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Observations and experiments showed that aerosol deposition can increase the amount of bioavailable nutrients and favor biological production of the Mediterranean Sea. In this context, the present study yields for the first time a quantification of the effects of aerosol deposition from various sources thanks to the coupled physical-biogeochemical model NEMOMED12/PISCES. This study consists in modeling and analyzing the effects on the Mediterranean biogeochemistry of atmospheric deposition of nitrogen and phosphate from various natural and anthropogenic sources. For this purpose, regional and global atmospheric models representing aerosol deposition were evaluated and selected. The NEMOMED12/PISCES model was modified to take into account these new nutrient sources. The analysis of the simulations showed that atmospheric deposition accounts for approximately 10 % of total external nitrate supply and 5 to 30 % of phosphate supply on average over the entire basin. Aerosol deposition can also increase biological production up to 50 % thanks to the lowering of nutrient limitations. The maximal fertilizing effects are observed during the stratied period which, in the Mediterranean region, is summer. The effects of climate change may be particularly important in sensitive regions such as the Mediterranean. Therefore, the evolutions of basin scale biogeochemistry were evaluated under a climate change scenario. The NEMOMED8/PISCES model was used with physical and biogeochemical forcings for the IPCC A2 climate change scenario. This study shows a reduction in basin scale surface productivity by approximately 10 % triggered by warming and stratification. Nutrient limitations are modified and the Mediterranean Sea sensibility to atmospheric deposition changes. The results of this thesis underline the importance of atmosphere as a nutrient source, in particular for nitrogen and phosphate. Deposition effects vary according to the season and the location. They are more important during the stratied period, when surface water is nutrient limited. Also, any change in biological productivity is quickly transfered along the biological chain. To refine the results, the atmospheric models could be improved and more knowledge on deposition fluxes and physical and chemical transformations of aerosols before and after deposition would be necessary. Moreover, more precise scenarios concerning climate change effects would be necessary in order to study the future evolutions of biogeochemical conditions in the Mediterranean. Finally, the recent developments on the PISCES model make new studies possible in a non redfieldian context. Preliminary results indicate that the productivity of the different phytoplanktonic groups varies with intracellular C/N/P ratios., Les observations et expériences ont montré que le dépôt d'aérosols pouvait entraîner une augmentation de la quantité de nutriments disponible et ainsi favoriser la production biologique de la mer Méditerranée. Dans ce contexte, cette étude propose pour la première fois une quantification des effets du dépôt d'aérosols en provenance de sources variées sur la biogéochimie de l'ensemble de la mer Méditerranée grâce à un modèle couplé physique-biogéochimie haute résolution NEMOMED12/PISCES. L'étude consiste à modéliser et analyser les effets du dépôt d'azote et de phosphate en provenance de sources naturelles et anthropiques sur la biogéochimie de la Méditerranée. Pour cela,des modèles atmosphériques régionaux et globaux permettant de représenter le dépôt d'aérosol ont été évalués et sélectionnés. Le modèle NEMOMED12/PISCES a été adapté pour prendre en compte ces nouvelles sources de nutriments. L'analyse des simulations a permis de montrer que le dépôt atmosphérique représente environ 10 % des apports externes totaux de nitrates et 5 à 30 % des apports de phosphate en moyenne sur l'ensemble du bassin. Le dépôt peut également entraîner une augmentation de la production biologique jusqu'à 50 % grâce à la levée des limitations en nutriments. Les effets des changements climatiques pourraient avoir des conséquences particulièrement importantes sur une région sensible comme la Méditerranée. C'est pourquoi les évolutions de la biogéochimie du bassin dans un scénario de changement climatique ont été évalués au cours de cette thèse. Pour cela, le modèle NEMOMED8/PISCES a été utilisé avec des forçages physiques et biogéochimiques qui correspondent au scénario d'évolution des conditions climatiques A2 du GIEC. Cette étude met en évidence une diminution de la productivité biologique de surface de 10 % en moyenne dans l'ensemble du bassin en réponse à l'échauffement et à la stratification. Les limitations en nutriments sont fortement modifiées et la sensibilité de la Méditerranée au dépôt atmosphérique de nutriments change. Les résultats de cette thèse soulignent l'importance de l'atmosphère comme source de nutriments et en particulier d'azote et de phosphate. Les effets du dépôt atmosphérique sont variables en fonction de la saison et de la localité du dépôt et ont tendance à être plus significatifs lorsque les eaux de surface sont limitées en nutriments. En n tout bouleversement de la productivité biologique est transmis rapidement le long de la chaîne trophique. Les résultats obtenus pourraient être précisés avec l'amélioration des modèles atmosphériques et l'obtention de nouvelles mesures de flux de dépôt et l'amélioration des connaissances sur les transformations physico-chimiques subies par les aérosols avant et après leur dépôt en milieu océanique. Par ailleurs, des scénarios plus précis concernant les changements climatiques sont nécessaires afin d'évaluer les évolutions des conditions biogéochimiques de la Méditerranée. Enfin, les récents développements du modèle PISCES peut à présent permettre d'étudier la Méditerranée dans un contexte non redfieldien.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Une étude numérique du transport et du dépôt d'aérosols dans un modèle idéalisé des voies aériennes supérieures humaines est présentée. La géométrie de la région laryngée pendant la respiration est obtenue à partir d'une étude clinique réalisée sur 20 patients. L'étude montre que pour des particules de taille inférieure à 5µm le dépôt est de l'ordre de 30 % de la masse injectée et diminue singulièrement lorsque le patient inhale un mélange à base d'hélium.

