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Lors d’une exposition récente sur l’Antarctique, notre attention a été attirée par des structures spectaculaires, visibles dans certains icebergs (on trouve sur le réseau Internet des vues de telles structures dans des icebergs d’origines diverses). Celles-ci sont constituées d’ensembles de prismes verticaux de glace, ou de plans parallèles (eux aussi verticaux), formant des colonnades. Ces dernières sont séparées par des surfaces horizontales du reste de l’iceberg au-dessus (les basculements de ceux-ci modifient ces directions) ; les diamètres des prismes et les épaisseurs des plans apparaissent décimétriques à pluri-décimétriques. Les structures sont inscrites dans la masse de la glace, l’érosion marine et la fonte les soulignant et les mettant en valeur (sous des surplombs de l’iceberg massif). A notre connaissance, il ne semble pas y avoir de description raisonnée, ni de proposition d’explication. Nous nous contentons ici de brosser un cadre interprétatif potentiel. Nous ne donnons pas en détail les raisons qui nous guident ; elles sont inspirées par notre connaissance de la solidification des magmas géologiques donnant des structures comparables : orgues et plans (voir les références ci-dessous). Nous imaginons ainsi que lors de son entrée dans la mer, un morceau de glacier, qui constitue une « réserve de froid » importante, peut, dans certaines conditions, faire geler la mer à son contact dans ses parties immergées (il y a donc formation de glace nouvelle). La mer étant riche en NaCl, le point de solidification de l’eau est fonction de la teneur en sel au voisinage du contact glace / mer. Suivant les gradients de température en jeu, le phénomène de surfusion de constitution peut jouer, et l’interface glace / eau montrer une instabilité ; celle-ci est responsable de la formation de digitations, c’est-à-dire que des doigts, ou des plans parallèles de glace, s’avancent dans l’eau lors de la congélation. Les spécialistes de sciences des matériaux discutent les gradients de température en trois dimensions permettant une bifurcation entre le régime colonnaire et le régime planaire. Du fait de leur croissance, les doigts / plans vont se souder ; ils vont laisser entre eux des joints correspondant à des zones plus fragiles, mises en relief par les processus d’érosion / fonte postérieurs, lors du soulèvement de l’iceberg. Si la glace d’eau ne peut contenir de sel, elle ne peut non plus contenir toute une série d’éléments chimiques, y compris des gaz, qui vont se trouver « expulsés » à l’extérieur. Est-ce là une explication des dégagements gazeux observés le long des joints par les plongeurs (Raphaël Sané, com. pers., 2022) et parfois envisagés comme responsables des structures (alors qu’ils en seraient une conséquence) ? Nous verrons dans l’avenir si ce cadre est à garder tel quel, à amender, ou à abandonner. Il nous invite à faire des observations nouvelles, des mesures de types variés (chimiques, de pétrofabrique), à lire sur des sujets connexes, à débattre avec les personnes compétentes. Des estimations préliminaires faisant intervenir les paramètres principaux du problème (températures, enthalpie de fusion, capacités calorifiques, diffusivités thermiques et moléculaires, gradients thermiques, pente du liquidus dans le diagramme de phase, intervention de la convection solutale) sont encourageantes. Nous remercions nos collègues glaciologues de Toulouse et de Grenoble pour de premiers échanges (parmi eux Frédérique Rémy, Christian Vincent), ainsi que, de façon spéciale, Raphaël Sané (guide naturaliste) pour ses photographies et ses remarques utiles (sans vouloir compromettre aucun dans les hypothèses présentées). Nous saluons les médiateurs de la Rotonde (CCSTI de la Loire et Ecole des Mines) pour l’exposition (automne 2021) à l’origine de cette réflexion.Guy B. & Lecoze J., C.R. Acad. Sc. Paris, 1990; Guy B., J. Volc. Geoth. Res., 2010; Guy B., Thiéry V., Garcia D., Bascou J. & Broekmans M., Miner. Petrol., 2020.

Le givrage par cristaux de glace est un phénomène aéronautique provoquant des incidents moteurs et instrumentaux qui survient plutôt en haute altitude dans l’enclume de systèmes convectifs tropicaux matures ou se dissipant et ne peut être anticipé via les instruments de bord des avions. C’est pourquoi la recherche à ce sujet est en plein essor. Les processus menant à de telles conditions météorologiques restent encore flous et leur prévisibilité inconnue. Ce travail de thèse a pour objectifs de mieux comprendre ce phénomène et d’évaluer la possibilité de simuler ce type de conditions météorologiques grâce à AROME, le modèle de méso-échelle à aire limitée opérationnel à Météo-France, afin d’anticiper le risque pour l’aéronautique. Pour répondre à ces questions AROME est tout d’abord évalué de manière statistique sur des situations propices au givrage par cristaux de glace à l’aide d’observations de la campagne de mesures aéroportées HAIC-2015. Les régions convectives, stratiformes et cirriformes des systèmes convectifs de mésoéchelle sont identifiées dans les observations et les simulations puis leurs caractéristiques microphysiques sont comparées indépendamment. Cette identification s’appuie sur des observations satellitaires, et se base sur les vitesses verticales, le taux de pluie au sol et le contenu en glace intégré dans AROME. L’analyse des observations montre que des conditions propices au givrage par cristaux de glace ont bien été échantillonnées lors de cette campagne. Toutefois, la version opérationnelle d’AROME n’est pas en mesure de reproduire ce type de conditions givrantes car les contenus en glace composant les enclumes sont trop faibles et ont une trop faible extension spatiale. Les hydrométéores simulés par le schéma microphysique opérationnel d’AROME (ICE3), sont trop gros ce qui les fait chuter trop rapidement. C’est pourquoi, en s’appuyant notamment sur ces observations, des propositions d’amélioration de la paramétrisation de la neige sont proposées. Dans un deuxième temps, des tests de sensibilité utilisant ces modifications sont effectués et les impacts positifs permettent de simuler des conditions de givrage par cristaux de glace. De plus, l’étendue spatiale des systèmes convectifs et leur composition microphysique s’en trouvent profondément modifiées. La grande variabilité observée des caractéristiques microphysiques reste cependant inaccessible pour ICE3.L’utilisation de LIMA, qui prévoit en plus le nombre d’hydrométéores (pour les gouttes, les gouttelettes, et les petits cristaux), apparaît comme une piste pour augmenter encore le réalisme de ces simulations. Comme ICE3, ce schéma est testé et évalué dans AROME sur les cas de la campagne HAIC. Partageant la même paramétrisation pour la neige qu’ICE3 les avancées utilisées dans ICE3 peuvent être testées avec LIMA. Mais même avec ces modifications, LIMA ne simule pas de conditions propices au givrage par cristaux de glace. Des tests supplémentaires montrent qu’améliorer la représentation de la déposition de vapeur, et plus généralement la représentation de la petite glace dans LIMA serait une avancée pour simuler ces conditions givrantes. Un schéma hybride « LIMA-ICE1M » profitant des apports de la phase liquide de LIMA pour la phase liquide mais utilisant la phase froide d’ICE3 est proposé pour une éventuelle utilisation opérationnelle à court terme. Enfin, en utilisant la version modifiée d’ICE3 , plusieurs diagnostics de givrage à destination de l’aéronautique sont proposés. Le plus simple s’appuie sur des seuils sur les contenus en glace qui sont plus réalistes avec les modifications d’ICE3. Un diagnostic satellitaire est transposé en sortie d’AROME et permet une comparaison directe avec des observations spatiales. Enfin, en vue de développer un indice pour le modèle global ARPEGE, la possibilité d’appliquer une distance de sécurité par rapport aux tours convectives et sa variabilité selon les conditions de grande échelle en sont étudiée.

Les archives des P.-O. et la prospection archéologique ont permis d’identifier en Roussillon environ 90 glacières, construites entre la fin du XVIesiècle et l’époque contemporaine. Autour de leur description et de leur analyse sont réunies ici des études d’histoire du climat, des techniques, d’histoire économique et sociale. On y apprend comment le plaisir des boissons et desserts frais, mis à la mode en Italie à la Renaissance et venu des Arabes par l’Espagne, a gagné l’Europe par sa frange méditerranéenne.

Quand Denis Fontaine et Michel Martzluff proposèrent de consacrer une séance du séminaire du Centre de Recherches Historiques sur les Sociétés Méditerranéennes aux « puits à glace » du Roussillon, nous étions loin de nous douter que le sujet serait si riche. Les projections de photographies des glacières locales, fruits de la prospection archéologique alliée aux premiers résultats des repérages dans les archives laissaient entrevoir des possibilités de mise en valeur des sites et de connaissa...

Puits à neige de Roque-rouge (fig. 1, 2, 3) Situation Sur la commune de Boule-d’Amont, à l’ouest du prieuré de Serrabone, sur la crête du Roque-Rouge, à 930 m d’altitude environ. Historique La première mention des puits de Serrabone date de 1727. Il était alors question de trois glacières, appartenant à la famille Serradell de Bouletemère. Actuellement seuls deux de ces puits ont été localisés. Le premier est situé en haut du sentier qui longe la crête, au lieu dit Pic Ambrosi, et à 970 m d’a...

Introduction Le village de Villelongue-dels-Monts est situé au pied du versant nord du massif des Albères. Son territoire relativement peu étendu (comparé à d’autres communautés voisines telles que Laroque-des-Albères, Sorède ou Argelès-sur-Mer), se compose de zones boisées – pour la partie montagneuse- ou cultivées, voire irriguées, en plaine. Ce territoire était divisé à l’origine (c’est-à-dire, au moins depuis le début du XIIe siècle) en deux communautés : Villelongue et le Vilar, chacune ...

On sait que depuis l’Antiquité médecins, moralistes, poètes et philosophes ont beaucoup débattu des méfaits et des mérites de l’eau de neige et du boire à la glace. Xavier De Planhol a retracé l’histoire de ces débats dans un livre récent, et les quelques textes que je vais commenter tombent nécessairement parmi ceux qu’il a étudiés. Il s’agit de quelques textes français, qui s’échelonnent entre 1560 et 1674, essentiellement des textes médicaux ou parlant de la santé. Ces textes, je voudrais ...

Introduction L’usage de la glace s’est répandu dans les pays riverains de la Méditerranée occidentale dans le courant du XVIe siècle et au début du siècle suivant. La glace était alors obtenue soit à partir de la neige récoltée sur les massifs et conservée dans des glacières d’altitude, soit à l’aide de bassins de congélation aménagés en plaine et en moyenne montagne (ces structures étant approvisionnées en eau par des canaux d’irrigation). Ce système mixte d’approvisionnement était utilisé e...

Présenter une postface à l’un de ses propres livres est pour un auteur un exercice toujours délicat. Il est cependant relativement aisé lorsque le temps a fait son œuvre, lorsque l’accumulation des critiques, et des découvertes nouvelles, permet, au bout de 10 ou 15 ans, et c’est généralement le laps de temps requis pour la parution d’une nouvelle édition d’un ouvrage scientifique, de mieux cerner les problèmes qui restent à résoudre et les nouvelles approches nécessaires. L’exercice est beau...

Le besoin de rafraîchir les boissons, de boire ou consommer du froid n’est pas nouveau. Les traces les plus anciennes de ce désir se trouvent au Proche-Orient. Cette pratique très usuelle à Rome se poursuivit dans l’aire méditerranéenne, tant musulmane que chrétienne après la chute de l’Empire romain. Les Français du Nord ne découvrirent cet usage de la neige et de la glace qu’à l’époque de la Renaissance. Le processus d’acculturation fut lent et s’échelonna sur plus d’un siècle. L’usage ne s...

Avant-propos Parler du confort. N’est-ce pas la notion la plus difficile à définir ? Chaque être humain a en effet sa conception personnelle du confort, personnelle mais aussi changeante. Ni luxe, ni besoin, le confort est tout autant une sensation et une valeur, assez forte pour que son importance en arrive à déranger l’ordre social et familial. L’attachement ou l’indifférence vis-à-vis de cette valeur divisent les hommes en groupes antagonistes : il y a les douillets, les raffinés, les mani...

Il est démontré que la fabrication de pains de glace est possible dans une région comme celle de Canet (P.-O.) durant des nuits où la température extérieure est inférieure à 0°C et que la tramontane souffle. De même, une durée de conservation de la glace dans des glacières durant plus de 7 mois est possible, en ménageant un espace d’air entre la glace et les parois de la glacière comme isolant, comme cela a été découvert dans de nombreux sites.

