Esta tesis constituye un estudio detallado y exhaustivo de las propiedades de una variedad específica de ondas ópticas solitarias. Observadas experimentalmente por primera vez en 1995, estas ondas estan formadas por un haz óptico a frecuencia fundamental y su segundo armónico que están ligados entre sí y viajan juntos en el material cuadrático; y son debidas al equilibrio entre la difracción lineal que sufre el haz al propagarse y un término no lineal de segundo orden en la susceptibilidad del medio. Las llamamos por eso solitones ópticos en medios cuadráticos o simplemente 'solitones cuadráticos'. También se les conoce como 'Solitones Multicolor' aludiendo al hecho de que requieren de haces a diferentes frecuencias para formarse.Un medio no-lineal cuadrático tiene por fuerza que ser no-centrosimétrico, lo cual es una variedad de anisotropía. Una gran parte de los materiales no-lineales cuadráticos (los que tienen mayor interés para la industria) son uniaxiales lo que significa que presentan un eje de simetría que suele llamarse eje óptico. De la dirección de un haz relativa a ese eje óptico dependen las características de la propagación del haz en el medio cuadrático no-lineal. Una consecuencia de eso en configuraciones de interés es un desvío ('walk-off') sufrido por el haz respecto a su dirección de propagación inicial al entrar en el material no-lineal.Las propiedades de los solitones cuadráticos 'caminantes' son también estudiadas en la tesis, estableciendo que existe una relación entre la potencia inyectada en el medio y el ángulo de desvío (walking angle).Una parte importante de la tesis está dedicada al estudio a través de exhaustivos experimentos numéricos del potencial de estas ondas solitarias para constituir la base de dispositivos de conmutación y encaminamiento totalmente ópticos que puedan hacer realidad la promesa de la red transparente totalmente óptica. Los experimentos han permitido identificar varias configuraciones de interés con niveles de potencia y dimensiones que permiten plantearse el diseño y construcción de dispositivos comerciales de conmutación y encaminamiento totalmente ópticos basados en solitones ópticos cuadráticos. / This thesis is a comprehensive study of the fundamental properties of a specific kind of optical spatial solitary waves. First observed experimentally in 1995, these solitary waves are formed by an optical beam at a fundamental frequency and its second harmonic which propagate together and are mutually entangled; and are due to a balanced interplay between the beams' linear diffraction and a second-order nonlinear susceptibility of the medium. They are thereby referred as 'Optical Solitons in Quadratic Nonlinear Media' or simply 'Quadratic Solitons', They are also known as 'Multicolor Solitons' recalling that they are formed by beams at different frequencies.A quadratic nonlinear media needs to be non centrosymmetric which is a special kind of anisotropy. A great deal of quadratic nonlinear materials (the most used by industry such as lithim niobate, KTP, etc.) are uniaxial meaning that they feature a symmetry axis known as 'optical axis'. The direction of propagation of an optical beam relative to that axis determines the characteristics of the beam's propagation through the quadratic nonlinear material. A main result of that in some configurations of interest is a walk-off suffered by the beam as it enters the quadratic material.The properties of the families of quadratic solitons in the presence of a linear walk-off (quadratic walking solitons) are studied as well in the thesis stating that there is a relationship between the power injected into the medium and the walking angle, suitable to applications of all-optical switching and routing.An important last part of the thesis is devoted to the study from a practical viewpoint and through extensive numerical experiments of the potential of these solitary waves as the basis of practical all-optical switches and routers which could take the all-optical transparent network to a reality. The experiments have allowed to identify several configurations of interest with power level and dimensions suited to practical applications which could allow the production of commercial all-optical switching and routing devices based on quadratic solitons.

