are performed after irradiation using a HPGe detector. Six lead collimators with different diameters are sequentially alternated during this process, thus, the nuclear radioactive capture which occurs in 238U and the fissions which occur in both 235U and 238U are measured according to six different radial regions of the fuel disk. Geometric efficiency corrections due to the introduction of collimators in HPGe detection system are determined by MCNP-5 code. The fission rate measurements are performed using the 99Mo. This radionuclide was studied and proved ideal for these measurements because it is formed in linear behavior in the reactor core, have a high yield fission and emits low-energy photons. Measurements were performed irradiating UO2 disks (with 4.3% enrichment) in the central position of the IPEN/MB-01 core at 100 watts power level during one hour. Some measurements were performed using a cadmium glove wrapped in the fuel rod to determine the nuclear reaction rates in the epithermal energy range. The experimental results obtained are compared with nuclear reaction rate calculations by means of MCNP-5 with ENDF/B-VII.0 data library showing discrepancies of up to 9% in 238U capture rates and 14% for U fission rates for epithermal energies. Uncertainties regarding the nuclear capture rates have maximum values of 4.5% and the fission rates has maximum values of 11.3%.

Ce sujet concerne un travail pluridisciplinaire mathématique et astrophysique. Le but de cette thèse est l'étude des modèles d'hydrodynamique radiative dont l'application est bien évidemment très vaste en physique et astrophysique. Les modèles M1-multigroupes sont explorés pour décrire le transfert radiatif sans faire à priori d'hypothèse sur la profondeur optique du milieu. L'intérêt qui découle directement de ce travail est le développement du code d'hydrodynamique radiative HADES 2D permettant le calcul massivement parallèle. Il autorise des simulations dans des configurations astrophysiques réalistes en termes de nombre de Mach et de contraste de densité et de température entre les différents milieux. Nous nous sommes concentrés sur deux applications intéressantes : les jets d'étoiles jeunes et les chocs radiatifs dont les premières simulations seront présentées. / This topic is a multidisciplinary work between mathematics and astrophysics. The aim of this thesis is the study of radiation hydrodynamic models of which application is obviously very broad in physics and astrophysics. M1-multigroup models are explored to describe the radiative transfer without a priori assumption on the optical depth of the medium. The interest ensuing directly from this work is the development of a radiation hydrodynamic code, namely HADES 2D, for massively parallel computing. It allows simulations in realistic astrophysical configurations in terms of Mach number, density and temperature contrasts between different environments. We focused on two interesting applications: the jets from young stars and the radiative shocks of which first simulations will be presented.

L’étude des mécanismes de formation et de destruction des anions moléculaires est devenu un champ d’intérêt prononcé après la détection récente de six anions moléculaires (C4H-, C6H-, C8H-, CN-, C3N-, C5N-) dans le milieu interstellaire.Dans les environnements interstellaires où la densité d’électrons est relativement importante, le canal principal de formation de ces anions devrait être l’attachement électronique radiatif. Mais il manque aujourd’hui des données expérimentales et théoriques permettant d’évaluer cette hypothèse. D’autre part, le photodétachement est la principale cause de destruction de ces anions dans les nuages diffus et les régions de photodissociation. Une approche basée sur un développement monocentrique est appliquée à l’étude de ces deux processus opposés que sont le photodétachement et l’attachement électronique radiatif. Les résultats obtenus avec la présente méthode sont comparés à des données expérimentales et théoriques précédemment rapportées et montrent un bon accord. Cette méthode est ensuite utilisée pour déterminer les constantes de vitesse nécessaires pour confirmer si ces mécanismes sont cruciaux pour la chimie d’anions interstellaires. En plus des constantes de vitesse de formation et de destruction des anions, les constantes de vitesse d’excitation collisionnelle sont nécessaires pour modéliser les abondances observées des anions. Nous avons choisi de porter notre effort sur le calcul des constantes de vitesse de transition entre états rotationels de la molécule C3N- dans son état vibrationnel fondamental lors des collisions avec H2 et He en utilisant de nouvelles surfaces d’énergie potentielles. / The mechanisms of formation and destruction of molecular anions have become a field of special interest after the recent detection of six molecular anions (C4H-,C6H-, C8H-, CN-, C3N-, C5N-) in the interstellar medium. The main channel of formation of these anions is expected to be radiative electron attachment in environments where the density of electron is relatively important. There is however at themoment a lack of experimental and theoretical data allowing to assess this hypothesis. Photodetachment, on the other hand, is the main source of destruction of the anions in diffuse clouds and photodissociation regions. A single center expansion approach is applied to the study of both processes: photodetachment and radiative electron attachment. The results obtained with the present method are compared to previously reported experimental and theoretical data and show a good agreement.This method is then employed to determine the rate constants which are needed to confirm whether or not these mechanisms are crucial for the chemistry of the interstellar anions. Along with the formation and destruction rates, rotational excitation rate coefficients are needed to accurately model the observed anions abundances.We focus on the calculation of state-to-state rotational transitions rate coefficients of the C3N- molecule in its ground vibrational state in collisions with H2 and He using new potential energy surfaces