The deformation observed along a seismic fault can be described as the succession of phases for which the fault accumulate stress imposed by the steady deformation of the surrounding regions, and phases of sudden sliding during which the stress is relaxed: the earthquakes. After the rupture, strengthening mechanisms are required to make possible the new accumulation of elastic stress. Therefore, the seismic cycle results in the steady competition between strengthening and damage. The aim of this study is to explore the role of cohesion-healing on the fault deformation dynamic, as well as to characterize the effect of slip rate on the seismicity. The experimental set-up designed by Weiss et al (2016) has been extended in this study to carry out a micro-seismic monitoring of the deformation. This experiment consists in the shear deformation of a fault created in a thin ice plate overlying a water column. Cohesion-healing mechanisms are achieved through freezing of the water along the fault. The M_0 sim 10^{1.5m} damage mechanisms and the spatial and temporal distribution of the deformation can be characterized thanks to the detectable elastic waves emitted by the fracturing. Because of the plate geometry and underlying water column, we observed guided waves similar to the Lambs symmetric and antisymmetric modes.The largest fractures distribute according to a power law of the form {-bm} that is similar to the one observed in seismology. At a constant sliding rate, we observe a large b value, simeq 3, which is much larger than the value observed in the Earth's crust (b=1). This large b value indicates that the deformation is mainly accommodated aseismically or by small, undetected, fractures. During Slide-Hold-Slide experiment that corresponds to a case for which the cohesion-healing is enhanced compared to the damage, we observe a decrease in the b-value likely due to a decrease in fault heterogeneity and an increase of the fault ability to store more elastic stress before the rupture, allowing the fractures to grow larger. An important part of the fractures are multiplets, swarms of fractures, which seem to be passive by-products of the imposed deformation. This behaviour is similar to the one observed for swarm seismicity triggered by slip transient: high b-value, no identified mainshock, and very little triggering. For small driving rate Omega, we observe an increase in torque drop amplitude with magnitude, Delta Gamma sim M_0 sim 10{1.2m}, similar to the relation observed in seismology, . Thus, the latter could be extended to small magnitudes observed in this study. A decrease of the seismic coupling is observed through the decrease in the number of fractures per unit of slip, and because in average a fracture behaves similarly at the different Omega tested. Finally, for a given magnitude interval, we observe a decrease in torque drop amplitude with the increase in Omega. This could be explained by the observed decrease in seismic coupling or by a decrease in strengthening rate with Omega that is not observed., Le cycle sismique résulte de la compétition entre des mécanismes de renforcement et d'endommagement. Le temps de récurrence entre les grands séismes fait qu'il est difficile d'observer des cycles complets. L'étude expérimentale des mécanismes de déformation et de nucléation des fractures a permis de mieux contraindre les processus à l'origine des séismes. Le rôle de la cicatrisation sur l'évolution de la résistance d'une faille soumise à une déformation stationnaire à été étudié expérimentalement par Weiss et al (2016). Dans cette expérience, une faille est créée dans une plaque de glace par cisaillement. Les mécanismes de cicatrisation sont obtenus par le regel de l'eau présente dans la zone de déformation. Dans le cadre de cette thèse, ce dispositif expérimental a été étendu pour permettre le suivi micro-sismique de la déformation imposée. Les mécanismes de déformation fragile émettent des ondes élastiques détectables qui se propagent dans le milieu, nous permettant de les caractériser. En raison de la géométrie en plaque du milieu, on observe la propagation d'ondes guidées similaire aux modes de Lamb symétrique et antisymétrique.Les fractures de grandes tailles se distribuent selon une loi de puissance en 10-bm} similaire à ce qui est observé en sismologie. Cependant, lors des expériences de déformation stationnaires, la valeur de b est large (b=3), et bien supérieure à ce qui est observée dans la croûte terrestre (b=1). Une valeur de b aussi élevée traduit le fait que la déformation est principalement accommodée de façon asismique ou part des fractures trop petites pour être détectées par notre méthode. Lorsque le rôle de la cicatrisation est renforcée par rapport à l'endommagement, on observe une diminution de la valeur de b. Ce changement de distribution est probablement dû à la diminution des hétérogénéités de structure dans la faille et à une augmentation de sa capacité à accumuler une contrainte plus élevée avant la rupture, permettant aux fractures de se propager sur de plus longues distances. Une partie importante de la sismicité correspond à des multiplets qui semblent être des produits passifs de la déformation. Ce comportement est similaire à ce qui est observé pour les essaims de séismes déclenchés par des transitoires de déformation : valeur de b grande, absence de choc principal et peu de déclenchement de répliques. Pour des taux de déformation faibles, on observe une augmentation des chutes de couple avec la magnitude de la forme Delta Gamma sim M_0 sim 10{1.2m}, similaire à ce qui est observé dans la croûte terrestre, M_0 sim 10{1.5m}. Il est donc possible que la relation observée en sismologie s'étende aux petites magnitudes observées ici. Une diminution du couplage sismique est observé avec l'augmentation du taux de glissement Omega. Pour finir, pour une fracture de magnitude donnée, on observe une diminution de la chute de couple avec l'augmentation de Omega. Ce comportement peut être expliqué par la diminution du couplage sismique et/ou une dépendance du taux de cicatrisation.

Les bilans de masse de surface, résultats de l’accumulation et de l’ablation, sont des indicateurs directs du climat. Cependant, leurs observations exigent un travail de terrain très exigeant. Notre étude tente de reconstruire les bilans de masse de surface dans la zone d’ablation du Glacier d’Argentière (massif du Mont-Blanc) à partir du calcul des vitesses d’émergence de la glace.Ce travail a été réalisée à partir d’un ensemble de données comprenant des mesures DGPS d’un réseau de 19 balises déployé spécifiquement en septembre 2016 autour du « Profil 4 » aux alentours de 2400 m d’altitude (zone d’ablation du Glacier d’Argentière), un levé topographique au LiDAR terrestre de septembre 2017, des mesures photogrammétriques et des données LiDAR aéroportées.Dans la première partie de mon travail, j’ai calculé et analysé les variations spatiales de chacune des variables contrôlant les vitesses d’émergence (vitesses verticales, horizontales, pentes, etc…) à l’échelle annuelle et saisonnière. Nos résultats montrent que les vitesses d’émergence sont très influencées par les vitesses verticales qui ont une grande variabilité spatiale et temporelle.Dans la deuxième partie de mon travail, j’ai traité des données LiDAR terrestre acquises à la fin de l’été 2017 dans cette région du glacier. Pour cette acquisition LiDAR, nous avons mis en place et mesurés par GPS différentiel, 8 cibles afin de traiter précisément les nuages de points issus de la mesure LiDAR. Nous avons ainsi pu construire un Modèle Numérique de Terrain (MNT) de 10 cm de résolution permettant de déterminer la variation d’épaisseur du glacier pour l’année 2016-2017.Nous avons également mesurés par GPS différentiel les altitudes d’un grand nombre de points sur les lignes de déplacement des 19 balises afin de calculer précisément les pentes de surface et de valider le MNT généré par l’acquisition LiDAR.Avec notre méthode dite de la vitesse d’émergence, nous avons reconstitué les bilans de surface de 2002/2003, 2007/2008 et 2015/2016 et nous les avons comparés aux bilans observés. Nos résultats montrent que cette méthode est adaptée pour calculer les bilans de masse de surface à partir des seules mesures géométriques de vitesses et de pentes, à condition d’avoir mesuré les vitesses verticales sur des balises pour une année au moins. Nos résultats demandent néanmoins à être validés par des observations supplémentaires. Ils semblent très prometteurs et pourraient conduire à limiter considérablement les observations de terrain pour quantifier les bilans de masse de surface glaciologiques.

International audience

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) molecules are thought to be responsible for specific infrared emission bands in the interstellar medium (ISM). The cold and dense areas of the ISM, such as molecular clouds, contain dust particles whose mantle is predominantly composed of water ice. The interaction of PAH with ice tends, on the one hand, to modify its spectroscopic properties and, on the other hand, under UV irradiation, to induce a specific reactivity. Our theoretical work falls within this framework and aims to study the influence of ice on the energetic and spectroscopic properties of PAH, in connection with laboratory experiments. First, we have simulated the adsorption of PAH at the surface of amorphous and crystalline ice by classical molecular dynamics based on a force-field approach. A rigorous methodology has been developed to parameterize the charges of the different PAH. The adsorption energy of a various PAHs could thus be determined and a correlation was established between the adsorption sites and the presence of dangling bonds at the surface. Then, the generated configurations were used for SCC-DFTB calculations : the vibrational, harmonic and anharmonic spectra for the different PAHs and types of ice were determined. The shifts or emergences of bands identified on the calculated spectra were compared with the experimental data. The influence of the local organization of the surrounding water molecules on the vertical ionization potential has been characterized, as this process can impact precursor states to reactivity.; Les molécules hydrocarbures aromatiques polycycliques (PAH) sont supposées responsables de bandes d’émission infrarouge spécifiques dans le milieu interstellaire (MIS). Les zones froides et denses du MIS, telles que les nuages moléculaires, abritent des grains de poussière dont le manteau est majoritairement composé de glace d’eau. L’interaction du PAH avec la glace tend d’une part à modifier ses propriétés spectroscopiques et d’autre part, sous irradiation UV, à induire une réactivité spécifique. Notre travail théorique s’inscrit dans ce cadre et vise à étudier l’influence de la glace sur les propriétés énergétiques et spectroscopiques des PAH, en lien avec des expériences de laboratoire. Dans un premier temps, nous avons simulé des trajectoires d’adsorption de PAH à la surface de glaces amorphe et cristalline par dynamique moléculaire classique sur la base d’une approche champ de force. Une méthodologie rigoureuse a été développée pour paramétrer les charges des différents PAH. L’énergie d’adsorption d’un certain nombre de PAH a pu être ainsi déterminée et une corrélation a été établie entre site d’adsorption et présence de liaisons pendantes à la surface. Puis les configurations générées ont été utilisées pour des calculs SCC-DFTB : les spectres vibrationnels, harmoniques et anharmoniques pour les différents PAH et types de glace ont été déterminés. Les décalages ou émergences de bandes identifiées sur les spectres calculés ont été comparés aux données expérimentales. L’influence de l’organisation locale des molécules d’eau environnantes sur le potentiel d’ionisation vertical a été caractérisée, ce processus pouvant impacter les états précurseurs à la réactivité.

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) molecules are thought to be responsible for specific infrared emission bands in the interstellar medium (ISM). The cold and dense areas of the ISM, such as molecular clouds, contain dust particles whose mantle is predominantly composed of water ice. The interaction of PAH with ice tends, on the one hand, to modify its spectroscopic properties and, on the other hand, under UV irradiation, to induce a specific reactivity. Our theoretical work falls within this framework and aims to study the influence of ice on the energetic and spectroscopic properties of PAH, in connection with laboratory experiments. First, we have simulated the adsorption of PAH at the surface of amorphous and crystalline ice by classical molecular dynamics based on a force-field approach. A rigorous methodology has been developed to parameterize the charges of the different PAH. The adsorption energy of a various PAHs could thus be determined and a correlation was established between the adsorption sites and the presence of dangling bonds at the surface. Then, the generated configurations were used for SCC-DFTB calculations : the vibrational, harmonic and anharmonic spectra for the different PAHs and types of ice were determined. The shifts or emergences of bands identified on the calculated spectra were compared with the experimental data. The influence of the local organization of the surrounding water molecules on the vertical ionization potential has been characterized, as this process can impact precursor states to reactivity.; Les molécules hydrocarbures aromatiques polycycliques (PAH) sont supposées responsables de bandes d’émission infrarouge spécifiques dans le milieu interstellaire (MIS). Les zones froides et denses du MIS, telles que les nuages moléculaires, abritent des grains de poussière dont le manteau est majoritairement composé de glace d’eau. L’interaction du PAH avec la glace tend d’une part à modifier ses propriétés spectroscopiques et d’autre part, sous irradiation UV, à induire une réactivité spécifique. Notre travail théorique s’inscrit dans ce cadre et vise à étudier l’influence de la glace sur les propriétés énergétiques et spectroscopiques des PAH, en lien avec des expériences de laboratoire. Dans un premier temps, nous avons simulé des trajectoires d’adsorption de PAH à la surface de glaces amorphe et cristalline par dynamique moléculaire classique sur la base d’une approche champ de force. Une méthodologie rigoureuse a été développée pour paramétrer les charges des différents PAH. L’énergie d’adsorption d’un certain nombre de PAH a pu être ainsi déterminée et une corrélation a été établie entre site d’adsorption et présence de liaisons pendantes à la surface. Puis les configurations générées ont été utilisées pour des calculs SCC-DFTB : les spectres vibrationnels, harmoniques et anharmoniques pour les différents PAH et types de glace ont été déterminés. Les décalages ou émergences de bandes identifiées sur les spectres calculés ont été comparés aux données expérimentales. L’influence de l’organisation locale des molécules d’eau environnantes sur le potentiel d’ionisation vertical a été caractérisée, ce processus pouvant impacter les états précurseurs à la réactivité.

International audience; Cet article propose une étude du comportement à rupture de la glace en statique et en dynamique rapide. Des essais quasi-statiques de fendage et de compression sont conduits pour estimer les contraintes à rupture. Des essais de compression en dynamique rapide sur un dispositif de Hopkinson sont effectués pour caractériser l’amplification des contraintes à rupture avec la vitesse de déformation. Le modèle de Mazars revisité est étendu à la dynamique rapide et implémenté dans un code de calcul commercial. La dépendance à la vitesse de déformation est introduite à l’aide d’un facteur d’amplification. Des simulations des essais en formulation SPH sont effectuées et la confrontation essais/calculs montre des écarts très satisfaisants en terme de contrainte et de mode de rupture.