Dans cette thèse nous présentons une description théorique et numérique détaillée des instabilités et des dynamiques observées dans des systèmes quasi-unidimensionnels de particules en interaction répulsive soumises à un bain thermique. Lorsque le confinement transverse décroît, ces systèmes présentent une transition structurelle les faisant passer d'une configuration en ligne à une configuration en zigzag, homogène ou inhomogène. Nous avons mis en évidence et expliqué le changement de caractère de cette bifurcation qui passe de sur-critique à sous-critique. La description quantitative de configurations d'équilibre stables, appelées " bulles ", a été réalisée, celles-ci correspondent à une coexistence de domaines en ligne et en zigzag.La dynamique des " bulles " a été ensuite étudiée à l'aide d'un modèle de particule effective diffusant dans un potentiel périodique induit par le caractère discret du système. Lorsque plusieurs " bulles " coexistent, elles interagissent et se réorganisent pour former une configuration stable à une seule " bulle " selon des mécanismes de coalescence ou de collapse. Nous avons montré que la topologie de la configuration peut induire des effets de frustration conduisant à une interaction attractive ou répulsive selon les cas.Enfin, nous avons montré que les fluctuations transverses des particules divergent à l'approche des seuils de transition et expliqué ces comportements par l'apparition de modes mous dans le spectre de vibration. Cette description en modes propres nous a permis par ailleurs de comprendre l'augmentation observée de la diffusion d'une chaîne de particules dans un potentiel périodique asymétrique par rapport à une chaîne libre. / In this thesis, we provide a detailed theoretical and numerical study of instabilities and dynamics in quasi-one-dimensional systems of repulsively interacting particles in a thermal bath.When the transverse confinement decreases, theses systems display a structural transition from a line to an homogeneous or inhomogeneous staggered row configuration. We have exhibited and explained the supercritical or subcritical character of the bifurcation according to the particles interaction and to the system geometry. The quantitative description of stable equilibrium configurations called "bubbles" has been done, their shapes consist in coexistence of line and zigzag phases.The "bubble" dynamics has been modelized by considering an effective particle that diffuses in a periodic potential induced by the discrete character of the system. When several "bubbles" coexist, they interact and evolve towards a single stable "bubble" through coalescence and collapse mechanisms. We have shown that the configuration topology has to be taken into account and exhibited frustration effects leading to either an attractive or repulsive interaction between "bubbles". Then we have shown the divergence of the mean squared transverse displacements of the particles near the transition thresholds and analytically explained these critical behaviors by the existence of a soft mode in the configuration vibrational spectrum. With this eigenmodes description, we have also interpreted a diffusion enhancement of a particle file moving on an asymmetrical periodic potential with respect to the free file diffusion.

Soliton states in three coupled optical waveguide systems were studied: two linearly coupled waveguides with quadratic nonlinearity, two linearly coupled waveguides with cubic nonlinearity and Bragg gratings, and a quadratic nonlinear waveguide with resonant gratings, which enable three-wave interaction. The methods adopted to tackle the problems were both analytical and numerical. The analytical method mainly made use of the variational approximation. Since no exact analytical method is available to find solutions for the waveguide systems under study, the variational approach was proved to be very useful to find accurate approximations. Numerically, the shooting method and the relaxation method were used. The numerical results verified the results obtained analytically. New asymmetric soliton states were discovered for the coupled quadratically nonlinear waveguides, and for the coupled waveguides with both cubic nonlinearity and Bragg gratings. Stability of the soliton states was studied numerically, using the Beam Propagation Method. Asymmetric couplers with quadratic nonlinearity were also studied. The bifurcation diagrams for the asymmetric couplers were those unfolded from the corresponding diagrams of the symmetric couplers. Novel stable two-soliton bound states due to three-wave interaction were discovered for a quadratically nonlinear waveguide equipped with resonant gratings. Since the coupled optical waveguide systems are controlled by a larger number of parameters than in the corresponding single waveguide, the coupled systems can find a much broader field of applications. This study provides useful background information to support these applications.