During inhaled therapies several factors limits the amount of drug delivered to the lungs. E.g. the upper airways morphology and in particular the glottis, defined by the vocal-fold aperture, causes upper airways to narrow in a minimal cross section, which is determinant on aerosol depo­ sition by inertial impaction. This thesis aims to (i) investigate evolution of the glottal area during breathing, and (ii) predict the effects of a dynamic glottis and realistic airflow conditions on the aerosol deposition in upper airways using three-dimensional simulations.First, a clinical study was conducted on 20 healthy volunteers (10 males and 10 females) to explore the glottal motion during several specifie slow (below 20 cycles/min) and rapid breathing tasks (up to 90 cycles/min). The breathing was investigated simultaneously for the glottal area variations using laryngoscopie video recordings and for airflow rate using oral flowmeter.The experimental measurements showed that the glottal geometry observed during a breathing cycle can be extremely variable depending on the respiratory phase, tidal volume, and breathing frequency. Testing the dynamic behaviour of the glottis during breathing, two groups of subjects were identified: one with relatively constant glottal area and other with significant variations. In average, the variations for the latter group of subjects was observed for males at 26% comparing maximale and minimal glottal opening during inspiration and expiration respectively.The results of the clinical study together with anatomical morphological data served to create a madel with idealised geometry of upper airways. This madel represents the major geometrical characteristics of upper airways with special interest in the glottal region. Transport and deposition of aerosols was studied using 3D numerical cyclic simulations and parametrical analysis allowed to evaluate the influence of the cyclic flow, glottal dynamics, type of carrier gas (air or helium-oxygen mixture) and particle size on the deposition of aerosols in the upper airways.The numerical simulations demonstrated significant decrease of respiration work with He-02 and jet-like flow with recirculation zone in the oro-pharynx and downstream the glottal plane. The principal deposition mechanism is inertial impaction (for the particle diameters 1 - lOiJ.m) with most significant deposition region in the oro-pharynx. Important parameters for deposition are the particle size and the nature of carrier gas. For He-02 the deposition reaches two times smaller values than for air and the fraction of deposited particles increases significantly with diameter, reaching 80% of deposited efficiency for 10 iJ.m particles. Finally, the CFD results demonstrated negligible differences in aerosol transport and deposition between different glottal characteristics. Therefore, in normal breathing conditions the glottal motion can be neglected, La délivrance de médicaments lors de la mise en œuvre de thérapies inhalées est dépendante de nombreux facteurs. Parmi ceux-ci la morphologie des voies aériennes supérieures(VAS) et en particulier celle de la région glottique est déterminante dans les mécanismes de dépôt de particules par impaction inertielle. Dans le cadre de ce travail, il est examiné d’une part la dynamique glottique durant différentes modalités de respiration et d’autre part déterminé numériquement l’effet de ces mouvements et des conditions de respiration associées sur le dépôt des aérosols dans les VAS.Une étude clinique a été menée dans un premier temps sur un panel de 20 sujets sains (10 hommes et 10 femmes) au sein du service ORL de l’hôpital de la Timone à Marseille pour déterminer le mouvement glottique durant différentes tâches de ventilation allant d’une respiration normale