Ice is an hexagonal material in which deformation mainly occurs by dislocation glide along the basal plane conferring a strong viscoplastic anisotropy to the single crystal. Hence, during polycrystalline ice deformation the incompatibility between grains lead to highly heterogeneous strain. During ice creep at high temperature, dynamic recrystallisation occurs, leading to the development of a new microstructure and strong recrystallisation textures.These new microstructure and texture increase the ductility of the material. The aims of this study is to investigate dynamic recrystallisation mechanisms and their links with strain heterogeneities to better understand the development of these microstructure and texture.Creep experiments are carried out in conditions where dynamic recrystallisation is important (T > 0.95T f and 0.5 < σ < 1 M P a). Two kinds of polycrystalline samples are used: granular ice, which can be considered as a representative elementary volume and enable to understand the global impact of dynamic recrystallisation mechanisms on texture and microstructure; and columnar ice which enable to better constrain the dynamic recrystallisation mechanism such as nucleation and their link with the strain heterogeneities down to the intra and inter-granular scales. Strain field evolution is measured in situ using digital images correlation and pre- and post- deformation microstructures and textures are measured using optical imaging and Electron BackScatter Diffraction (EBSD).Due to the strong strain heterogeneities, both continuous and discontinuous recrystallisation mechanisms occured. Sub-grain boundary formation, nucleation by bulging and grain boundary migration are mechanisms very active during dynamic recrystallisation in ice. On top of that, we also observed new grains with orientations highly disoriented compared to the neighbouring grains. This observation implies a nucleation mechanism different compare to the one mentioned above. Using Nye theory on EBSD measurements constrains the geometrically necessary dislocations of the sub-grain boundaries. Tilt sub-grain boundaries made of non-basal c dislocations have been observed. Only few observations of c dislocations existed so far, all of them made in very specific conditions.A strong correlation between recrystallisation mechanisms and strain field heterogeneities have been observed. Recrystallisation mechanisms lead to a decrease and spread of strain heterogeneities. The strain localise into bands of deformation oriented at around ±45° from the compression axis and with a typical length higher than the mean grain size. These bands of high deformation localise most of the dynamic recrystallisation mechanisms. This observation shows that the long range interaction of the strain and stress heterogeneities.We propose a new model which could be able to constrain the nucleus orientation for spontaneous nucleation. This model, based on the elastic energy relaxation during nucleation tanks to the elastic anisotropy of ice single crystal, should constrain the c axis to be aligned with the locale principal stress direction. To investigate the impact of such oriented nucleation mechanism on the texture development, a numerical experiment has been proposed using full field simulation with an elasto-viscoplastic law able to simulate the strain and stress fields heterogeneities. These numerical experiments show that the oriented nucleation mechanism might be able to explain the development of recrystallisation texture., La glace est un matériau de structure cristallographique hexagonale ayant une anisotropie plastique très importante. La déformation est principalement accommodée par le glissement des dislocations dans le plan basal. Cette forte anisotropie du monocristal de glace conduit lors de la déformation d’un polycristal, à de fortes hétérogénéités de déformation et de contrainte. Lors de la déformation à haute température, les mécanismes de recristallisation dynamique permettent, par le développement d’une nouvelle microstructure et d’une nouvelle texture, d’augmenter la ductilité du matériau. L’objet de cette étude est de mieux caractériser les mécanismes de recristallisation et leurs liens avec les hétérogénéités de déformation afin de mieux comprendre le développement des nouvelles microstrutures et textures ainsi que leurs impacts sur le comportement du matériaux.Ce travail est basé sur des essais de type fluage dans les conditions où la recristallisation dynamique est importante (T > 0.95T f et 0.5 < σ < 1 M P a). Deux types de polycristaux sont étudiés : la glace granulaire, considérée comme un volume élémentaire représentatif, qui permet d’appréhender d’un point de vue statistique l’impact de la recristallisation sur le développement des microstructures et des textures ; et la glace colonnaire, qui permet d’étudier les différents mécanismes de germination et leurs liens avec les hétérogénéités de déformation à l’échelle inter et intra-granulaire. Les outils de caractérisation utilisés sont la mesure in situ de l’évolution du champ de déformation par corrélation d’images numériques et la caractérisation des microstructures et des textures pré- et post- déformation par mesure optique et Electron BackScatter Diffraction (EBSD).Étant donné les fortes hétérogénéités de déformation, les mécanismes de recristallisation dynamique continue et discontinue sont actifs au cours de la déformation. La formation de sous-joints de grains, la germination par gonflement (bulging), où la migration de joints de grains ont été mises en évidence. Des germes fortement désorientés par rapport aux grains parents ont également été observés. Ces observations impliquent un mécanisme de germi- nation différent de ceux mentionnés ci-dessus. De plus, les dislocations géométriquement nécessaires composants les sous-joints de grains ont été caractérisées à l’aide du tenseur de Nye extrait des mesures EBSD. Cela a permis d’observer des sous-structures de dislocations composées de dislocations c. Ces dislocations c étaient jusqu’alors très rarement observées et seulement dans des conditions très spécifiques.Une forte corrélation entre les hétérogénéités de déformation et les mécanismes de recristallisation a été mise en évidence grâce aux mesures de champs de déformation. Les mécanismes de recristallisation se concentrent dans les zones où la déformation est importante et ont tendance à réduire les hétérogénéités de déformation. De plus, ces bandes de déformation, où la recristallisation est active, sont orientées à environ ±45° et ont une dimension supérieure à la taille moyenne des grains, ce qui montre une organisation des hétérogénéités de déformation et de contrainte à grande distance.Un modèle théorique pouvant contraindre l’orientation des germes crées par la germination spontanée est proposé. Ce modèle, basé sur la relaxation de l’énergie élastique, du fait de l’anisotropie élastique du mono-cristal de glace, permettrait de favoriser les cristaux dont l’axe c est aligné avec la direction de la contrainte principale locale. Cette étude a été complétée par des expériences numériques, basées sur un modèle à champ complet et une loi de plasticité cristalline élasto-viscoplastique qui permet de reproduire les hétérogénéités de déformation et de contrainte. Ces expériences numériques ont montré que ce mécanisme de germination orienté pourrait permettre d’expliquer le développement des textures de recristallisation.

Comets are remnants of the "solar nebula", i.e. the protoplanetary disk from which our solar system formed. They are composed of ice and dust containing minerals and organic materials and molecules. The comets' composition reflects at the first order that of interstellar ices. However, this relationship has not been proven. During the pre-accretional phase, the comet material has potentially undergone the action of many physical processes (heat, UV and particule radiation) which have undoubtedly altered its structure and composition.This thesis objective is to better understand, through laboratory experiments, the effect of heating and ion irradiation processes on cometary matter analogues (ice and carbonaceous materials). Some of these experiments focuses on the evolution of the organic molecules deuteration during ice heating. They were conducted at the IPAG (Institute of Planetology and Astrophysics of Grenoble) and the PIIM (Physics Laboratory of Ionic and Molecular Interaction) in Marseille. They demonstrate that isotopic equilibration takes place during crystallization, on a timescale of an hour at temperatures above 120 K, for the chemical groups capable of forming hydrogen bonds with water (OH and NH2 chemical groups). Thus, this equilibration erases the initial fractionation of certain molecules or certain chemical groups, during the post-sublimation phase. This result explains in particular the selective deuteration of isotopologues methanol in protostars hot cores.A second part of the thesis focused on the study of the formation of refractory organic matter found in asteroids and comets. Heating and irradiation experiments were conducted at the IPAG, at the GANIL (Grand National Accelerator heavy ion) in Caen, and the CSNSM (Nuclear Sciences Centre and the Material Sciences) in Orsay. We show that heating simple precursors above 400° C allows the formation of disordered polyaromatic carbons whose structure is close to that observed in the primitive objetcs of the solar system. Ion irradiation effects are more difficult to assess because they depend on the stopping power of precursors target and projectile ions. Nevertheless, constraints on maximum nuclear doses received by primitive matter are deducted (D>14 eV/atom). Ultimately, these simulations demonstrate that heating processes appear to be much more likely than radiolytic processes, but a combination of the two can not be ruled out., Les comètes sont les vestiges de la "nébuleuse solaire", c'est-à-dire du disque proto-planétaire qui a engendré notre système solaire. Elles sont composées de glaces et de poussières contenant des matériaux et molécules organiques ainsi que des minéraux. La composition des comètes reflète au premier ordre celle des glaces interstellaires. Toutefois, cette filiation n'est pas avérée. Au cours de la période pré-accrétionelle, le matériau cométaire a potentiellement subi l'action de nombreux processus physiques (chauffage, irradiation UV et particulaire) qui ont nécessairement altéré sa structure et sa composition.L'objectif ce cette thèse est de mieux comprendre, grâce à des expériences de laboratoire, l'effet des processus de chauffage et d'irradiation ionique sur des analogues de matière cométaire (glaces et matériaux carbonés). Une partie de ces expériences porte sur l’évolution de la deutération des molécules organiques lors du réchauffement des glaces. Elles ont été menées à l’IPAG (Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble) et au PIIM (Laboratoire de Physique des Interactions Ioniques et Moléculaires) à Marseille. Elles démontrent qu'un équilibrage isotopique a lieu au cours de la cristallisation, sur des échelles de temps de l'ordre de l'heure à des températures supérieures à 120 K, pour les groupements chimiques capables de former des liaisons hydrogènes avec l'eau (groupements -OH et -NH2). Cet équilibrage efface ainsi le fractionnement initial de certaines molécules, ou certains groupements chimiques, dans la phase post-sublimation. Ce résultat permet en particulier d'expliquer la deutération sélective des isotopologues du méthanol dans les cœurs chauds des proto-étoiles.Un second volet de la thèse a porté sur l'étude de la formation de la matière organique réfractaire présente dans les astéroïdes et les comètes. Des expériences de chauffage et d’irradiation ont été menées à l'IPAG, au GANIL (Grand accélérateur national d’ions lourds) à Caen, et au CSNSM (Centre de Sciences Nucléaires et de Sciences de la Matière) à Orsay. Nous montrons qu'un chauffage au-delà de 400° C de précurseurs simples permet la formation de carbones désordonnés polyaromatiques dont la structure est proche de celle observée dans les objets primitifs du système solaire. Les effets de l’irradiation ionique sont plus difficiles à évaluer car ils dépendent du pouvoir d'arrêt des précurseurs cibles et des ions projectiles. Des contraintes sur les doses nucléaires maximales reçues par la matière primitive sont néanmoins déduites (D

La littérature antique contient un certain nombre de passages utilisables pour une recherche sur le climat et la météorologie. Un panégyrique de l’écrivain et poète Sidoine Apollinaire (vers 430 - vers 487), glorifiant l’empereur Majorien (vers 420 - 461), évoque un épisode de consommation ostentatoire de morceaux de glace, effectuée par celui-ci durant sa jeunesse à partir de la Loire prise par le gel hivernal. Cet auteur fait également une rapide mention de l’aide que ce personnage a apportée au même moment, avec les soldats placés sous ses ordres, aux Turons, menacés par une attaque qu’il faut très probablement rattacher à une rébellion de grande ampleur, connue sous le nom de Bagaude, et qui a causé d’importantes dévastations dans la Gaule de l’Ouest. Cette présence et ces actions, vraisemblablement accomplies dans la proximité de la ville de Tours, semblent à dater des premiers mois de l’année 448 de notre ère., The antique literature contains a number of passages usable for a research on the climate and the meteorology. A panegyric from the writer and poete Sidonius (towards 430 - towards 487), glorifying the emperor Maiorianus (towards 420 - 461), evokes an episode of conspicuus consumption of ice’s pièces, made by this during his youth from the Loire taken by the wintry frost. This author makes a fast mention of the help which this character brought at the same moment, with the soldiers placed under its orders, to the Turon, threatened by an attach which it is must be connected very probabily with a large-scale rebellion, known under the name of Bagaudia, and who caused important devastations in the western Gaul. This presence and these actions, most probabily accomplished in the closeness of the city of Tours, seem as from the first months of 448 AD.

La littérature antique contient un certain nombre de passages utilisables pour une recherche sur le climat et la météorologie. Un panégyrique de l’écrivain et poète Sidoine Apollinaire (vers 430 - vers 487), glorifiant l’empereur Majorien (vers 420 - 461), évoque un épisode de consommation ostentatoire de morceaux de glace, effectuée par celui-ci durant sa jeunesse à partir de la Loire prise par le gel hivernal. Cet auteur fait également une rapide mention de l’aide que ce personnage a apportée au même moment, avec les soldats placés sous ses ordres, aux Turons, menacés par une attaque qu’il faut très probablement rattacher à une rébellion de grande ampleur, connue sous le nom de Bagaude, et qui a causé d’importantes dévastations dans la Gaule de l’Ouest. Cette présence et ces actions, vraisemblablement accomplies dans la proximité de la ville de Tours, semblent à dater des premiers mois de l’année 448 de notre ère., The antique literature contains a number of passages usable for a research on the climate and the meteorology. A panegyric from the writer and poete Sidonius (towards 430 - towards 487), glorifying the emperor Maiorianus (towards 420 - 461), evokes an episode of conspicuus consumption of ice’s pièces, made by this during his youth from the Loire taken by the wintry frost. This author makes a fast mention of the help which this character brought at the same moment, with the soldiers placed under its orders, to the Turon, threatened by an attach which it is must be connected very probabily with a large-scale rebellion, known under the name of Bagaudia, and who caused important devastations in the western Gaul. This presence and these actions, most probabily accomplished in the closeness of the city of Tours, seem as from the first months of 448 AD.

Water, which exists naturally in jet-engine fuel, may freeze within theaircraft fuel pipes under certain temperatures and flow rates. The ice particles released by these deposits are entrained by the flow, and clog the hydraulics downstream. The understanding of this phenomenon, highlighted by the crash of a Boeing 777 in 2008, is an important issue for the aviation industry. Therefore a device has been designed to reproduce this threat in a controlled and quantified way. Water is atomized in low temperature jet-engine fuel and the droplets crystallize. The resulting slurry clogs different kinds of perforated targets. Temperatures, flow rates and pressure drops are monitored, and the phenomenon is filmed by a high frequency camera. A model was constructed based on these observations and data from literature and feedbacks. For the fluid phase, the incompressible Navier-Stokes equations are solved within a finite volume framework. The pressure-velocity coupling is achieved using the SIMPLE algorithm and high order of accuracy thanks to the MLS method. The solid phase is simulated using discrete elements. The fluid-particle interaction is based on a porous medium approach. A CFD-DEM parallel code has been developed to run the model. The first simulations of flow through granular media are in good agreement with experimental results., Dans certaines conditions de température et de débit, l’eau naturellement présente dans le kérosène va givrer l’intérieur des conduites du système carburant avion. Ces dépôts peuvent libérer des particules de glace qui sont entrainées par l’écoulement, et provoquent le colmatage des équipements hydrauliques situés en aval. Ce phénomène fut mis en évidence suite à l’accident d’un Boeing 777 en 2008, aussi sa compréhension est un enjeu important pour les acteurs de l’industrie aéronautique. Un dispositif a été spécialement conçu pour reproduire cette menace de façon quantifiée. De l’eau est atomisée dans un écoulement à basse température, puis cristallise pour former une suspension qui vient colmater différentes cibles perforées. Les températures, débits et pertes de charge sont mesurées, et le phénomène est filmé par une caméra haute fréquence. Un modèle a été réalisé à partir de cesobservations, complétées par des données issues de la littérature et de retoursd’expérience. Pour la phase fluide, les équations de Navier-Stokes incompressibles sont résolues par une approche volumes finis. Le couplage pression-vitesse est obtenu par l’algorithme SIMPLE et l’ordre élevé au moyen de la méthode MLS. La phase solide est simulée par éléments discrets. L’interaction fluide-particules repose sur une approche de type milieu poreux. Un code CFD-DEM parallèle a été développé, et les premières simulations d’écoulement en milieu granulaire sont en bon agrément avec des résultats expérimentaux.