This study presents a new Lagrangian model for predicting dynamics and transport in rivers and shallow water flows. A hydrostatic model is developed for the prediction of rivers and floodplain flow and lateral interactions between them. The model is extended to the Boussinesq weakly non-linear, non-hydrostatic model for the simulation of solitary waves and undular bores. A model for advection-diffusion transport of tracers in open channel flow is also presented. The simulation results are compared against an analytical solution and published laboratory data, field data and theoretical results. It is demonstrated that the Lagrangian moving grid eliminates numerical diffusion and oscillations; the model is dynamically adaptive, providing higher resolution under the wave by compressing the parcels (grid). It also allows flow over dry beds and moving boundaries to be handled efficiently. The hydrostatic model results have shown that the model accurately simulates wave propagation and non-linear steepening until wave breaking. The model is successfully applied to simulate flow and lateral interactions in a compound channel and flood wave movement in a natural river. The non-hydrostatic model has successfully reproduced the general features of solitary waves such as the balance between non-linearity and wave dispersion and non-linear interactions of two solitary waves by phase-shift. Also, the model successfully reproduced undular bores (high frequency short waves) from a long wave and the predicted maximum height of the leading wave agreed very well with the published results. It is shown that the simple second order accurate Lagrangian scheme efficiently simulates dispersive waves without any numerical diffusion. Lagrangian modeling of advection-diffusion transport of Gaussian tracer distributions, top hat tracer distributions and steep fronts (step function) in steady, uniform flow has provided exact results and has shown that the scheme allows the use of a large time step without any numerical diffusion and oscillations, including for the advection of steep fronts. The scheme can handle large Courant numbers (results are presented for Cr = 0 to 20) and the entire range of grid Peclet numbers from zero to infinity. The model is successfully applied to tracer transport due to flow induced by simple waves, solitary waves and undular bores

Dans ce manuscrit, nous nous inéressons à l'étude du mouvement des vagues soumises uniquement à leur poids par le biais d'équations asymptotiques. Nous commençons par rappeler la dérivation des principaux modèles généralement utilisés (Boussinesq, Green-Naghdi,...). Nous introduisons également un nouveau modèle exprimé en amplitude-flux qui correspond à une variante des équations de Nwogu. Dans le second chapitre, nous démontrons un résultat d'existence en temps long pour ces nouvelles équations et nous étudions l'existence d'ondes solitaires pour les équations de Boussinesq. Ce travail permet notamment de calculer avec une grande précision ces solutions exactes. Le troisième chapitre détaille les différences non linéaires que l'on retrouve entre les différentes équations de Boussinesq (modèles en flux-amplitude comparés aux modèles en vitesse-amplitude). Enfin, les deux derniers chapitres introduisent un nouveau paradigme pour trouver des schémas numériques adaptés aux modèles asymptotiques. L'idée est d'appliquer une analyse asymptotique aux équations d'Euler discrétisées. Ce nouveau paradigme est appliqué aux équations de Peregrine, de Nwogu et de Green-Naghdi. Plusieurs cas tests sont proposés dans ces deux chapitres. / In this work, we are interested in the evolution of water waves under the gravity force using asymptotics models. We start by recalling the derivation of most used models (Boussinesq, Green-Naghdi,...) and we introduce a new model expressed amplitude-flux, which is an alternative version of the Nwogu equations. In the second chapter, we prove a long time existence result for the new model and we investigate the existence of solitary waves for the Boussinesq models. This work allow us to compute these solutions with a good precision. The third chapter highlights the nonlinear differences between the Boussinesq equations (amplitude-flux models versus amplitude-velocity models). Finally, the two last chapter introduce a new paradigm in order to find numerical schemes adapted to asymptotics models. The idea is to apply an asymptotic analysis to a discretized Euler system. This new paradigm is applied to Peregrine equations, Nwogu equations and Green-Naghdi equations. Test cases are presented in these two chapters