Encore jamais été observé, le rayonnement infrarouge moyen et lointain consécutif aux sprites a été prédit et serait lié à l’excitation des états vibrationnels de CO2. En sciences de l’atmosphère, la composition chimique peut être retrouvée par des méthodes de télédétection infrarouge. Pour la Défense, les émissions infrarouges naturelles peuvent causer de fausses alarmes à travers les systèmes de veille optronique satellitaires ou aéroportés. C’est pourquoi il est nécessaire de caractériser les émissions infrarouges des sprites. Pour cela, un modèle de cinétique plasma-vibrationnelle a été développé et couplé à un modèle de transfert radiatif atmosphérique. Celui-ci permet de simuler les effets énergétiques et chimiques consécutifs à la perturbation électrique des streamers, éléments constitutifs des sprites. Les signatures infrarouges évaluées devraient être détectables pour un observateur situé dans la stratosphère ou dans l’espace. Par ailleurs, les effets des incertitudes sur les principaux paramètres du modèle ont été quantifiés à travers une étude de sensibilité. Enfin, ces travaux ont permis de définir certaines spécifications instrumentales pour la mission HALESIS (High Altitude Luminous Events Studied by Infrared Spectro-imagery), qui aura pour but d’observer les sprites et autres phénomènes lumineux de moyenne atmosphère dans l’infrarouge. / Even if it hasn’t been observed yet, the existence of emissions in the middle and far infrared following a sprite is suspected and could be related to vibrational excitation of CO2. In atmospheric sciences, the chemical composition can be retrieved through different remote sensing methods. For the Defense, natural infrared emissions could cause false alarms through airborne and spaceborne optronic detection systems. That is why it is necessary to characterize the infrared emissions of sprites. To do so, a plasma-vibrational kinetic model has been developed and coupled to an atmospheric radiative transfer model. This model allows evaluating the energetic and chemical effects following the electrical perturbation caused by the propagation of streamers, main constituent elements of sprites. The evaluated signatures could be detectable for an observer situated in the stratosphere or in space. Otherwise, the effects of the uncertainties on the principal parameters of the model have been quantified through a sensitivity analysis. Finally, this work allowed defining instrumental specifications for the future mission HALESIS (High Altitude Luminous Events Studied by Infrared Spectro-imagery), which will record hyperspectral infrared images of sprites and other middle atmosphere luminous events.