Polar ice has proved to be a very valuable way to access Earth’s volcanism history, and a large number of volcanic reconstructions are based on ice-core analysis. Reconstructions are fed into climate forcing models in order to estimate volcanic cooling effect, resulting from the interactions between volcanic sulfuric acid aerosols and incident solar radiations. In this type of reconstruction, determining the potential impact of an eruption is a key step. It usually relies on the identification of its signal in both polar caps (bipolar signal). This wide spatial distribution indeed reflects a significant residence time in the stratosphere, and thus a sizable impact on climate. However, ice cores offer an interesting alternative to this method: the analysis of volcanic sulfates reveals a mass independent fractionation of sulfur (S-MIF) in the aerosols formed in the stratosphere, allowing us to discriminate between low climatic impact (tropospheric) and high climatic impact eruptions (stratospheric). Studying the unusual isotopic signature of stratospheric aerosols simultaneously allows for constraining photochemical mechanisms responsible for this anomaly (Δ33S ≠ 0), which are currently only partially identified. In 2010-2011, 5 100m-cores were drilled at Dome C, Antarctica in order to reconstruct a history of stratospheric volcanic over the past 2500 years, by the isotopic method. Drilling 5 replicate cores, 1 m apart, allowed us to study various aspects of the reconstruction.Firstly, we were able to assess the sulfate deposition variability on a local scale, and therefore the statistical representativeness of a single core in a volcanic reconstruction. Sulfate concentration analysis of the 5 cores reveals that local scale variability, essentially attributed to snow drift and surface roughness at Dome C, can lead to a non-exhaustive record of volcanic events if a single core is used; on average 30% of the volcanic events are missing per core, and the uncertainty on the volcanic flux (up to 60%) is substantial.Secondly, our detailed analysis (temporal resolution of each eruption) has allowed us to more accurately describe the stratospheric S-MIF signature. Implications on current atmospheric chemistry are evaluated through the set of trends obtained in our samples. We used a simple model implemented with fractionation factors available in the literature to account for the isotopic pattern observed on volcanic sulfate deposition. Through this tool, we evaluated the respective proportions of the different mechanisms assumed to take part in the oxidation process (mass dependent vs. mass independent processes, self-shielding vs. spectral isotopic effect) needed to reproduce natural data, in the current state of experimental knowledge.Finally, the systematic analysis of the isotopic composition (Δ33S) in volcanic events has allowed us to establish a history of the stratospheric volcanism recorded in Dome C in the last 2600 years. Through the isotopic method, in most cases we confirmed the tropical origin of volcanic events as reported in the literature. Discrepancies hinted at high latitude stratospheric events, but the synchronization between North and South Pole records recently established is not questioned. The results also validate the use of the isotopic method to identify stratospheric eruptions in a glacial record., La glace polaire est sans nul doute la meilleure archive dont nous disposons en terme de paléo volcanisme. Les reconstructions du volcanisme passé se basant sur l’analyse des carottes de glace sont nombreuses. Elles alimentent notamment les modèles de forçage climatique, dans le but d’estimer l’effet refroidissant du volcanisme, dû aux interactions entre aérosols d’acide sulfuriques d’origine volcanique, et le rayonnement solaire incident. Dans ce type de reconstruction, l’un des paramètres-clés pour déterminer l’impact potentiel d’une éruption, est l’identification de son signal sur les deux calottes polaires (signal bipolaire). Cette large répartition spatiale traduit en effet un temps de résidence significatif dans la stratosphère, et donc, un impact climatique important. Les carottes de glace offrent pourtant une alternative intéressante à cette méthode : l’analyse du soufre des sulfates volcaniques révèle la présence d’anomalies isotopiques (Δ33S ≠ 0) dans les aérosols d’origine stratosphérique, permettant la discrimination entre éruptions de faible impact (troposphériques) et éruptions de fort impact (stratosphériques). L’étude de la signature isotopique atypique des aérosols stratosphériques permet en parallèle de contraindre les mécanismes photochimiques à l’origine de cette anomalie, qui ne sont que partiellement identifiés à ce jour. En 2010-2011, 5 carottes de névé de 100m de long ont été collectées à Dôme C, Antarctique, dans le but de reconstruire une histoire du volcanisme stratosphérique des 2500 dernières années, par la méthode isotopique. Le forage de 5 carottes identiques, à 1 m les unes des autres, nous a permis d’étudier différents aspects de la reconstruction.Premièrement, nous avons pu évaluer la variabilité du dépôt de sulfate à l’échelle locale, et donc, la représentativité statistique d’une seule carotte vis à vis d’une reconstruction volcanique. L’analyse des concentrations de sulfate révèle qu’une importante variabilité locale, associée principalement au déplacement de la neige par le vent, pouvait entraîner un enregistrement non exhaustif des évènements volcaniques (en moyenne 30% d’évènements manquants, par carotte) et une variabilité conséquente du flux archivé (jusqu’à 60%).En second lieu, le niveau de détail de nos analyses (résolution temporelle de chaque éruption) nous a permis de décrire plus précisément la signature des processus indépendants de la masse à l’œuvre dans la stratosphère. Les résultats obtenus ne permettent pas de clore le débat concernant le mécanisme photochimique à l’origine de l’anomalie, mais ils contraignent la signature stratosphérique de façon robuste, notamment en définissant les tendances isotopiques (Δ36S vs. Δ33S et Δ33S vs. δ34S). Les implications de ces contraintes sur la chimie atmosphérique actuelle sont discutées à travers l’utilisation d’un modèle simple ; nous évaluons les paramètres requis, en particulier les proportions des différentes voies d’oxydation stratosphériques (dépendantes et indépendantes de la masse), pour reproduire nos résultats.Enfin, l’analyse systématique de la composition isotopique (Δ33S) des évènements volcaniques nous a permis d’établir un historique du volcanisme stratosphérique enregistré à Dôme C au cours des 2600 dernières années. Nos résultats confirment majoritairement l’origine tropicale (stratosphérique) des évènements identifiés comme tels dans la littérature, et suggèrent le caractère stratosphérique (unipolaire) de quelques éruptions de haute latitude. Les résultats ne remettent pas en question la synchronisation des enregistrements bipolaires récemment établis, et valident l’utilisation de la méthode isotopique pour l’identification des éruptions stratosphériques dans un enregistrement glaciaire.

International audience; L’Elfstedentocht, c’est la course des courses pour les Néerlandais, même si elle n’a eu lieu que quinze fois depuis 1909. En effet, elle suppose un froid intense et des canaux gelés sur au moins 15 cm d’épaisseur afin de relier 11 villes frisonnes en patins à glace. Les vainqueurs sont de véritables héros nationaux. Né sans doute aux Pays Bas, le patinage à un rôle identitaire depuis qu’il a été magnifié par les peintres du Siècle d’Or. Comme la fête de la tulipe au Printemps, la course des onze villes fait partie du patrimoine national et attire de très nombreux touristes. Le froid devient alors un enjeu économique.

International audience

Using laser scanner data, an exhaustive rockfall database (for volume larger than 0.1 m3) has been established for a rockwall located near the town of Grenoble (France). The study site is a long double cliff, on the eastern border of the Chartreuse Massif. The two cliffs consist respectively of thinly bedded and massive limestone, which show different structures, morphologies and rockfall activities.The 3D point clouds obtained by laser scanner allow to detect and model the fallen compartments in 3D. Information about cliff surface, and localization, dimensions, failure mechanism for each compartment were obtained and analyzed in order to characterize the morphological evolutions of the two cliffs. It appears that the morphology and the slope of the lower cliff is related to fracturing and torrential erosion which occurs in the marls below the cliff. The rockfall frequency for this lower cliff is 22 times higher than for the upper cliff. Moreover, in the lower cliff the erosion rate is at least 4 times higher for an elevation between 900 and 1000 m than between 1000 and 1100 m. These results show that the erosion process in the lower cliff is in a transient state, whereas it could be in a steady state in the upper cliff. The morphology and the slope of the upper cliff is more regular than for the lower cliff.Rockfalls have been dated by photographic surveys during 2.5 years. A near-continuous survey (1 photo each 10 mn) with a wide-angle lens have allowed dating 214 rockfalls larger than 0.1 m3, and a monthly survey with a telephoto lens, dating 854 rockfalls larger than 0.01 m3. The analysis of the two data bases shows that the rockfall frequency is 7 times higher during freeze-thaw episodes than without meteorological event, and 4.5 times higher during rainfall episodes. Moreover, it becomes 26 times higher when the mean rainfall intensity (since the beginning of the rainfall episode) is higher than 5 mm/h. Based on these results, a 4-level hazard scale has been proposed for hazard prediction. The more precise data base and freeze-thaw episode definition make it possible to distinguish different phases in freeze-thaw episodes: negative temperature cooling periods, negative temperature warming periods and thawing periods. It appears that rockfalls occur more frequently during warming and thawing periods than during cooling periods. It can be inferred that rockfalls are caused by thermal ice dilatation rather than by dilatation due to the phase transition. But they may occur only when the ice melt, because the cohesion of the ice-rock interface can be sufficient to hold the failed rock compartment until the ice melt. The formation of ice in rock cracks has been studied in the field and in laboratory to highlight its influence on rockfall triggering. It has been shown that ice forming by an accretion process (freezing of water drops) doesn't exert a pressure on the crack walls., Ce travail de thèse a consisté à établir une base de données d'éboulements rocheux la plus exhaustive possible (pour des volumes supérieurs à 0,1 m3) pour une paroi rocheuse active dominant l'agglomération grenobloise, en utilisant des données de scanner laser et de photographie. Le site d'étude est une falaise calcaire de plusieurs kilomètres en bordure du massif de la Chartreuse, constituée de deux barres de morphologies différentes, l'une en calcaire lité, l'autre en calcaire massif.Les nuages de points issus du scanner laser permettent de reconstituer la falaise et les compartiments éboulés en 3D. Les données de surface des falaises, ainsi que des informations sur la localisation, les dimensions, le mécanisme de rupture propre à chaque compartiment ont été analysées pour caractériser l'évolution morphologique des deux falaises. Il apparait que la falaise inférieure, dont la morphologie dépend fortement de la fracturation et de l'érosion torrentielle des marnes sous-jacentes, présente une fréquence d'éboulement 22 fois plus importante que la falaise supérieure, de morphologie et pente régulière. De plus, dans la falaise inférieure, le taux d'érosion est 4 fois plus élevé entre 900 et 1000 m d'altitude, qu'entre 1000 et 1100 m. Cela montre que le régime d'érosion de cette falaise est transitoire, alors que celui de la falaise supérieure pourrait être permanent.Les éboulements rocheux détectés ont également été datés par un suivi photographique pendant 2,5 ans. Un suivi quasi-continu (1 photo toutes les 10 min), avec un objectif grand angle a permis de dater 214 éboulements de plus de 0,1 m3. Un suivi mensuel, avec un téléobjectif, a permis de dater 854 éboulements de plus de 0,01 m3. L'analyse de ces deux bases de données montre que la fréquence d'éboulements rocheux peut être 7 fois plus grande lors d'un épisode de gel-dégel que sans évènement météorologique particulier, et 4,5 fois plus grande lors d'un épisode de pluie. De plus, elle devient 26 fois plus grande si l'intensité depuis le début de l'épisode est supérieure à 5 mm/h. A partir de ces résultats, une échelle de 4 niveaux d'aléa a pu être proposée pour la prévision de l'aléa. La base de données plus précise et la définition des épisodes de gel-dégel ont permis de distinguer différentes phases dans un épisode de gel-dégel : refroidissement à température négative, réchauffement à température négative, et dégel (à température positive). Il apparait que les éboulements rocheux se produisent plus fréquemment lors des périodes de réchauffement (à température négative) et de dégel que lors des périodes de refroidissement. Cela suggère que les éboulements sont causés par la dilatation thermique de la glace plutôt que par la dilatation due au changement de phase. Ils peuvent cependant ne se produire que lors du dégel, car la cohésion de l'interface roche-glace peut être suffisante pour tenir le bloc jusqu'à la fonte de la glace. Des expériences in situ et en laboratoire ont permis de mesurer la pression de glace dans une fissure avec écoulement d'eau. Elles montrent que la glace formée par accrétion (gel de gouttes ou films d'eau) n'exerce pas de pression sur les parois rocheuses.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Nous présentons dans ce travail le protocole et les résultats d'essais qui permettent d'obtenir la limite à rupture en traction de différents types de glace. Pour la gamme de vitesse de déformation considérée, la glace présente un comportement fragile. De plus le rapport entre la contrainte limite à rupture en compression et en traction est d'environ 10. Ceci permet de réaliser des essais sur différents types de glace (columnaire axial, columnaire transverse, équiaxe, monocristalline), à une température et à une vitesse de déformation données. L'objectif principal est d'analyser l'influence de la microstructure sur les propriétés mécaniques de la glace.

The solar system and the interstellar medium are permanently exposed to radiations such as solar wind and cosmic rays. The interaction between energetic particles and astrophysical materials (ices, silicates and carbon-based materials) plays an important role in several astrophysical phenomena. Laboratory experiments correlated to observational data may allow a better understanding of these phenomena. The aim of this thesis was to study the effect of slow and fast heavy ions on lithium fluoride and on astrophysical materials such as ices and silicates. We focused on the sputtering phenomenon. The present study was performed with a time of flight imaging technique (XY-TOF-SIMS) at the CIMAP-GANIL laboratory. The major fraction of secondary ions is found to be emitted in the form of clusters. Several parameters affect sputtering: the stopping power regime, the thickness of the target, the incident angle and, for low highly charged ions, the projectile charge. Our laboratory simulations exhibit the possibility that sputtered particles contribute to the formation of Mercury’s and Jupiter’s moons exospheres., Le système solaire et le milieu interstellaire sont soumis en permanence à différents rayonnements tels que le vent solaire et les rayons cosmiques. L’interaction entre les particules énergétiques et les matériaux présents dans ces différents milieux (glaces, silicates et matériaux carbonés), joue un rôle fondamental dans certains phénomènes astrophysiques. Les expériences en laboratoire, corrélées aux données observationnelles, permettent une meilleure compréhension de ces phénomènes. Les objectifs de cette thèse sont d’étudier l’effet des ions lourds lents ou rapides sur des cristaux, comme le fluorure de lithium, et sur des matériaux d’intérêt astrophysique tels que les glaces et les silicates. Nous nous sommes intéressés, tout particulièrement, au phénomène de pulvérisation. L’étude de ce phénomène a été réalisée, en grande majorité, à l’aide du dispositif de temps de vol et de localisation (XY-TOF-SIMS) développé au CIMAP. Nous avons montré que l’émission des ions se fait en grande partie sous forme d’agrégats. Différents paramètres influence la pulvérisation : le régime de pouvoir d’arrêt, l’épaisseur de la cible, l’angle d’incidence et en ce qui concerne les ions lents multichargés de basse énergie, la charge du projectile. Les différentes simulations en laboratoire illustrent la possibilité de création de l’exosphère de Mercure et des lunes de Jupiter.