There exists substantial applications motivating the study of nonlinear longitudinal wave propagation in layered (or laminated) elastic waveguides, in particular within areas related to non-destructive testing, where there is a demand to understand, reinforce, and improve deformation properties of such structures. It has been shown [76] that long longitudinal waves in such structures can be accurately modelled by coupled regularised Boussinesq (cRB) equations, provided the bonding between layers is sufficiently soft. The work in this thesis firstly examines the initial-value problem (IVP) for the system of cRB equations in [76] on the infinite line, for localised or sufficiently rapidly decaying initial conditions. Using asymptotic multiple-scales expansions, a nonsecular weakly nonlinear solution of the IVP is constructed, up to the accuracy of the problem formulation. The asymptotic theory is supported with numerical simulations of the cRB equations. The weakly nonlinear solution for the equivalent IVP for a single regularised Boussinesq equation is then constructed; constituting an extension of the classical d'Alembert's formula for the leading order wave equation. The initial conditions are also extended to allow one to separately specify an O(1) and O(ε) part. Large classes of solutions are derived and several particular examples are explicitly analysed with numerical simulations. The weakly nonlinear solution is then improved by considering the IVP for a single regularised Boussinesq-type equation, in order to further develop the higher order terms in the solution. More specifically, it enables one to now correctly specify the higher order term's time dependence. Numerical simulations of the IVP are compared with several examples to justify the improvement of the solution. Finally an asymptotic procedure is developed to describe the class of radiating solitary wave solutions which exist as solutions to cRB equations under particular regimes of the parameters. The validity of the analytical solution is examined with numerical simulations of the cRB equations. Numerical simulations throughout this work are derived and implemented via developments of several finite difference schemes and pseudo-spectral methods, explained in detail in the appendices.

This thesis deals with the dynamics of a thin liquid film falling down a heated plate. The heating yields surface tension gradients that induce thermocapillary stresses on the free surface, thus affecting the stability and the evolution of the film. Accounting for the coherence of the flow due to viscosity, two main approaches that reduce the dimensionality of the original problem are usually considered depending on the flow rate (as measured by the Reynolds number): the `long wave' asymptotic expansion for small Reynolds numbers and the `integral boundary layer' approximation for moderate Reynolds numbers. The former suffers from singularities and the latter from incorrectness of the instability threshold for the occurrence of hydrodynamic waves. Thus, the aim of this thesis is twofold: in a first part, we define quantitatively the validity of the `long wave' evolution equation (Benney equation) for the film thickness h including the thermocapillary effect; and in a second part, we improve the `integral boundary layer' approach by combining a gradient expansion to a weighted residual method. In the first part, we further investigate the Benney equation in its validity domain in the case of periodically inhomogeneous heating in the streamwise direction. It induces steady-state deformations of the free surface with increased transfer rate in regions where the film is thinner, and also in average. The inhomogeneities of the heating also modify the nature of travelling wave solutions at moderate temperature gradients and allows for suppressing wave motion at larger ones. Moreover, large temperature gradients (for instance positive ones) in the streamwise direction produce large local film thickening that may in turn become unstable with respect to transverse disturbances such that the flow may organize in rivulet-like structures. The mechanism of such instability is elucidated via an energy analysis. The main features of the rivulet pattern are described experimentally and recovered by direct numerical simulations. In the second part, various models are obtained, which are valid for larger Reynolds numbers than the Benney equation and account for second-order viscous and inertial effects. We then elaborate a strategy to select the optimal model in terms of linear stability properties and existence of nonlinear solutions (solitary waves), for the widest possible range of parameters. This model -- called reduced model -- is a system of three coupled evolution equations for the local film thickness h, the local flow rate q and the surface temperature Ts. Solutions of this model indicate that the interaction of the hydrodynamic and thermocapillary modes is non-trivial, especially in the region of large-amplitude solitary waves. Finally, the three-dimensional evolution of the solutions of the reduced model in the presence of periodic forcing and noise compares favourably with available experimental data in isothermal conditions and with direct numerical simulations in non-isothermal conditions. ------------------------------------------------ Cette thèse analyse la dynamique d'un film mince s'écoulant le long d'une paroi chauffée. Le chauffage crée des gradients de tension superficielle qui induisent des tensions thermocapillaires