avec moins de 20 cycles/min à une ventilation accélérée jusqu’à 90 cycles/min. L’acquisition des mouvements glottiques a été réalisée par imagerie numérique durant un examen de laryngoscopie avec mesure simultanée des débits associés aux différentes tâches de respiration.Les mesures expérimentales montrent que la géométrie glottique varie pendant la respiration en fonction de la tâche de respiration, du volume courant et de la fréquence respiratoire. Une étude statistique a permis d’isoler deux comportements types l’un où l’aire glottique demeure sensiblement constante durant la respiration et l’autre ou une variation de cette même aire est observée. Sur ce dernier groupe d’individus la variation d’aire maximale observée sur les hommes est de 26%, l’ouverture maximale étant atteinte durant la phase d’inspiration et l’aire minimale durant l’expiration.Ces résultats, ainsi que des données anatomiques, ont permis de construire un modèle géométrique idéalisé des VAS. Ce modèle reproduit fidèlement les principales singularités des voies extrathoraciques en apportant un grand soin à la description de la région glottique. Le transport et le dépôt d’aérosols dans ce modèle a été étudié en ayant recours à des simulations numériques3D de l’écoulement cyclique. Une étude paramétrique a permis d’évaluer l’influence sur le dépôt de l’écoulement cyclique, de la nature du gaz porteur (Air vs mélange d’hélium-oxygène), de la prise en compte de la dynamique glottique et de la taille des particules.Les résultats mettent principalement en évidence une nette diminution de la part extrathoracique du travail respiratoire lors de l’emploi du mélange He-O2 et un écoulement de type jet en aval de la glotte durant l’inspiration associé à une recirculation sous le plancher glottique. Le mécanisme de dépôt principal étant l’impaction inertielle (pour les tailles des particules 1 - 10μm)le zone principale de dépôt est situé dans l’oropahrynx, quelles que soient les conditions pendant inspiration. La fraction de dépôt augmente rapidement avec le diamètre des particules atteignant près de 80% pour les particules de 10μm et diminuer deux fois pour He-O2 en comparaison avec air.Finalement, la dynamique du dépôt ne varie pas de façon significative entre le modèle où la glotte est considérée comme statique et celle où elle est mobile. Donc, dans les conditions de respiration normal le mouvement de la glotte peut être négligé.

La protection des opérateurs et la surveillance des ambiances de travail en cas de mise en suspension d’aérosols radioactifs, dans un local ventilé d’une installation nucléaire, requièrent la connaissance de l’évolution spatio-temporelle de la concentration en particules, en tout point du local considéré. L’estimation précise de cette concentration a fait l’objet du développement de modèles spécifiques de transport et de dépôt d’aérosols dans un local ventilé, dans le cadre d’une thèse cofinancée par l’IRSN et EDF, en collaboration avec l’IMFT. Un formalisme eulérien de glissement est utilisé pour modéliser le transport des aérosols. Celui-ci est basé sur une unique équation de transport des concentrations en particules (« Diffusion-Inertia model »). L’étude spécifique du dépôt d’aérosols en parois a permis de développer un modèle de couche limite, qui consiste à déterminer précisément le flux de dépôt de particules en parois, quels que soient le régime de dépôt et l’orientation de la surface considérée. Les modèles de transport et de dépôt finalement retenus ont été implantés dans Code_Saturne, un logiciel de mécanique des fluides. La validation de ces modèles a été effectuée à partir de données de la littérature en géométries simples, puis sur la base de campagnes expérimentales de traçage dans des locaux ventilés d’environ 30 m³ et 1500 m³.