We are interested in the turbulent transport of particles whose size is bigger than the Kolmogorov length scale. This issue takes place as much in natural flows (such as sediment transport) as in industrial flows (solid solute in mixer for instance). To tackle this problem, we study the dynamics of particle with size close to the integral length scale, whose density can be neutral or slightly different from the one of the fluid, in a turbulent counter-rotating von Kármán flow, through a fast Lagrangian tracking setup. Studying the fast scale motions, we find out that the fluctuations decrease strongly with particle diameter, but we also discover a new phenomena: particles bigger than a certain size do not sample the flow homogeneously. This preferential sampling is link to the von Kármán mean structure, which applies a trapping force on the particles, overcoming their fluctuations as their size becomes bigger than a critical size. A study in the laminar flow regime, where the mean flow is much greater than the fluctuations, showed an strongly increased trapping effect. The particles indeed orbit for very long times around stable attractors of the fluid particles of the laminar flow. Even in turbulent regime, the motion of the particle between these areas occurs at long times intervals, in a decorrelated way of the turbulent motion. We adapted our analysis tools to characterize this dynamics, comparing it to the one of large neutrally-buoyant particles in a von Kármán flow which presents two asymmetric states. We also designed a model that can reproduce these characteristics in both symmetrical and asymmetrical cases. These issues are tightly linked to mass or heat transfer between a particle and the carrier flow. Therefore, we also studied the melting dynamics of large ice balls in fully developed turbulence, analyzing the impact of particles size and sliding velocity on the turbulent heat transfer, through an afocal shadowgraphy setup. We showed in particular that large freely advected ice balls melt in the ultimate regime of heat transfer.; Nous nous intéressons au transport turbulent de particules de taille grande devant l’échelle de Kolmogorov. Cette situation se retrouve à la fois dans les écoulements naturels (comme le transport de sédiments) et dans les écoulements industriels (solutés solides dans un mélangeur par exemple). Pour aborder ce problème, nous étudions la dynamique de particules de taille proche de l’échelle intégrale, de densité égale ou légèrement différente de celle du fluide, dans un écoulement turbulent de von Kármán contra-rotatif, à l’aide d’un montage de suivi lagrangien rapide. L’étude de la dynamique rapide des particules montre une diminution forte des fluctuations selon la taille, mais aussi l’apparition d’un phénomène nouveau : à partir d’une certaine taille, les particules n’explorent plus l’écoulement de façon homogène. Cette exploration préférentielle est liée à la structure moyenne de l’écoulement de von Kármán, qui crée une force de piégeage. Cette force devient alors supérieure aux fluctuations des particules quand leur taille dépasse une taille critique. Une étude dans le régime laminaire, où l’écoulement moyen domine largement les fluctuations, a en effet mis en évidence un piégeage fortement accru. Les particules orbitent alors pendant des temps très longs autour des attracteurs stables des particules fluides de l’écoulement laminaire. Même en régime pleinement turbulent, le déplacement des particules entre ces zones s’effectue sur des durées longues, décorrélées des temps de la dynamique turbulente. Nous avons adapté les outils d’analyse pour caractériser cette dynamique et l’avons comparée à celle de particules isodenses dans un écoulement de von Kármán qui possède deux états asymétriques. Nous avons également élaboré un modèle qui reproduit ces caractéristiques dans les cas symétrique et asymétrique. Ces questions sont intimement liées au transfert de masse ou de chaleur entre une particule et l’écoulement. Nous avons donc aussi étudié la fusion de grosses billes de glace en turbulence développée, analysant l’influence de la taille des billes et de la vitesse de glissement sur le transfert thermique, à l’aide d’un montage d’ombroscopie afocale. Nous avons notamment montré que les grosses billes de glace fondent dans un régime ultime de convection forcée lorsqu’elles sont librement advectées par l’écoulement.

We are interested in the turbulent transport of particles whose size is bigger than the Kolmogorov length scale. This issue takes place as much in natural flows (such as sediment transport) as in industrial flows (solid solute in mixer for instance). To tackle this problem, we study the dynamics of particle with size close to the integral length scale, whose density can be neutral or slightly different from the one of the fluid, in a turbulent counter-rotating von Kármán flow, through a fast Lagrangian tracking setup. Studying the fast scale motions, we find out that the fluctuations decrease strongly with particle diameter, but we also discover a new phenomena: particles bigger than a certain size do not sample the flow homogeneously. This preferential sampling is link to the von Kármán mean structure, which applies a trapping force on the particles, overcoming their fluctuations as their size becomes bigger than a critical size. A study in the laminar flow regime, where the mean flow is much greater than the fluctuations, showed an strongly increased trapping effect. The particles indeed orbit for very long times around stable attractors of the fluid particles of the laminar flow. Even in turbulent regime, the motion of the particle between these areas occurs at long times intervals, in a decorrelated way of the turbulent motion. We adapted our analysis tools to characterize this dynamics, comparing it to the one of large neutrally-buoyant particles in a von Kármán flow which presents two asymmetric states. We also designed a model that can reproduce these characteristics in both symmetrical and asymmetrical cases. These issues are tightly linked to mass or heat transfer between a particle and the carrier flow. Therefore, we also studied the melting dynamics of large ice balls in fully developed turbulence, analyzing the impact of particles size and sliding velocity on the turbulent heat transfer, through an afocal shadowgraphy setup. We showed in particular that large freely advected ice balls melt in the ultimate regime of heat transfer., Nous nous intéressons au transport turbulent de particules de taille grande devant l’échelle de Kolmogorov. Cette situation se retrouve à la fois dans les écoulements naturels (comme le transport de sédiments) et dans les écoulements industriels (solutés solides dans un mélangeur par exemple). Pour aborder ce problème, nous étudions la dynamique de particules de taille proche de l’échelle intégrale, de densité égale ou légèrement différente de celle du fluide, dans un écoulement turbulent de von Kármán contra-rotatif, à l’aide d’un montage de suivi lagrangien rapide. L’étude de la dynamique rapide des particules montre une diminution forte des fluctuations selon la taille, mais aussi l’apparition d’un phénomène nouveau : à partir d’une certaine taille, les particules n’explorent plus l’écoulement de façon homogène. Cette exploration préférentielle est liée à la structure moyenne de l’écoulement de von Kármán, qui crée une force de piégeage. Cette force devient alors supérieure aux fluctuations des particules quand leur taille dépasse une taille critique. Une étude dans le régime laminaire, où l’écoulement moyen domine largement les fluctuations, a en effet mis en évidence un piégeage fortement accru. Les particules orbitent alors pendant des temps très longs autour des attracteurs stables des particules fluides de l’écoulement laminaire. Même en régime pleinement turbulent, le déplacement des particules entre ces zones s’effectue sur des durées longues, décorrélées des temps de la dynamique turbulente. Nous avons adapté les outils d’analyse pour caractériser cette dynamique et l’avons comparée à celle de particules isodenses dans un écoulement de von Kármán qui possède deux états asymétriques. Nous avons également élaboré un modèle qui reproduit ces caractéristiques dans les cas symétrique et asymétrique. Ces questions sont intimement liées au transfert de masse ou de chaleur entre une particule et l’écoulement. Nous avons donc aussi étudié la fusion de grosses billes de glace en turbulence développée, analysant l’influence de la taille des billes et de la vitesse de glissement sur le transfert thermique, à l’aide d’un montage d’ombroscopie afocale. Nous avons notamment montré que les grosses billes de glace fondent dans un régime ultime de convection forcée lorsqu’elles sont librement advectées par l’écoulement.

National audience

This study of the stability of an acoustic cavitation bubble is part of an ANR project started in September 2009 (SONONUCLICE ANR-09-BLAN-0040-02). It takes place in the continuity of the works on the optimization process of lyophilisation of pharmaceutical products conducted by the “Transferts couplés de matière et de chaleur” team of LAGEP (ESCPE/UCB, Lyon) laboratory, which is the project’s team leader, and the studies of ultrasound-assisted crystallization in the RAPSODEE Centre. The application of power ultrasound into liquids produces thousands of bubbles. This phenomenon is called acoustic cavitation. The bubbles formed don’t have the same size, their oscillations are not in phase, and their spatial density in the fluid is not homogeneous: this phenomenon is very complex and involves multiple variables very difficult to isolate. Even if this phenomenon is chaotic, it allows to observe macroscopic effects on the nucleation and crystal growth of ice in undercooled solutions. These effects have a capital importance for industrial applications such as freezing and lyophilisation (also called freeze drying). Although ultrasound has a noticeable influence on crystallization, the origin of these effects remains unclear. The multi-bubble approach doesn’t give any hint on the microscopic mechanisms involved. In order to isolate the main actor of these effects, this study aims at isolating a single cavitation bubble. To do that, a cubic levitation cell made of optical glass was build. In this cell, an acoustic pressure is applied by a piezoelectric glued to the bottom’s external face of the cell. With this cell is possible to rebuild all the oscillations states of the bubble, and in combination with our optical system we can see the bubble’s dynamics and its stages like: expansion, collapse and rebounds. For the crystallization part of this study, a crystal’s detection system was developed. It is based on the variations of the bubble’s periodicity (measured by a microphone pill) introduced by the sudden appearance of a foreign body in its vicinity. This method requires the correlation of the signals from a filtered microphone and the harmonics signals from a microphone, in order to known the oscillation state of the bubble and detect variations on the bubble’s dynamics. Experiments of bubble perturbations by a thin wire were made. The detection system was used to trigger the image recording of a fast camera, in order to capture the final moments of the bubble. This method should be allowing the early detection of new crystals in the proximity of the bubble. Around the levitation cell, various systems have been developed. A degassing and filling system for the cavitation cell allow us to work with degased water around the 20 % of its saturated concentration of air. An illumination system based in a power LED and a set of optical lenses was used to view the bubble correctly.; Cette étude sur la stabilité d’une bulle unique de cavitation acoustique s’inscrit dans le cadre d’un projet ANR démarré en septembre 2009 (SONONUCLICE ANR-09-BLAN-0040-02). Elle se situe dans la continuité des travaux sur l’optimisation du procédé de lyophilisation de produits pharmaceutiques menés par l’équipe « Transferts couplés de matière et de chaleur » du laboratoire LAGEP (ESCPE/UCB, Lyon), équipe porteuse du projet, et des travaux sur la cristallisation assistée par ultrasons du laboratoire RAPSODEE. L’application des ultrasons de puissance dans un liquide produit des milliards de bulles. Ce phénomène est appelé cavitation acoustique. Les bulles formées ne font pas toutes la même taille, leurs oscillations ne sont pas en phase, et leur densité dans le fluide est très inhomogène : ce phénomène très complexe implique donc de nombreuses variables difficiles à isoler. Même si le phénomène est chaotique, la cavitation permet d’observer des effets macroscopiques notables sur la nucléation et la croissance des cristaux de glace dans une solution sous-refroidie. Ces effets sont d’une importance capitale pour des applications de congélation ou de lyophilisation. Bien que les effets des ultrasons présentent des intérêts certains sur la cristallisation, leur origine reste mal connue. L’observation directe des milliards de bulles ne fournit aucune piste sur les mécanismes microscopiques mis en jeu. Afin d’isoler l’acteur essentiel de ces effets, l’étude menée vise à isoler une bulle de cavitation acoustique. Pour cela, une cellule de lévitation carrée en verre a été conçue. Le verre a été retenu comme matériau pour sa rigidité et sa transparence. Dans cette cellule, une onde de pression acoustique est imposée par un piézoélectrique collé à la base de la cellule. Il a été possible de reconstruire la dynamique de la bulle. Les étapes d’expansion, d’implosion et de rebonds sont clairement visibles. En vue de l’étude de la cristallisation, un principe de détection des cristaux a été spécifiquement élaboré. Il repose sur le suivi de la modification de la périodicité de la bulle (mesurée par un microphone) provoquée par l’apparition d’un corps étranger à son voisinage. Une méthode utilisant la corrélation de signaux acoustiques du microphone filtré à la fréquence d’excitation du PZT et les harmoniques du signal du microphone directe a été développée. Elle permet de connaître le régime d’oscillation de la bulle et de détecter toutes les modifications de sa dynamique. Des expériences de perturbation de la bulle ont été menées à l’aide d’une micro fibre de 7 μm. Le principe de détection est alors mis en oeuvre pour déclencher l’enregistrement d’images par une caméra rapide lors des derniers instants d’existence de la bulle. Cette méthode devrait permettre de détecter l’apparition des premiers cristaux au voisinage de la bulle. Autour de la cellule de lévitation, différents systèmes ont été développés. Un système de dégazage et de remplissage de la cellule de cavitation ont permis de travailler avec de l’eau ayant des teneurs en gaz dissous de l’ordre de 20 % de la saturation. Un système d’éclairage avec une LED de puissance et un jeu de lentilles optiques a été conçu pour visualiser correctement la bulle.