à la surface libre, altérant ainsi la stabilité et l'évolution du film. Grâce à la cohérence de l'écoulement assurée par la viscosité, deux approches permettant de réduire la dimensionnalité du problème original sont habituellement considérées suivant le débit (mesuré par le nombre de Reynolds): l'approximation asymptotique dite `longues ondes' pour les faibles nombres de Reynolds et l'approximation `intégrale couche limite' pour les nombres de Reynolds modérés. Cependant, la première approximation souffre de singularités et la dernière de prédictions imprécises du seuil de stabilité des ondes hydrodynamiques à la surface du film. Le but de cette thèse est donc double: dans une première partie, il s'agit de déterminer, de manière quantitative, la validité de l'équation d'évolution `longues ondes' (ou équation de Benney) pour l'épaisseur du film h, en y incluant l'effet thermocapillaire; et dans une seconde partie, il s'agit d'améliorer l'approche `intégrale couche limite' en combinant un développement en gradients avec une méthode aux résidus pondérés. Dans la première partie, nous étudions l'équation de Benney, dans son domaine de validité, dans le cas d'un chauffage inhomogène et périodique dans la direction de l'écoulement. Cela induit des déformations permanentes de la surface libre avec un accroissement du transfert de chaleur dans les régions où le film est plus mince, mais aussi en moyenne. Un chauffage inhomogène modifie également la nature des solutions d'ondes progressives pour des gradients de températures modérés et conduit même à leur suppression pour des gradients de températures plus importants. De plus, ceux-ci, lorsqu'ils sont par exemple positifs le long de l'écoulement, produisent des épaississements localisés du film qui peuvent à leur tour devenir instables par rapport à des perturbations suivant la direction transverse à l'écoulement. Ce dernier s'organise alors sous forme d'une structure en rivulets. Le mécanisme de cette instabilité est élucidé via une analyse énergétique des perturbations. Les principales caractéristiques des structures en rivulets sont décrites expérimentalement et retrouvées par l'intermédiaire de simulations numériques. Dans la seconde partie, nous dérivons une famille de modèles valables pour des nombres de Reynolds plus grands que l'équation de Benney, qui prennent en compte les effets visqueux et inertiels du second ordre. Nous élaborons ensuite une stratégie pour sélectionner le modèle optimal en fonction de ses propriétés de stabilité linéaire et de l'existence de solutions non-linéaires (ondes solitaires), et ce pour la gamme de paramètres la plus large possible. Ce modèle -- appelé modèle réduit -- est un système de trois équations d'évolution couplées pour l'épaisseur locale de film h, le débit local q et la température de surface Ts. Les solutions de ce modèle indiquent que l'interaction des modes hydrodynamiques et thermocapillaires n'est pas triviale, spécialement dans le domaine des ondes solitaires de grande amplitude. Finalement, l'évolution tri-dimensionnelle des solutions du modèle réduit en présence d'un forçage périodique ou d'un bruit se compare favorablement aux données expérimentales disponibles en conditions isothermes, ainsi qu'aux simulations numériques directes en conditions non-isothermes

La marée interne générée sur une topographie est un élément clé des transferts énergétiques des échelles de forçage de l'océan vers les échelles de mélange turbulent. Elle contribuerait à près de la moitié du mélange turbulent nécessaire au maintien de la stratification océanique. Une compréhension plus approfondie des processus mis en jeu est nécessaire pour décrire plus précisément son rôle dans le maintien de la circulation océanique. Cette thèse s'inscrit dans la continuité des travaux d'Y. Dossmann (2012) portant sur les ondes internes solitaires générées au dessus d'une dorsale océanique. Ces travaux reposent sur une utilisation complémentaire d'expériences physiques menées dans le grand canal du CNRM-GAME et d'expériences numériques à l'échelle du laboratoire effectuées avec le modèle d'océanographie côtière SNH. L'utilisation simultanée de ces deux outils a notamment permis d'évaluer la validité des hypothèses sous-jacentes de ce modèle et le développement de nouveaux schémas numériques. Dans cette thèse, des simulations numériques utilisant la version non-hydrostatique et non-Boussinesq du modèle SNH sont utilisées pour décrire les différents régimes d'ondes internes dans des régions " supercritiques ". Le terme supercritique désigne à la fois des courants de marée intenses dont la vitesse U est supérieure à la vitesse de propagation des ondes internes cn, et des topographies très abruptes dont l'angle de la pente est supérieur à l'angle du rayon d'onde interne dans la pycnocline . De telles conditions environnementales correspondent à des régions de mélange intense, jusqu'à 10 000 fois supérieur au mélange turbulent observé dans l'océan ouvert. Les processus physiques ayant lieu dans ces régions restent encore mal compris et mal représentés