L'époque de la réionisation, qui s'étend pendant le premier milliard d'années de l'Univers, correspond à la période où les premières étoiles et galaxies apparaissent. Dans ce contexte, l'enjeu majeur de cette thèse est d'étudier la formation de ces premières structures et leur rétroaction radiative sur leur environnement. Pour cela, j'utilise différentes méthodes de simulations numériques permettant de modéliser le transfert radiatif dans les galaxies, dans un cadre cosmologique.En particulier, les plus petites galaxies seraient celles qui apportent la majorité des photons nécessaires à ioniser l'Univers. J'explore cette hypothèse dans une première partie à l'aide de simulations radio-hydrodynamiques avec le code RAMSES-RT, ciblant trois petites galaxies avec une très haute résolution spatiale et temporelle. Je me suis d'abord intéressé aux mécanismes régulant la production et le transfert de photons ionisants dans les galaxies, et j'ai montré que les explosions de supernovae en sont un facteur essentiel. Ensuite, j'ai exploré les propriétés observables dérivées à partir de ces simulations.Dans un second temps, j'ai développé une extension au code Monte Carlo de transfert radiatif MCLya prenant en compte la polarisation du rayonnement et l'émission diffuse dans une simulation. J'ai utilisé ce code pour post-traiter une simulation d'un blob Lyman-alpha, une source étendue d'émission Lyman-alpha, et étudier ses propriétés de polarisation à l'aide de pseudo-observations. Contrairement à ce qui était proposé précédemment, j'ai pu montrer que la polarisation n'était pas un indicateur aussi utile qu'espéré pour tracer l'origine des photons Lyman-alpha / The Epoch of Reionisation, which spans during the first billion year of te Universe, corresponds to the period during which the first stars and galaxy form. In this context, the main topic of this thesis is to study the formation of those early structures and their radiative feedback to their environment. For this purpose, I use various numerical simulations tools designed to model the radiative transfer in galaxies in a cosmological framework.More specifically, I look at very small galaxies, which are believed to contribute the bulk of the photons required to reionise the Universe. I explore this idea using radiative hydrodynamics simulations performed with RAMSES-RT, focusing on three small galaxies with a very high spatial and temporal resolution. I first detail the mechanism that regulate te production and escape of ionising photons in galaxies, and I show that supernovae explosions are a crucial element for this regulation. I then started to investigate the observable properties of those galaxies.In a second part of my thesis, I developped an extension to the Monte Carlo radiative transfer code MCLya to take light polarisation into account and to model the diffuse emission. I applied this code to post-process the simulation of a Lyman-alpha blob (an extended Lyman-alpha source), and to study its polarisation properties with mock observations. Contrary to what was suggested before, I showed that polarisation is not a strong tracer of the origin of Lyman-alpha photons

The Center for Disease Control and Prevention (CDC) released heat illness data which highlighted that ~29 heat stress hospitalizations and ~3 heat-related deaths occurred every day during the summer months within the US from years 2000 to 2014. Heatstroke- the most severe form of heat illness which oftentimes lead to death- has been cited to be entirely preventable if a timely intervention is introduced. This dissertation uses microwave radiometric thermometry to perform wireless non-invasive internal body temperature monitoring which can enable intervention methods that help to prevent deaths associated with heat-illness. Overall, this dissertation develops a comprehensive closed-form analytical radiometric model and validates the effectiveness of the comprehensive model through a controlled life-like human body temperature sensing experiment. Wireless sub-skin temperature data is predicted from a human tissue mimicking phantom testbed to within 1%. A generic isolated radiometer system equation is derived for all possible calibration source combinations. The generic isolated radiometer system equation predicts comparable results to that of an ideal simulation. While improved isolation decreases measurement uncertainty, it does not improve the accuracy of estimated noise temperatures using a perfectly-isolated radiometer system equation assumption. A highly reproducible tissue-mimicking biological phantom (bio-phantom) recipe (comprised of urethane, graphite powder, and a solvent) was developed to accurately emulate the electrical properties of actual dry human skin versus frequency up to 18 GHz. The developed solid state skin phantom begins in pourable liquid form and then cures at room temperature into a dry solid state mold. An in-plane electromagnetic bandgap structure was developed and integrated within an on-body inward facing spiral antenna design. The inclusion of the in-plane electromagnetic bandgap structure demonstrated a +2.64dB gain improvement in the antenna broadside and -8dB in the rear gain while in-contact with the body as compared to the conventional spiral antenna. Likewise, the measured main beam efficiency is improved from 54.43% for the conventional antenna to 86.36% for the EBG antenna. Two techniques based on signal-flow graph theory were derived to explain both the non-coherent steady-state radiative transfer and the coherent radiative transfer within multi-layered dielectric media with non-uniform temperatures and any number of stratified layers. Both models allow for the accurate characterization and sensing of the thermal emissions originating from subsurface tissue layers.