International audience; Nous étudions la fonte de grosses billes de glace dans un écoulement turbulent de von Kármán à très hauts nombres de Reynolds à l'aide d'un montage optique couplant suivi de particules et ombroscopie. La mesure de la variation de taille d'une particule au cours du temps permet de mesurer le ux ther-mique à sa surface en fonction du nombre de Reynolds à l'échelle de la particule Re D. Trois situations d'écoulement sont considérées : billes librement advectées dans tout l'écoulement, billes maintenues xes dans une zone d'écoulement moyen nul, et billes maintenues xes en présence d'un écoulement moyen fort. Dans les deux cas où les billes sont xes, nous observons que le transfert thermique dans ce régime turbulent est toujours beaucoup plus fort que pour un régime laminaire, le nombre de Nusselt s'exprimant comme une loi de puissance en fonction du nombre de Reynolds : N u ∝ Re 0,8 D. Dans le cas des particules librement advectées, le transfert turbulent est encore augmenté et le nombre de Nusselt devient proportionnel au nombre de Reynolds. Le ux thermique par unité de surface est alors indé-pendant de la taille de la particule, ce qui correspond à un régime ultime de transfert de chaleur atteint lorsque la couche limite thermique est pleinement turbulente. Abstract : We study the melting dynamics of large ice balls in a turbulent von Kármán ow at very high Reynolds numbers with an optical setup based on both particles tracking and shadowgraphy. By recording the particle size variation along time, we obtain the heat ux at the ice ball surface as a function of the particle scale Reynolds number Re D. Three cases of ow are studied : ice balls freely advected in the whole ow, ice balls xed in a zero mean ow region and ice balls xed in a strong mean ow. For the two xed cases, we observe heat transfers much stronger than in laminar ows, the Nusselt number behaving as a power law as a function of the Reynolds number: N u ∝ Re 0.8 D. For freely advected ice balls, the turbulent transfert is further enhanced and the Nusselt number is proportionnal to the Reynolds number. The surface heat ux is then independant of the particles size, leading to an ultimate regime of heat transfert reached when the thermal boundary layer is fully turbulent.

The determination of the physical properties of pure water, especially the vapor-pressure curve, is one of the major issues identified by the Consultative Committee for Thermometry (CCT) of the technical committee in thermometry sub-field hygrometry to improve the accuracy of the national references in humidity.In order to achieve this objective, the LNE-CETIAT and the LNE-Cnam have jointly built a facility dedicated to the measurement of the saturation vapor pressure and temperature of pure water. The principle is based on a static measurement of the pressure and the temperature of pure water in a closed, temperature-controlled thermostat, conceived like a quasi-adiabatic calorimeter. The explored temperature range lies between 193,15 K and 373,15 K, and the pressure range between 0,06 Pa and 105 Pa.This work presents a full description of this facility and the preliminary results obtained for its characterization. The obtained results have been compared with available literature data. The final uncertainty budget took into account several components: pressure measurements, temperature measurements and environmental error sources such as thermal transpiration and hydrostatic pressure correction. Thanks to the employment of several technical solutions, the thermal contribution to the overall uncertainty budget is reduced, and the remaining major part is mainly due to pressure measurements.; La détermination des propriétés physiques de l’eau pure, notamment la pression de vapeur saturante en fonction de la température, est un enjeu majeur en humidité et identifié comme tel par le Comité Consultatif de Thermométrie (CCT-WG6) sous-groupe Humidité du Comité Technique de Température (TC-T) afin d’améliorer les incertitudes des références nationales en humidité. A cette fin, le LNE-CETIAT et le LNE-Cnam ont développé conjointement un dispositif expérimental permettant d’accéder au couple température / pression de vapeur saturante de l’eau pure. Le principe est basé sur une mesure statique de la pression et de la température dans une cellule d’équilibre associée à un calorimètre quasi-adiabatique. La gamme de température d’équilibre couverte s’étend de 193,15 K à 373,15 K, correspondant à une pression de vapeur saturante allant de 0,06 Pa à 105 Pa.Ce travail présente la description, la réalisation et la caractérisation métrologique de ce nouveau dispositif expérimentale. Les résultats des mesures expérimentales sont comparés avec les travaux théoriques et expérimentaux les plus récents. Le budget d'incertitude finale prend en compte la contribution de la mesure de pression, de la mesure de température et des effets parasites telles que la transpiration thermique et la pression aérostatique. Grace aux différentes solutions mises en œuvre, la contribution des mesures de température dans le bilan d’incertitude globale est réduite. La part prépondérante reste essentiellement associée à la mesure de pression.

Regularly in autumn, high precipitating events occur in southeastern France, leading sometimes to floods or flash-floods having a high societal impact. One of the research topics of the Hydrological cycle in the Mediterranean Experiment (HyMeX) project is the improvement of the understanding and of the forecast of these events. The particularity of thunderclouds is the production of lightning flashes, preceded by the electrification of the cloud. Past studies have shown that the simultaneous presence of graupels, ice crystals and supercooled water in the convective areas was necessary to the establishment of the electrification. So a link exists between these parameters and the occurrence of lightning flashes. The goal of this thesis is to identify and quantify the relationships between cloud-to-ground flashes and thunderclouds parameters for storms in France, and especially in the southeast. In this aim, a multi-parameter analysis is performed based on several data sets: cloud-to-ground lightning impacts (from Météorage), 3D radar reflectivity and wind fields deduced from the multiple-Doppler analysis of operational ARAMIS Doppler data (Météo-France) and microphysics information inferred from observations of the dual polarization radars (Météo-France). The study is lead on two regions: Paris region and the southeast of France. Results show a quantifiable linear relationship between volume of radar reflectivity higher than 40 dBZ and cloud-to-ground flash rates, as well as between precipitating ice mass (mainly composed by graupel) and cloud-to-ground flash rates. An application of the "ice fluxes hypothesis", based on the non-inductive mechanism of electrification of the storm, is also tested. It shows encouraging results between the flash rate and the product of precipitating and non-precipitating ice mass fluxes. The comparison of regional results shows a behavior that seems to be more easily generalized for the relationships between high radar reflectivity and the cloud-to-ground flash rate. On the contrary, the relationships based on the ice masses seem to exhibit a regional behavior. The study of the first event considered as representative of the HyMeX campaign allowed to compare the restitution of ice masses based on data sets from two radars of the operational network of Météo-France: one is a C-band radar and the other an S-band radar. This study shows that the precipitating ice mass seems sensitive to the instrument selected to restitute it while the non-precipitating ice mass (ice crystals and dry snow) does not seem so.; Le Sud-Est de la France est régulièrement soumis à des épisodes de pluies intenses en automne, entraînant parfois des inondations ayant un fort impact sociétal. L'un des sujets de recherche du projet HyMeX (Hydrological cycle in the Mediterranean Experiment) porte d'ailleurs sur l'amélioration de la compréhension et de la prévision de tels phénomènes. La particularité du nuage orageux est la production d'éclairs, précédée par l'électrisation du nuage. Des études ont montré que la présence simultanée de graupels, de cristaux de glace et d'eau surfondue dans les zones convectives était nécessaire à l'établissement de l'électrisation. Il existe donc un lien entre ces paramètres et l'occurrence d'éclairs. Le but de cette thèse est d'identifier et de quantifier des relations entre éclairs nuage-sol et paramètres nuageux en France métropolitaine et particulièrement dans le Sud-Est. Pour ce faire une analyse multi-variables a été réalisée à partir de plusieurs jeux de données : électrique (observation d'éclairs nuage-sol, Météorage) et radar (Dopplers : restitution des champs 3D de réflectivité et de vent, et polarimétriques : restitution de la microphysique, Météo-France). L'étude a été menée sur deux régions : la région parisienne et la région Sud-Est. Les résultats obtenus permettent notamment d'établir des relations linéaires quantifiables entre volume de réflectivité supérieure à 40 dBZ et taux d'éclair nuage-sol ainsi qu'entre masse de glace précipitante (principalement composée de graupel) et taux d'éclair. Une application de " l'hypothèse des flux de glace " basée sur le mécanisme d'électrisation non-inductif des orages a également été testée et montre des résultats encourageants entre produits des flux de masse de glace précipitante et non précipitante et taux d'éclair. La comparaison des résultats régionaux a montré un caractère plus facilement généralisable de la relation entre forte réflectivité et taux de CG. Au contraire, les relations basées sur les masses de glace semblent plutôt avoir un caractère régional. L'étude du premier cas considéré comme représentatif de la campagne HyMeX a permis la comparaison de la restitution des masses de glace à partir des données provenant de deux radars du réseau opérationnel de Météo-France (l'un en bande C, l'autre en bande S). Cette étude fait apparaître que la masse de glace précipitante semble sensible à l'instrument utilisé pour la restituer contrairement à la glace non précipitante (cristaux de glace et neige sèche).

Regularly in autumn, high precipitating events occur in southeastern France, leading sometimes to floods or flash-floods having a high societal impact. One of the research topics of the Hydrological cycle in the Mediterranean Experiment (HyMeX) project is the improvement of the understanding and of the forecast of these events. The particularity of thunderclouds is the production of lightning flashes, preceded by the electrification of the cloud. Past studies have shown that the simultaneous presence of graupels, ice crystals and supercooled water in the convective areas was necessary to the establishment of the electrification. So a link exists between these parameters and the occurrence of lightning flashes. The goal of this thesis is to identify and quantify the relationships between cloud-to-ground flashes and thunderclouds parameters for storms in France, and especially in the southeast. In this aim, a multi-parameter analysis is performed based on several data sets: cloud-to-ground lightning impacts (from Météorage), 3D radar reflectivity and wind fields deduced from the multiple-Doppler analysis of operational ARAMIS Doppler data (Météo-France) and microphysics information inferred from observations of the dual polarization radars (Météo-France). The study is lead on two regions: Paris region and the southeast of France. Results show a quantifiable linear relationship between volume of radar reflectivity higher than 40 dBZ and cloud-to-ground flash rates, as well as between precipitating ice mass (mainly composed by graupel) and cloud-to-ground flash rates. An application of the "ice fluxes hypothesis", based on the non-inductive mechanism of electrification of the storm, is also tested. It shows encouraging results between the flash rate and the product of precipitating and non-precipitating ice mass fluxes. The comparison of regional results shows a behavior that seems to be more easily generalized for the relationships between high radar reflectivity and the cloud-to-ground flash rate. On the contrary, the relationships based on the ice masses seem to exhibit a regional behavior. The study of the first event considered as representative of the HyMeX campaign allowed to compare the restitution of ice masses based on data sets from two radars of the operational network of Météo-France: one is a C-band radar and the other an S-band radar. This study shows that the precipitating ice mass seems sensitive to the instrument selected to restitute it while the non-precipitating ice mass (ice crystals and dry snow) does not seem so.; Le Sud-Est de la France est régulièrement soumis à des épisodes de pluies intenses en automne, entraînant parfois des inondations ayant un fort impact sociétal. L'un des sujets de recherche du projet HyMeX (Hydrological cycle in the Mediterranean Experiment) porte d'ailleurs sur l'amélioration de la compréhension et de la prévision de tels phénomènes. La particularité du nuage orageux est la production d'éclairs, précédée par l'électrisation du nuage. Des études ont montré que la présence simultanée de graupels, de cristaux de glace et d'eau surfondue dans les zones convectives était nécessaire à l'établissement de l'électrisation. Il existe donc un lien entre ces paramètres et l'occurrence d'éclairs. Le but de cette thèse est d'identifier et de quantifier des relations entre éclairs nuage-sol et paramètres nuageux en France métropolitaine et particulièrement dans le Sud-Est. Pour ce faire une analyse multi-variables a été réalisée à partir de plusieurs jeux de données : électrique (observation d'éclairs nuage-sol, Météorage) et radar (Dopplers : restitution des champs 3D de réflectivité et de vent, et polarimétriques : restitution de la microphysique, Météo-France). L'étude a été menée sur deux régions : la région parisienne et la région Sud-Est. Les résultats obtenus permettent notamment d'établir des relations linéaires quantifiables entre volume de réflectivité supérieure à 40 dBZ et taux d'éclair nuage-sol ainsi qu'entre masse de glace précipitante (principalement composée de graupel) et taux d'éclair. Une application de " l'hypothèse des flux de glace " basée sur le mécanisme d'électrisation non-inductif des orages a également été testée et montre des résultats encourageants entre produits des flux de masse de glace précipitante et non précipitante et taux d'éclair. La comparaison des résultats régionaux a montré un caractère plus facilement généralisable de la relation entre forte réflectivité et taux de CG. Au contraire, les relations basées sur les masses de glace semblent plutôt avoir un caractère régional. L'étude du premier cas considéré comme représentatif de la campagne HyMeX a permis la comparaison de la restitution des masses de glace à partir des données provenant de deux radars du réseau opérationnel de Météo-France (l'un en bande C, l'autre en bande S). Cette étude fait apparaître que la masse de glace précipitante semble sensible à l'instrument utilisé pour la restituer contrairement à la glace non précipitante (cristaux de glace et neige sèche).

This thesis presents several geophysical studies using the Sharad radar sounder dataset(NASA/ASI). Sharad is exploring the surface and subsurface of Mars with a frequency of 20  5 MHzfrom a low polar orbit. The mission goals are to constrain the soil composition and to detect someburied structures in order to interpret the Martian geological context at a regional scale.First, the radar signal has been analyzed over the North polar deposits to retrieve the dielectricproperties of the bulk ice. We deduce a purity rate of the ice > 95%. This study required thereconstruction of the bedrock by interpolating the surrounding topography. From this, we provide amap of the deposits thickness that agreed with a volume of ice of 1.14  106 km3.In a second study, we compare the Sharad cross-sections to surface topography and opticalimages in order to develop a complete morphologic and stratigraphic description of polar scarps in theregion of Ultimi Lobe, Planum Boreum. This description is similar to listric faults associated with rolloveranticlines. It leads us to propose a new formation process hypothesis implying a macromechanicalfailure of the ice under stress and a subsequent basal sliding.Then we studied the surface radar reflectivity whose magnitude depends on the roughness andpermittivity of the soil. We develop a method to build up a global map of the reflectivity. To separatethe physical parameters contributing to the signal, we propose a simple statistical method associated tosurface backscattering models at normal incidence. We show that the vertical roughness can bederived without prior calibration for surfaces whose correlation length is > 500 m. In this case,permittivity can be estimate only if a reference area is known to calibrate the signal. Finally, we detecta seasonal variation of the reflectivity at poles that we attribute to the seasonal CO2 frost. Ourstatistical approach for the reflectivity, associated with a three layers backscattering model, allowsderiving the thickness variation of the frost. We report a late recession in the cryptic region.; Le radar sondeur Sharad (NASA/ASI) prospecte actuellement la surface et le sous-sol de Mars àune fréquence de 20 ±5 MHz depuis une orbite polaire basse (Mars Reconnaissance Orbiter).L'instrument a pour but de contraindre la composition du sol et de détecter, puis d'interpréter, desinterfaces enfouies afin de restituer le contexte géologique martien à l'échelle régionale. Ce travail dethèse se propose de contribuer à ces objectifs en se focalisant principalement sur l'étude de terrainsglaciaires et péri-glaciaires Martien.Dans un premier temps, par une méthode d'inversion impliquant la reconstruction d'un sousbassementrocheux par interpolation, nous obtenons les paramètres diélectriques représentatifs duvolume de glace d'eau constituant la calotte polaire Nord, Planum Boreum. Nous en déduisons un tauxde pureté du matériel glaciaire > 95 %. Nous fournissons une carte de l'épaisseur des dépôts qui vérifieun volume de glace de 1,14106 km3.Dans une deuxième étude, en confrontant les transects Sharad à des données topographiques etd'imagerie visible, nous élaborons un profil morphologique et stratigraphique complet d'escarpementsglaciaires présents dans la région d'Ultimi Lobe, Planum Australe. Nous appelons ces escarpements"Laps" (large and assymetric polar scarps). La similarité avec des failles listriques associées à desanticlinaux de roll-over nous amène à proposer l'hypothèse de macro-ruptures mécaniques d'une glacesous contrainte extensive et d'un mouvement subséquent par glissement basal.Puis, nous nous intéressons à la réflectivité radar de la surface dont l'amplitude dépend de larugosité et de la permittivité du sol. Nous élaborons une méthode nous permettant de construire unecarte globale de la réflectivité. Afin de séparer les paramètres physiques qui constituent ce signal, nousproposons des méthodes statistiques simples, inspirés du SAR (radar à synthèse d'ouverture) terrestre,complétées par l'élaboration de modèles de rétrodiffusion de surface à incidence normale. Nousmontrons des résultats de cette approche et leur adéquation avec les modèles théoriques. Enfin, nousmettons en évidence une variation temporelle de la réflectivité aux pôles que nous attribuons à laprésence des condensats saisonniers de CO2. Notre méthode d'analyse statistique de la réflectivité,associée à un modèle de rétrodiffusion à trois couches, nous permet d'évaluer la variation d'épaisseurdes condensats dans des régions à très hautes latitudes (80°-85°).