par les paramétrisations d'ondes internes existantes. De plus, ces régions sont également des zones propices à la génération d'ondes internes non-linéaires pouvant se propager pendant plusieurs jours et entraînant ainsi des transferts d'énergie significatifs loin de leur zone de génération. La description des processus turbulents en jeu dans ces régions " extrêmes " constitue le cœur de ma thèse. Dans une première partie, des configurations académiques à l'échelle du laboratoire sont mises en place pour étudier les processus en jeu dans différents régimes " supercritiques " de génération d'onde internes. Des simulations numériques directes sont réalisées et permettent d'identifier un nombre limité de paramètres physiques adimensionnés contrôlant la dynamique des ondes internes dans ces régions. Une attention particulière est portée sur le rôle joué par la topographie sur la génération des modes verticaux d'ondes internes et sur la formation de modes " hauts " d'ondes internes solitaires. Le second objectif de cette thèse est de faire le lien entre les précédentes études académiques à l'échelle du laboratoire et l'échelle océanique. Pour cela, un principe de similitude permettant de conserver la dynamique des ondes internes tout en modifiant l'échelle de l'écoulement est mise en place. Par le biais de ce principe de similitude, nous partons de cas idéalisés à l'échelle du laboratoire, que nous transposons à l'échelle océanique, pour nous rapprocher de cas océaniques plus réalistes et de plus en plus complexes. Puis notre étude de régime est étendue à deux régions océaniques " supercritiques " bien connues : le détroit de Gibraltar et le plateau situé à l'entrée du golfe du Maine (nommé " Georges Bank " en anglais). L'applicabilité de nos paramètres clés est étudiée dans le cas de ces deux environnements complexes par le biais de simulations haute résolution de grande échelle (LES). / Internal tides are involved in the Meridional Overturning Circulation energy balance. The issue about the relative importance of the mechanical and thermodynamical energy sources induces a need for a quantitative evaluation of the energy transfers and for a clear understanding of the physical processes involved in these energy transfers. In supercritical regions such as the strait of Gibraltar or the Hawaiian Ridge, large topography variations and strong currents lead to more complex generation mechanisms of internal waves and environmental interactions. They can be subject locally to spectacular breaking, with turbulent structures observed hundreds of meters above the seafloor, and driving turbulence orders of magnitude higher than open-ocean levels. These regions are also effective at generating nonlinear internal waves (ISWs) which persist for days after their generation and are suspected to be responsible for important remote energy transfers. In these "extreme" regions, ISWs dynamics is also more difficult to model. These situations are highly non-hydrostatic and non-linear with strong instabilities, strong velocity and density gradients and steep slopes. Moreover, in these regions, actual internal wave's parameterizations are often inadequate. So there is a real need to understand and represent better the ISWs dynamic in these areas. This thesis follows the line of research of Dossmann (2012), on topographically induced internal solitary waves which used a complementary approach relying on numerical and experimental configurations at laboratory scale. In this context, we continue to explore internal tide regimes but in "supercritical" regions: internal tide generation area with supercritical topography and hydraulic control. Simulations are performed using the nonhydrostatic and non-Boussinesq version of the regional oceanic circulation model SNH. In a first part, taking an idealized modeling approach at laboratory scale, we examined a range of different internal waves regimes in "supercritical" regions. Relying on quasi-direct numerical simulations (quasi-DNS), a regime analysis has been proposed using and identifying key non-dimensional parameters for ISWs dynamics. This analysis has permitted to recover a topographic control on vertical mode generation characterized by the ratio of vertical mode wavelength to topography width, even above supercritical topography. The topographic selection criterion has proven to be a useful indicator of high mode solitary wave formation in non-linear regime. The purpose of the second part is to extend the previous studies at laboratory scales towards more realistic oceanic conditions. In this regard, the regime analysis is applied to a idealized large scale oceanic strait through a similitude principle. The idealized strait configuration succeeds in representing laboratory scale strait regime at largest and realistic scales. Then our analysis is applied to two well-known realistic cases: the Strait of Gibraltar and Georges Bank through large eddy simulations. These two oceanographic "supercritical" regions are particularly interesting for their specific topography and stratification conditions.