Mes travaux de recherche portent sur l'étude du rayonnement (surtouts rayons X durs) provenant des trous noirs accrétant (dans les noyaux actifs de galaxies et les binaires X). L'objectif est d'en extraire des informations sur les conditions physique régnant dans l'environnement immédiat de ces objets. Les principales question auxquelles je tente de répondre sont les suivantes: Quelle est la structure et la géométrie de la matière accrétée au voisinage du trou noir ? Comment celle -ci évolue-t-elle avec le taux d'accrétion de masse ? Quel est la relation entre les processus d'accrétion et la formation de jets souvent observés dans ces systèmes ? Mon approche est fondée sur une comparaison précise entre les observations et les prédictions des divers modèles. Je présente les efforts poursuivis depuis près de dix ans afin de développer des outils de simulation numérique pour modéliser le transfert de rayonnement dans les plasma chauds des sources compactes X. Je montre comment ces outils ont été utilisés pour modéliser le continuum haute énergie et la variabilité des trous noirs accrétants et pour contraindre la structure du flot d'accrétion. Je présente également des résultats reposant sur l'analyse et l'interprétation d'observations menées avec des télescopes spatiaux tels que XMM-Newton et INTEGRAL ainsi que sur des d'observations simultanées à plusieurs longueurs d'ondes allant de la radio aux rayons X durs.

On observe des anomalies d'abondances en surface de nombreuses étoiles A (d'amas et du champ). Ces anomalies d'abondances sont générées par la diffusion microscopique et peuvent etre modulées par l'action d'autres processus de m´elange, incluant la convection, le méange rotationnel, la perte de masse, etc. Ces étoiles désignées chimiquement particulières montrent typiquement des sous-abondances en calcium et/ou en scandium ainsi que des surabondances en éléments du pic du fer et en éléments plus lourds. Les étoiles A non magnétiques de ce type sont classifiées Am.<br />En observant en particulier des étoiles A et F dans des amas ouverts, on peut obtenir des informations additionnelles qui facilitent la comparaison aux mod`eles, soient la composition chimique initiale et l'age de ces étoiles. Ainsi en déterminant la composition chimique des étoiles A/F dans plusieurs amas ouverts d'ages différents, on peut suivre l'évolution de la composition chimique de surface et contraindre les modèles évolutifs au niveau des processus de transport.<br />Dans cette thèse, j'expose l'analyse de la composition chimique d'échantillons d'étoiles A et F dans deux amas ouverts d'ages différents: les Pléiades (100 Myrs) et Coma Berenices (450 Myrs). Ce travail repose sur des observations que j'ai menées avec les trois spectrographes AURELIE, ELODIE et SOPHIE a l'Observatoire de Haute-Provence (OHP). La méthode des spectres synthétiques, basée sur des modèles d'atmosphères d'ATLAS9-12, a été utilisée afin de déterminer les abondances de 22 éléments. Ces observations sont ensuite comparées aux prédictions des modèles évolutifs de Montréal. Les résultats démontrent l'existence de processus hydrodynamiques dans les zones radiatives de ces étoiles et qui contrebalancent les effets de la diffusion microscopique.

Ce travail est consacré à l'étude des processus d'échange de charge et de perte d'énergie d'ions lourds très chargés ralentis, canalisés dans des cristaux minces de silicium. Les deux premiers chapitres présente le principe de la canalisation des ions lourds dans un cristal, l'ensemble des processus d'interaction ion-électrons et le principe de nos simulations d'échanges de charge et de trajectoires en conditions de canalisation.<br />Les chapitres suivants décrivent deux expériences réalisées à l'accélérateur de GSI de Darmstadt dont les principaux résultats sont les suivants : la probabilité par atome cible de capture mécanique (MEC) des ions U91+ de 20 MeV/u en fonction du paramètre d'impact (à l'aide de nos simulations), l'observation de la forte polarisation du gaz d'électrons cible par l'intermédiaire de la capture radiative (REC) et le ralentissement d'ions Pb81+ de 13 à 8,5 MeV/u en conditions de canalisation, pour lesquelles la capture électronique est fortement réduite.