Mercury is known as a global pollutant emitted by both anthropogenic and natural sources. In the atmosphere, the predominant form of mercury is gaseous elemental mercury, Hg°, (GEM), and its residence time in the atmosphere is around 1 year allowing a long-range transport. The global cycle of mercury is not well known because of its complexity. The study of Hg° in the atmosphere can provide a lot of information about its global cycle. The atmospheric Hg° concentration has been continuously measured in the atmosphere since the 1990's only. Being able to reconstruct past levels of GEMmercury would be very helpful to have a better comprehension of the mercury cycle, the anthropogenic impact, the response of the atmosphere, the importance of the sources and the links with the climate. The goal of our study is then to reconstruct past atmospheric levels of GEM by firn measurements in the frame of NEEM, an International Ice-core Drilling program from North West Greenland (camp position 77° 25.898' N, 51° 06.448'). The firn air pumping experiment was conducted through July 2009 and successfully recovered air samples from 10 m down to 80 meters below the snow surface. For Hg° measurements, air was extracted by pumps at the surface from the small space beneath the bladder and analyzed in-situ using two Tekran 2537A. The Hg° profile is noticeably different to what has been observed in firn air at Summit (Greenland) in 2006. A firn diffusion model is being applied, using a Monte Carlo approach to optimize agreement between measured and modeled GEM concentrations at all depths in the firn. Finally, GEM concentration in the atmosphere as a function of time over the last 50 years will be obtained. In a second part, Gaseous Elemental Mercury (Hg0) was investigated in the troposphere and in the interstitial air extracted from the snow at depths ranging from the surface to 1.6 meters at Dome C Concordia Station,(central Antarctica,75_060S, 123_200E, 3220 m above sea level) located 1100 km away from the nearest coast of East Antarctica during January 2009. Measurements in the boundary layer combined with modeling of vertical turbulent mixing revealed evidence of fast Hg0 oxidation processes inside this layer during low irradiation periods. However, unexpected high Hg0 concentrations for remote places were measured under higher solar radiations. Hg0 variations were well anti-correlated with ozone levels resulting in strong diel variations of Hg0. Photoreduction at the air-snow interface and fast oxidation inside the snow pack were also observed. Chemical mechanisms involving bromine compounds can be a realistic explanation for these phenomena. Given the size of the Plateau, the impact of this specificc reactivity may have consequences at a larger scale on the global cycle of mercury, Le mercure est un métal toxique émis dans l'environnement par des sources naturelles et anthropiques. Le cycle naturel de ce polluant, a fortiori la réponse des écosystèmes à ces perturbations par l'Homme, est encore mal quantifié. L'air des névés polaires constitue une archive de la composition passée de l'atmosphère qui permet d'améliorer la connaissance du cycle du mercure. En juillet 2009, à NEEM, Groenland du Nord, nous avons mesuré les concentrations en mercure élémentaire gazeux dans l'air du névé entre 30 et 76 mètres de profondeur, et, grâce à des travaux de modélisation des processus de diffusion, reconstruit les concentrations atmosphériques en Hg° depuis les années 1950, à une échelle spatiale représentative de l'Arctique. Le signal reconstruit présente des concentrations maximales dans les années 1970, synchrones avec le maximum d'émissions anthropiques supposé, puis une décroissance très peu marquée, suggérant une persistance de cette contamination dans l'Arctique. Le plateau antarctique revêt également un intérêt paléoenvironnemental dans la perspective de caractériser l'impact des perturbations anthropiques aux hautes latitudes sud. Néanmoins, la réactivité du mercure dans cette région est méconnue, et sa caractérisation est nécessaire. Nous avons mené une campagne de mesure en janvier 2009 sur le site de Dôme C, Antarctique de l'Est et observé une réactivité marquée du mercure dans la basse troposphère et dans l'air interstitiel du manteau neigeux, mettant en évidence l'existence de processus d'oxydation puissants dans ces deux matrices. De fortes concentrations en mercure ont aussi été mesurées dans la neige de surface.

Ice crystal characteristics control, which are governed by the nucleation step, remains a key issue in industrial freezing and freeze-drying processes. However nucleation is by nature arandom phenomenon. Power ultrasounds, able to generate acoustic cavitation, are one of the most promising methods of triggering nucleation, but operating conditions pertaining to an industrial freezing process have not yet been defined.This work aims first at empirically correlating the ice crystals' geometry to the operating conditions, in the case of mannitol aqueous solution in vials freezing. A response surface analysis based on a second order experimental design proved that increasing both supercooling and acoustic power resulted in decreasing ice crystals' mean size and increasing their circularity.The second goal was the modelling of ice nucleation triggered by acoustic cavitation in pure water. According to simulations, the nucleation could be initiated with moderate acoustic pressure amplitude (around one bar) even at low supercooling levels (around few degrees). The number of generated nuclei appeared to increase with the super cooling and with the acoustic power which should lead to a decrease of ice crystals' size as observed experimentally.These results are consistent if the ice crystals' size is considered to be inversely proportional to the number of generated nuclei.; Le contrôle des caractéristiques des cristaux de glace, gouvernées par l'étape de nucléation, demeure un enjeu majeur dans les procédés de congélation et de lyophilisation industriels. Cependant la nucléation est par nature un phénomène aléatoire. L'application d'ultrasons de puissance, capable de générer de la cavitation acoustique, compte très certainement parmi les plus prometteuses méthodes permettant de contrôler le déclenchement de la nucléation, mais le matériel et les conditions opératoires à mettre en oeuvre afin d'industrialiser le procédé restent encore à définir.Le premier objectif de ce travail a été de corréler empiriquement les caractéristiques géométriques des cristaux de glace et les conditions opératoires dans le cas de la congélation d'une solution aqueuse de mannitol en vials. Il a été montré, grâce à une analyse de surface de réponses basée sur un plan d'expérience de deuxième ordre, que l'augmentation du sous refroidissement et de la puissance acoustique provoquent une diminution de la taille moyenne des cristaux et une augmentation de leur circularité.Le deuxième objectif était la modélisation de la cinétique de nucléation de glace dans de l'eau pure déclenchée par cavitation acoustique. D'après les simulations réalisées, la nucléation peut être initiée à de faibles sous-refroidissements (quelques degrés) au moyen de pressions acoustiques modérées (de l'ordre de un bar). Le nombre de nuclei créés est d'autant plus important que le sous-refroidissement et la pression acoustique sont élevés.Ces résultats sont cohérents si l'on considère que la taille des cristaux est inversement proportionnelle au nombre de nuclei générés.

This work deals with the problem of pipeline blockage by gas hydrates during oil production. Gas hydrates are crystals resulting from water and gas molecules association under high pressure and low temperature conditions. Such thermodynamical conditions are generally encountered in oil production, particularly for deep offshore fields or cold areas. Due to agglomeration process, hydrate occurrence leads to plug formation.The main objective of this study is to improve our understanding in the mecanisms involved in the agglomeration process, particularly for water in oil emulsions. Results have allowed us to supply a theorical model of agglomeration. A model system of Ice and Freon hydrates dispersed in xylene with asphaltenes as surfactant is used. As Freon hydrates form under atmospheric pressure at low temperature, it allows us to apply different techniques without being limited by pressure conditions. The Nuclear Magnetic Resonance (NMR) technique is mainly used. It makes the measurement of the ratio between solid hydrogene or fluorine in ice or hydrate and total hydrogen or fluorine in the sample possible - enabling to know the quantity of formed ice or hydrates. Thus, a kinetic study is realized, enabled to know the quantity of ice and hydrate formed. To complete this work, optical microscopy with cooling cell is used to get direct observations of agglomeration. The rheometry technique is also used. It enables us to study the evolution of the apparent viscosity of the system during ice or hydrate formation and plugging. These techniques can also be applied to study real systems like methane hydrates in crude oils under field conditions. Moreover, an interpretation, which couples rheology, crystallisation and agglomeration, is studied and leads to a model., Ce travail traite du problème du bouchage des pipelines par des particules d'hydrates de gaz dans la production de pétrole. Les hydrates de gaz sont des composés cristallins qui se forment à partir de l'association d'eau et de molécules de gaz à haute pression et basse température. De telles conditions thermodynamiques sont rencontrées pendant la production et le transport de pétrole, particulièrement en offshore profond ou dans des zones froides. A cause de ce processus d'agglomération, l'apparition d'hydrate peut mener à la formation de bouchons.Cette étude à pour but d'améliorer la compréhension de ce mécanisme d'agglomération, dans le cas d'une émulsion eau dans huile. Par conséquent, l'agglomération des particules de glace et d'hydrate est comparée. L'agglomération des particules de glace et d'hydrate de trichlorofluoromethane ou fréon (CCl3F) dispersées dans le xylène avec des asphaltènes comme tensioactif est choisie comme système modèle. Comme les hydrates de trichlorofluoromethane (CCl3F) sont stables à pression atmosphérique, ils permettent d'utiliser des techniques d'analyses sans être limité par les conditions de pression. La technique de Résonance Magnétique Nucléaire RMN est utilisée. La grande différence entre le temps de relaxation des solides et des liquides est utilisée afin de contrôler in situ le rapport entre la quantité d'entités (hydrogène ou fluor) solides et total en fonction du temps et des conditions contrôlées de cisaillement. Ainsi, une étude cinétique est réalisée, ce qui permet de connaître la quantité de glace ou d'hydrate formée ; La viscosité apparente du système, pendant la cristallisation et le bouchage, est également suivie grâce à des mesures rhéologiques afin de caractériser l'agglomération des particules. Pour compléter cette étude, des observations en microscopie optique avec une cellule thermostatée est utilisée afin d'obtenir des observations directes de l'agglomération. Cette approche expérimentale nous permet de discuter des différents mécanismes d'agglomération de la glace et de l'hydrate dans une phase hydrocarbure et de les modéliser.

Micrometric dust particles are always present in the martian atmosphere. This aerosol loading varies with time and location. Aerosols have a major impact on the martian climate as they modify the radiative equilibrium of the atmosphere. Suspended dust particles scatter incoming solar photons in the visible and near infrared wavelengths. The imaging spectrometer OMEGA has observed Mars in this wavelength range since January 2004. The analysis of OMEGA observations rapidly led to the identification of new minerals at the surface of Mars. These discoveries have changed our view of the martian history. This work focuses on the development of a radiative transfer model based on Monte-Carlo methods. The model makes it possible to separate the contribution of aerosols from that of the surface. It is used to study the optical and physical properties of dust aerosols and refine our comprehension of the surface. The first applications are dedicated to polar regions where the contribution of aerosols is large due to the long optical paths. Seasonal interactions between dust and surface ice, which were poorly understood, are investigated using OMEGA data. A method for mapping the optical depth of aerosols is developed for regions covered by CO2 ice at southern latitudes. We then extend our analysis to equatorial and mid-latitude regions. We demonstrate that dust raised during storms in these regions does not settle uniformly on the ground. We present the first applications of our model for improving the quantitative assessment of surface mineralogy from OMEGA data first, then from the CRISM experiment on-board MRO. CRISM, which started operating in November 2006, is complementary to OMEGA with its observations at a higher resolution.; L'atmosphère de Mars contient en permanence des poussières micrométriques en suspension dont la quantité varie dans le temps et dans l'espace. Ces aérosols sont l'un des éléments clés du cycle climatologique de la planète, car ils modifient l'équilibre radiatif de l'atmosphère. La poussière atmosphérique diffuse le rayonnement solaire visible et proche infrarouge qui illumine la planète Mars. En janvier 2004, l'imageur spectral OMEGA a commencé à observer Mars dans ces domaines de longueur d'onde. L'analyse des observations réalisées par OMEGA a rapidement abouti à l'identification de nouveaux minéraux à la surface de Mars. Ces découvertes ont profondément modifié nos conceptions sur l'histoire passée de la planète. Ce travail de thèse est basé sur le développement d'un modèle de transfert radiatif de type Monte-Carlo. Ce modèle permet de séparer dans les données OMEGA la contribution des aérosols de celle de la surface. Il est utilisé pour étudier les propriétés optiques et physiques des aérosols et obtenir une meilleure compréhension des caractéristiques de la surface. Les premières applications concernent les régions polaires de Mars, pour lesquelles la contribution des aérosols est très importante compte tenu des parcours optiques élevés. Les données OMEGA sont utilisées pour caractériser les interactions saisonnières entre la poussière atmosphérique et la glace en surface, qui restaient encore mal comprises. Une méthode de cartographie de la profondeur optique de poussière est présentée au dessus des régions polaires sud recouvertes de glace de CO2. L'utilisation du modèle est ensuite étendue aux régions plus proches de l'équateur. Nous démontrons que la poussière soulevée lors de tempêtes dans ces régions ne se redépose pas de manière uniforme sur toute la planète, et nous présentons les premières applications concernant l'étude quantitative de la minéralogie de surface à partir des données OMEGA puis CRISM/MRO. Cette expérience, complémentaire d'OMEGA par ses observations à très haute résolution, a obtenu ses premières données depuis l'orbite martienne en novembre 2006.