This thesis addresses solitary waves and their significance for auroral particle acceleration, coronal heating and incoherent scatter radar spectra. Solitary waves are formed due to a balance of nonlinear and dispersive effects. There are several nonlinearities present in ideal magnetohydrodynamics (MHD) and dispersion can be introduced by including theHall termin the generalised Ohm’s law. The resulting system of equations comprise the classical ideal MHD waves, whistlers, drift waves and solitarywave solutions. The latter reside in distinct regions of the phase space spanned by the speed and the angle (to the magnetic field) of the propagating wave. Within each region, qualitatively similar solitary structures are found. In the limit of neglected electron intertia, the solitary wave solutions are confined to two regions of slow and fast waves, respectively. The slow (fast) structures are associated with density compressions (rarefactions) and positive (negative) electric potentials. Such negative potentials are shown to accelerate electrons in the auroral region (solar corona) to tens (hundreds) of keV. The positive electric potentials could accelerate solar wind ions to velocities of 300–800 km/s. The structure widths perpendicular to themagnetic field are in the Earth’s magnetosphere (solar corona) of the order of 1–100 km (m). This thesis also addresses a type of incoherent scatter radar spectra, where the ion line exhibits a spectrally uniform power enhancement with the up- and downshifted shoulder and the spectral region in between enhanced simultaneously and equally. The power enhancements are one order of magnitude above the thermal level and are often localised to an altitude range of less than 20 km at or close to the ionospheric F region peak. The observations are well-described by a model of ion-acoustic solitary waves propagating transversely across the radar beam. Two cases of localised ion line enhancements are shown to occur in conjunction with auroral arcs drifting through the radar beam. The arc passages are associated with large gradients in ion temperature, which are shown to generate sufficiently high velocity shears to give rise to growing Kelvin-Helmholtz (K-H) instabilities. The observed ion line enhancements are interpreted in the light of the low-frequency turbulence associated with these instabilities. / Denna avhandling handlar om solitära vågor och deras roll i norrskensacceleration och koronaupphettning, samt deras signatur i spektra uppmätta med inkoherent spridningsradar. Solitära vågor bildas genom en balans mellan ickelinjära och dispersiva effekter. Ickelinjäriteter finns det gott om i ideal magnetohydrodynamik (MHD) och dispersion kan införas genom att inkludera Halltermen i den generaliserade Ohms lag. Det resulterande ekvationssystemet omfattar de klassiska vågorna inom ideal MHD, visslare, driftvågor och solitära vågor. De sistnämnda återfinns i väldefinierade områden i fasrummet som spänns upp av farten och vinkeln (mot magnetfältet) för den propagerande vågen. Inom varje sådant område återfinns kvalitativt lika solitära våglösningar. Om man försummar elektronernas tröghet begränsas de solitära våglösningarna till två områden med långsamma respektive snabba vågor. De långsamma (snabba) strukturerna är associerade med täthets-kompressioner (förtunningar) och positiva (negativa) elektriska potentialer. De negativa potentialerna visas kunna accelerera elektroner i norrskensområdet (solens korona) till tiotals (hundratals) keV medan de positiva potentialerna accelererar solvindsjoner till hastigheter på 300–800 km/s. Strukturbredderna vinkelrät mot magnetfältet är i jordens magnetosfär (solens korona) av storleksordningen 1–100 km (m). Denna avhandling tar även upp en typ av inkoherent spridningsradarspektra, där jonlinjen uppvisar en spektralt uniform förstärkning. Detta innebär att