Aerosols are an important source of macro- and micronutrients for the open ocean. However, only dissolved nutrients are considered bioavailable, i.e. assimilable by phytoplankton. Thus, the quantification of their solubility is essential to (i) estimate the influence of aerosol deposition on phytoplankton, and (ii) closing the biogeochemical cycles of these elements. We thus established the solubility ranges of two types of aerosols (desert or volcanic) according to the deposition mode (dry and wet), by integrating the variability depending on the aerosol origin. Thus, the macronutrient silicon found in desert dust is more soluble compared to volcanic ash (up to 0.7 % against 0.2 %), in particular via the dissolution of quartz. The micronutrient iron dissolves mainly in rainwater during wet deposition of aerosols in the ocean via the dissolution of aluminosilicates, with solubilities generally below 0.14% and 0.02%, in rainwater and seawater respectively, regardless of the type of aerosol. Thus, these results allow a re-estimation of atmospheric nutrients fluxes to the surface ocean which could ultimately be integrated into global biogeochemical models. Finally; the biological response to an atmospheric nutrient input has been determined in the Southern Indian Ocean and the nutrients have mainly benefited the diatom community, especially at the Kerguelen plateau., Les aérosols constituent une source importante de macro- et micronutriments pour l’océan hauturier. Cependant, uniquement les nutriments dissous sont considérés comme biodisponibles, c’est-à-dire assimilables par le phytoplancton. Ainsi, la quantification de leur solubilité se révèle primordiale pour (i) estimer l’influence d’un dépôt d’aérosols sur le phytoplancton, et (ii) boucler les cycles biogéochimiques de ces éléments. Dans le cadre de cette thèse, nous avons établi des gammes de solubilité de deux types d’aérosols (désertique ou volcanique) selon le mode de dépôt (sec et humide), en intégrant la variabilité en fonction de l’origine des aérosols. Ainsi, le macronutriment silicium issu des poussières désertiques est plus soluble comparé aux cendres volcaniques (jusqu’à 0.7 % contre 0.2 %), notamment via la dissolution du quartz. Le micronutriment fer se dissout majoritairement dans l’eau de pluie lors d’un dépôt humide des aérosols à l’océan via la dissolution d’aluminosilicates, avec une solubilité généralement inférieure à 0.14 % et 0.02 %, dans l’eau de pluie et eau de mer respectivement, et ce indépendamment du type d’aérosol. L’ensemble de ces résultats permet ainsi une révision des flux de nutriments atmosphériques à l’océan de surface qui pourra être in fine intégrée dans les estimations globales de modélisation biogéochimique. La réponse biologique suite à un apport de nutriments par voie atmosphérique a été déterminée dans l’Océan Indien Austral et les nutriments ont majoritairement profité à la communauté de diatomées, notamment au niveau du plateau de Kerguelen.

National audience; Objectifs : L'administration nasale de médicaments sous forme d'aérosol est largement utilisée par les otorhinolaryngologistes. Bien qu'elle manque d'évaluations cliniques, la nébulisation ORL se présente comme une option thérapeutique intéressante pour l'administration nasale de médicaments. Les aérosols permettraient de cibler les sites anatomiques d'intérêt situés derrière la valve nasale. Le nébuliseur sonique NL11SN utilise l'addition d'un son de 100 Hertz (Hz) à l'aérosol produit afin d'améliorer le dépôt dans les sinus. L'objectif de notre étude était : (1) d'évaluer in vivo chez le volontaire sain l'influence du son sur la ventilation sinusienne et le dépôt nasal et pulmonaire d'un aérosol sonique, et (2) de quantifier in vitro le dépôt d'aérosols soniques dans les sinus maxillaires d'un modèle plastiné. Patients et méthodes : In vivo, une scintigraphie de ventilation au gaz 81mKr et une scintigraphie de dépôt d'aérosol (99mTc-DTPA) sonique produit par le NL11SN étaient réalisées chez sept volontaires sains. En parallèle, des nébulisations de gentamicine étaient réalisées en présence ou en absence du son de 100 Hz sur un modèle de tête humaine plastinée avec le NL11SN. La quantité de gentamicine déposée dans les sinus était dosée par FPIA. Résultats : L'addition du son de 100 Hz au gaz 81mKr permettait la ventilation des cavités sinusiennes des volontaires sains. Le 99mTc-DTPA nébulisé avec le NL11SN chez les volontaires se déposait majoritairement dans les cavités nasales (2/3 vs 1/3 dans les poumons). In vitro, le NL11SN utilisé en mode sonique a permis d'augmenter d'un facteur 3 (p < 0,002) le dépôt de gentamicine dans les sinus du modèle plastiné. Les quantités d'antibiotiques déposées dans les sinus du modèle plastiné pouvaient être considérées comme suffisantes pour avoir un effet thérapeutique local. Conclusions : Le nébuliseur NL11SN assure un dépôt préférentiel de l'aérosol dans les cavités nasales et cible efficacement les sinus maxillaires.