The aim of this thesis is to characterize Holocene climate variability (10 000-0 years) by the analysis of marine, continental and glacial records. North and South Atlantic and southern ocean records allowed to identify two millenial frequencies. The first are present during the first part of the Holocene (10 000-5 000 years) and are comparable to frequencies observed in solar activity, whereas the second ones, during the late Holocene (5 000-10 000 years), suggest an internal oceanic forcing. This Holocene pattern depicts an oceanic circulation influenced by the melt water coming from the last continental ice sheet in North America until 5 000 years. After 5 000 years, the second part of the Holocene is marked by the gradual appearance of internal forcing, accompanied by a stabilisation of the signal linked to a less disturbed salinity content. In Antarctica, original dust data were produced for the last 2 000 years from the Vostok and Dôme C ice cores. For Holocene period, the analysis of various data (stable isotope, Deuterium excess, Dust) from different places in East Antarctica does not yield persistent and significant feature for all of this proxies. In Greenland, the only significant frequencies in the Deuterium content are the results of a huge melt water discharge events around 8 200 years. The climatic signal extracted from polar ice caps for the Holocene period is hidden by specific processes such as local effects, proxy sensitivity,..., L'objectif de la thèse est de caractériser la variabilité climatique de la période Holocène (10 000-0 ans) en analysant des séries climatiques d'enregistrements marins, continentaux, glaciaires. Les enregistrements d'Atlantique Nord et Sud ainsi que l'océan Austral ont permis d'identifier deux types de fréquences millénaires : les premières s'expriment pendant le début de l'Holocène (10 000-5 000 BP) et sont similaires aux fréquences solaires, les secondes, pendant la fin de l'Holocène, suggèrent un forçage interne océanique. Ce schéma Holocène avec une circulation océanique qui s'établit à un régime stable à partir de 5 000 ans coïncide avec l'établissement du niveau marin à son niveau proche de l'actuel, en lien avec la disparition de la calotte Laurentides et les drainages d'eau douce en Atlantique Nord. À partir de 5 000 ans, les flux d'eau douce ne perturbent plus le gradient de salinité permettant l'établissement de la circulation thermohaline à son régime stable. En Antarctique, de nouvelles séries de données poussières couvrant les 2000 dernières années à Dôme C et Vostok ont été produites. Sur la période Holocène en analysant l'ensemble des données disponibles (isotopes stables, excès en Deutérium, poussières) pour différents sites sur le plateau Antarctique, il n'apparaît aucune structure persistante significative pour aucun des proxies. Au Groenland, les seules fréquences significatives dans le deutérium sont l'empreinte spectrale de l'événement 8 200 ans. Le signal climatique déduit des calottes polaires pour la période Holocène est masqué par des processus tels que les effets locaux, la sensibilité des proxy,...

The ice crystal exhibits a strong viscoplastic anisotropy since it deforms mainly by dislocation glide in the basal plane. This strong viscoplastic anisotropy induces strain heterogeneities inside and between grains. To better understand the mechanisms involved in the deformation, creep experiments using X-ray diffraction (topography X and refocalised hard X-rays) on ice single crystals and tri crystals, have been carried out. A special attention has been given to the microstructure evolution (movement of dislocations, density of dislocations, crystallographic distorsions) especially at grain boundaries and at triple junctions., Le cristal de glace est un matériau particulièrement anisotrope dans le domaine viscoplastique, qui se déforme principalement par glissement des dislocations dans le plan de base. Cette très forte anisotropie viscoplastique engendre une importante hétérogénéité de déformation à l'origine d'hétérogénéités inter-granulaires. Pour mieux comprendre les mécanismes impliqués dans cette déformation, des expériences de fluage ont été réalisées sous diffraction X (topogaphie X et X durs refocalisés) ainsi qu'en chalbre froide, sur des monocristaux et des tricristaux de glace. La déformation a été suivie in-situ à l'aide d'un dispositif spécialement mis au point au LGGE. Une attention particulière a été portée sur l'évolution de la microstructure (évolution des dislocations individuelles, densités de dislocations, distorsions cristallographiques) notamment au niveau des joints de grains et du point triple.

The first part of this study consists in the investigation of the evaporation and the condensation rate of H2O in the presence of different types of ice in a low pressure flow reactor. The second part of the present work reports the study of chlorine activation on different types of frozen salt substrates in a low pressure flow reactor. The third part concerns the construction and testing of a laminar flow reactor at atmospheric pressure in order to study bromine and chlorine activation reactions on different types of sea salt and model aerosols at different relative humidity. The kinetics of H2O condensation (kc) and the evaporation flux (Jev) of H2O on ice was studied in the range 130 to 210 K using pulsed-valve and steady state admission techniques in a low pressure flow reactor. The uptake coefficient γ was measured for different types of ice, namely, Condensed (C), Bulk (B), Single Crystal (SC), Snow (S) and Cubic ice (K). The negative temperature dependence of γ for C, B, SC and S ice reveals a precursor-mediated adsorption/desorption process. The non-Arrhenius behavior of the rate of condensation kc manifests itself in a discontinuity in the range 170 to 190 K depending on the type of ice and is consistent with a precursor model of H2O condensation/evaporation. The average of the energy of sublimation Δ0S is (12.0 ± 1.4) kcal/mol for C, B, S, SC ice and is identical within experimental uncertainty between 136 and 210 K. The same is true for the entropy of sublimation ΔSS. In contrast, both γ and the evaporative flux Jev are significantly different for different ices. In the range 130 to 210 K, Jev of H2O ice was significantly smaller than the maximum theoretically allowed value. This corroborates γ values significantly smaller than unity in the specified T range. Based on the present kinetic parameters the time to complete evaporation of a small ice particle of radius 1 µm is approximately a factor of 5 larger than previously thought. The HOCl heterogeneous reactions on frozen solutions of sea salt (SS), frozen KCl or NaCl were studied in a low pressure flow reactor in order to measure the uptake coefficient γ and the reaction products. The HOCl sample always contained up to 25% of Cl2O that was studied apart in order to relate the Cl2 produced to the HOCl taken up. The main product formed on NSS frozen solution is gas-phase Cl2 that is sustained for at least one hour in contrast to KCl or NaCl frozen solution that produced a transient Cl2 flow that decreases after 100s. We found that approximately 30% of the HOCl taken up from the HOCl/Cl2O mixture reacts to produce Cl2 on NSS, RSS and KCl frozen solution at 200 K at a HOCl concentration larger than 1011 molecule cm-3. In contrast, HOCl concentrations of a few 1010 molecule cm-3 at 200 K failed to produce additional Cl2 in contrast to pure Cl2O uptake. A single Br2 burst event was also monitored when Cl2O or a HOCl/Cl2O mixture is taken up on fresh frozen NSS solution during the first uptake run at 200 K. Further Cl2O or HOCl/Cl2O uptake on the same sample will not lead to a Br2 pulse. Annealing of a previously exposed frozen NSS solution to 240 K and subsequently cooling did not lead to a Br2 burst event either. The HOBr and HOCl uptake coefficient γ on acidified submicron salt aerosol was measured in an atmospheric flow tube reactor. The interaction time of the trace gas with the aerosol was in the range 15 to 90 s and led to γ values ranging from 10-4 to 10-2. The acidity of the aerosol is essential in order to enable heterogeneous reactions on NaCl, recrystallized sea salt (RSS) and natural sea salt (NSS) aerosols for both HOCl and HOBr. Specifically, HOCl exclusively reacts on acidified NSS aerosols with a γ ranging from 1.8 × 10-3 to 0.4 × 10-3 at a relative humidity between 40 and 85%, respectively. In addition, γ(HOBr) is approximately 10-2 for relative humidity in the range 77 to 90% on NaCl and RSS acidified aerosol. Uptake experiments of HOBr on aqueous H2SO4 as well as on acidified NaCl, RSS or NSS aerosols were performed for rh ranging from 40 to 93%. γ of HOBr on acidified NSS reaches a maximum at rh = 77% and decreases significantly for higher rh in contrast to acidified NaCl and RSS aerosols. This difference in γ is attributed to the presence of an organic phase in NSS aerosols that forms an organic coating at high rh. In addition, preliminary uptake experiment of HNO3 was performed on NaCl and NSS aerosols using the atmospheric flow tube reactor. We were able to perform experiments only from 2.8 to 25% relative humidity. For a relative humidity larger than 25%, all gas phase HNO3 is taken up on the reactor wall and no experiments could be performed. γ of HNO3 in the range (2-3) × 10-2 for NaCl and NSS aerosol, respectively, at 2.8% relative humidity. At rh = 25%, γ(HNO3) is approximately 10-1 for both NaCl and NSS aerosols.

Frost defacement of buildings, and bridges costs hundreds millions of Euros to Europe every year. Hence, undertaking better prediction and prevention of frost damage will be beneficial to civil engineering.Frost damage is a combination of internal micro-cracks and scaling (bits of material peeling away of the surface down to a depth of some millimetres). The latter is enhanced by de-icer salts used to keep roads and highways good practicability.Most of the physico-chemical mechanisms leading to frost damage are well known. However it still lacks a holistic physically-based quantitative assessment of the stress and strain fields in porous materials submitted to freezing-thawing cycles with salts.To cope with this difficulty, both experimental and theoretical approaches are conducted. Experimental studies aim at improving the quantification of amount of ice formed within a partially frozen porous medium. Indeed this relation is found to be sufficient to characterize the material state at the macroscopic scale in case of a reversible evolution.The measurement was performed through a novel experimental device based on capacitive method. This technique relies upon the dielectric properties of liquid water, ice, air, and mineral substrate in the radio-frequency range. A semi-empirical method based upon the Lichtenecker model and combining drying and freezing tests, provides an accurate estimation of the liquid water content versus the temperature in freezing cement pastes. This estimation is further analysed with the help of thermoporometry concepts in order to characterize the pore size distribution and the specific surface area. The results range in the same order of magnitude as those assessed from gravimetric sorption/desorption isotherms.Such information allowed predicting the material thermo-mechanical behaviour through poromechanics. Then the occurrence of surface scaling without de-icing salts was proofed and explained while the effect of air-voids on the frost resistance of a porous structure is quantified., Un des défis de la recherche appliquée au génie civil est l'optimisation de la durée de vie des matériaux et structures ainsi que la mise au point de méthodes de certification rapides, peu coûteuses et sûres. Dans ce contexte, la politique de surveillance des ouvrages d'art instaurée en France à partir du début des années 1980 a mis en évidence des dégradations dues à l'action du froid dans plusieurs régions et notamment en montagne. Par conséquent, un bon nombre de gestionnaires d'ouvrages sont confrontées aux conséquences, quelquefois très pénalisantes, des cycles de gel-dégel sur la durabilité du béton.L'endommagement par le froid est une combinaison d'une micro-fissuration interne et d'un écaillage de surface. Ce dernier est largement augmenté en présence des sels de déverglaçage couramment utilisés afin de permettre une bonne praticabilité des routes en période hivernale.L'objectif des travaux de recherche présentés dans ce mémoire est l'approfondissement de nos connaissances sur le comportement au gel-dégel de surface d'une structure poreuse en vue d'une prédiction de son comportement et de l'identification de paramètres matériaux clés relatifs à sa pérennité hivernale.Pour cela, nous avons tout d'abord mené une étude à l'échelle du matériau afin de déterminer la (ou les) relation(s) permettant de caractériser à l'échelle macroscopique l'état de gel du milieu poreux à une température donnée. Dans le cas d'un système réversible, la relation mesurable entre la proportion de glace de glace formée et la température, identifiable à une fonction d'état thermodynamique, est suffisante. Afin de la mesurer, un dispositif basé sur une méthode capacitive a été mis au point. L'utilisation de cette méthode repose, dans le cas d'un matériau poreux partiellement gelé, sur le contraste entre la constante diélectrique réelle de l'eau (entre 80 et 100) et de la glace Ih (environ 3) dans le domaine des hautes fréquences radio (entre 10 et 100 MHz) et pour des températures comprises entre -40°C et 0°C. Ainsi, tout changement de phase en milieu poreux se traduit par une variation sensible de la constante diélectrique globale du matériau testé et la proportion volumique de glace formée peut être estimée par un schéma d'homogénéisation multi-échelles.La comparaison entre les résultats de gel-dégel obtenus par ce dispositif et ceux provenant de tests de sorption-désorption permet de conclure sur la prédictibilité de l'état de solidification d'un milieu poreux par des tests routiniers de sorption-désorption d'eau.Etant en mesure de caractériser l'état de gel du milieu poreux soumis au froid, il devient possible d'étudier, par une approche macroscopique de type poromécanique des milieux continus, son comportement mécanique. Le scénario de comportement retenu est basé sur le couplage entre l'augmentation volumique de 9% accompagnant la transformation de l'eau en glace, les transferts d'eau non gelée au sein du réseau poreux et le comportement thermomécanique de chaque constituant. L'étude menée se limite au problème linéarisé d'une structure unidimensionnelle soumise à l'action du froid en surface. De plus, l'hypothèse des petits déplacements et des petites déformations est adoptée, ce qui borne strictement cette étude à l'apparition de la première fissure.L'utilisation de ce modèle permet : (1) d'identifier l'origine de l'endommagement de surface (ou écaillage) observé expérimentalement sur des échantillons de ciments soumis à des cycles de gel-dégel sous fort gradient thermique, (2) de quantifier le rôle protecteur des vides d'air vis-à-vis de la résistance à l'écaillage.