den upp- och nedskiftade skuldran och spektralbandet däremellan förstärks simultant och i lika hög grad. Effektförstärkningen är en storleksordning över den termiska nivån och är ofta lokaliserad till ett höjd-intervall av mindre än 20 km nära jonosfärens F-skiktstopp. Observationerna beskrivs väl av en modell med solitära vågor som propagerar transversellt genom radarstrålen. Två fall av lokaliserade jonlinjeförstärkningar visas sammanfalla med att norrskensbågar driver genom radarstrålen. I samband med bågarnas passage uppmäts stora gradienter i jontemperatur, vilket visas skapa tillräckligt kraftiga hastighetsskjuvningar för att Kelvin-Helmholtz-instabiliteter ska tillåtas växa. De observerade jonlinjeförstärkningarna tolkas i skenet av den lågfrekventa turbulensen som är kopplad till dessa instabiliteter.

Cette thèse étudie des ondes localisées pour certaines classes d'équations différentielles non linéaires décrivant des systèmes mécaniques excitables. Ces systèmes correspondent à une chaîne infinie de blocs reliés par des ressorts et qui glissent sur un surface en présence d'une force de frottement non linéaire dépendant de la vitesse. Nous analysons à la fois le modèle de Burridge-Knopoff (avec des blocs attachés à des ressorts tirés à une vitesse constante) et une chaîne de blocs libres glissant sur un plan incliné sous l'effet de la gravité. Pour une classe de fonctions de frottement non-monotones, ces deux systèmes présentent une réponse de grande amplitude à des perturbations au-dessus d'un certain seuil, ce qui constitue l'une des principales propriétés des systèmes excitables. Cette réponse provoque la propagation d'ondes solitaires ou des fronts, en fonction du modèle et des paramètres. Nous étudions ces ondes localisées numériquement et théoriquement pour une grande gamme de lois de frottement et des régimes de paramètres, ce qui conduit à l'analyse d'équations différentielles non linéaires avec avance et retard. Les phénomènes d'extinction de propagation et d'apparition d'oscillations sont également étudiés pour les ondes progressives. L'introduction d'une fonction de frottement linéaire par morceaux permet de construire explicitement des ondes localisées sous la forme d'intégrales oscillantes et d'analyser certaines de leurs propriétés telles que la forme et la vitesse d'ondes. Une preuve de l'existence d'ondes solitaires est obtenue pour le modèle de Burridge-Knopoff pour un couplage faible. / This thesis analyses localized travelling waves for some classes of nonlinearlattice differential equations describing excitable mechanical systems. Thesesystems correspond to an infinite chain of blocks connected by springs and sliding on a surface in the presence of a nonlinear velocity-dependent friction force. We investigate both the Burridge-Knopoff model (with blocks attached to springs pulled at constant velocity) and a chain of free blocks sliding on an inclined plane under the effect of gravity. For a class of non-monotonic friction functions, both systems display a large response to perturbations above a threshold, one of the main properties of excitable systems. This response induces the propagation of either solitary waves orfronts, depending on the model and parameter regime. We study these localized waves numerically and theoretically for a broad range of friction laws and parameter regimes, which leads to the analysis of nonlinear advance-delay differential equations. Phenomena of propagation failure and oscillations of the travelling wave profile are also investigated. The introduction of a piecewise linear friction function allows one to construct localized waves explicitly in the form of oscillatory integrals and to analyse some of their properties such as shape and wave speed. An existence proof for solitary waves is obtained for the excitable Burridge-Knopoff model in the weak coupling regime.