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Driving on ice is a delicate exercise due to the poor adherence of tire on ice and the use of studded tires is tightly regulated or forbidden in many countries. In this context of road safety improvement under severe climatic conditions, it is necessary to precisely study and investigate the sliding contact between rubber and ice and to determine the different key mechanisms governing the tribological behavior of the rubber-ice contact.The strategy chosen in this work is to investigate the rubber-ice contact at different scales – macrometric (scale of apparent surface contact) and micrometric (scale of group of contact between asperities) – in order to link the physical process of friction and adhesion observed at the macrometric scale to their potential causes induced at subscale.A Surface Force Apparatus (SFA) based system, developed in Kurihara Laboratory, was used to measure rubber-ice interactions under negative temperature condition for thin rubber layer. The morphology of the rubber is strongly influenced by the presence of silica and carbon black within the elastomer matrix, forming bumps of 40 µm in diameter. These bumps have a larger rigidity than that of the surrounding elastomer matrix. They are also responsible for increased dissipation for applied loads lower than 10 mN which may be related to hysteresis phenomenon caused by fillers such as the Payne and Mullins effects and/or interface sliding. The viscoelastic properties of the rubber thin layer measured for the different rubber variants showed consistency with the dynamic mechanical analysis measurement.In parallel, the KŌRI tribometer, developed in LTDS, was used to perform rubber-ice friction experiments the contact under controlled cold environment (temperature and humidity rate). An ice manufacturing unit was also designed to produce a repeatable transparent vertically grown ice disc. The ice transparency makes it possible to investigate the evolution of the rubber-ice contact during friction. The friction behavior was analyzed at the macrometric scale for sliding velocities ranging from µm/s to m/s, temperatures ranging from -15°C to -2.5°C and various rubber mechanical properties. The rubber-ice friction as a function of the sliding velocity presents the characteristic bell-shaped curve observed usually for rubbers. In addition to the sliding velocity, the friction level also depends on the environmental temperature, the sliding history of the ice and the viscoelastic properties of the rubber. Ploughing of the ice surface by rubber asperities was observed during friction measurements. Two main friction phases were highlighted. The first one occurs for ‘low’ sliding velocities where rubber viscoelasticity and ice ploughing may govern the friction within the contact. The second one occurs at higher velocities where melting of the ice surface is expected due to frictional heating within the contact.; La conduite sur glace peut se révéler une pratique difficile en raison de la mauvaise adhérence du pneu ainsi que les réglementations strictes limitant ou interdisant l’utilisation des pneus cloutés dans de nombreux pays. Dans ce contexte d’amélioration des conditions de sécurité routière pour les conditions climatiques extrêmes, il est nécessaire d’étudier et d’analyser avec précision le contact glissant entre le caoutchouc et la glace et de déterminer les différents mécanismes clés régissant le comportement tribologique de ce contact.La stratégie choisie dans le cadre de cette thèse consiste donc à étudier le contact caoutchouc-glace à différentes échelles – macrométrique (échelle d’une surface apparente de contact) et micrométrique (échelle d’un groupe de contact entre aspérités) – afin de lier les processus physiques de frottement et d’adhérence observés à l’échelle macrométrique à leurs causes potentielles induites à plus petite échelle.Un système basé sur une Appareil de Force de Surfaces (SFA), développé au laboratoire Kurihara, a été utilisé pour mesurer les interactions caoutchouc glace dans des conditions de température négative avec de couches de caoutchouc d’épaisseur micrométrique. La morphologie du caoutchouc est fortement influencée par la présence de silice et de noir de carbone au sein de matrice élastomère, formant des aspérités de 40 µm de diamètre. Ces aspérités ont une rigidité supérieure à celle de la matrice élastomère environnante. Elles sont également responsables d’une dissipation accrue pour des charges appliquées inférieures à 10 mN, ce qui peut être lié à un phénomène d’hystérésis provoqué par les charges tel que les effets Payne et Mullins et/ou un glissement à l’interface. Les propriétés viscoélastiques des couches minces de caoutchouc mesurées pour les différents échantillons concordent avec les mesures obtenues par l’Analyse Mécanique Dynamique (DMA).En parallèle, le tribomètre KŌRI, développé au LTDS, a été utilisé afin de réaliser des expériences de frottement caoutchouc-glace dans un environnement froid contrôlé (température et taux humidité). Une unité de fabrication de glace a également été conçue afin de produire un disque de glace transparent reproductible. La transparence de la glace permet d’étudier l’évolution du contact caoutchouc-glace pendant un essai de frottement. Le comportement du frottement a été analysé pour des vitesses de glissement comprises entre le µm/s et le m/s, des températures comprises entre -15°C à -2,5°C et différentes propriétés mécaniques du caoutchouc. Les courbes de frottement caoutchouc-glace en fonction de la vitesse présentent la forme caractéristique en cloche observée habituellement pour les caoutchoucs. En plus de la vitesse de glissement, le niveau de frottement dépend également de l’historique de glissement de la glace et des propriétés viscoélastique du caoutchouc. Un labourage de la surface de la glace par les aspérités présentes à la surface de l’élastomère a également été observé lors des mesures de frottement. Deux phases principales de frottement ont pu être identifiées. La première concerne les vitesses de glissement ‘faibles’ où la viscoélasticité du caoutchouc et le labourage de la surface de glace régissent le frottement. La seconde se produit à des vitesses plus élevées pour lesquelles des effets thermiques interviennent.

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.

Driving on ice is a delicate exercise due to the poor adherence of tire on ice and the use of studded tires is tightly regulated or forbidden in many countries. In this context of road safety improvement under severe climatic conditions, it is necessary to precisely study and investigate the sliding contact between rubber and ice and to determine the different key mechanisms governing the tribological behavior of the rubber-ice contact.The strategy chosen in this work is to investigate the rubber-ice contact at different scales – macrometric (scale of apparent surface contact) and micrometric (scale of group of contact between asperities) – in order to link the physical process of friction and adhesion observed at the macrometric scale to their potential causes induced at subscale.A Surface Force Apparatus (SFA) based system, developed in Kurihara Laboratory, was used to measure rubber-ice interactions under negative temperature condition for thin rubber layer. The morphology of the rubber is strongly influenced by the presence of silica and carbon black within the elastomer matrix, forming bumps of 40 µm in diameter. These bumps have a larger rigidity than that of the surrounding elastomer matrix. They are also responsible for increased dissipation for applied loads lower than 10 mN which may be related to hysteresis phenomenon caused by fillers such as the Payne and Mullins effects and/or interface sliding. The viscoelastic properties of the rubber thin layer measured for the different rubber variants showed consistency with the dynamic mechanical analysis measurement.In parallel, the KŌRI tribometer, developed in LTDS, was used to perform rubber-ice friction experiments the contact under controlled cold environment (temperature and humidity rate). An ice manufacturing unit was also designed to produce a repeatable transparent vertically grown ice disc. The ice transparency makes it possible to investigate the evolution of the rubber-ice contact during friction. The friction behavior was analyzed at the macrometric scale for sliding velocities ranging from µm/s to m/s, temperatures ranging from -15°C to -2.5°C and various rubber mechanical properties. The rubber-ice friction as a function of the sliding velocity presents the characteristic bell-shaped curve observed usually for rubbers. In addition to the sliding velocity, the friction level also depends on the environmental temperature, the sliding history of the ice and the viscoelastic properties of the rubber. Ploughing of the ice surface by rubber asperities was observed during friction measurements. Two main friction phases were highlighted. The first one occurs for ‘low’ sliding velocities where rubber viscoelasticity and ice ploughing may govern the friction within the contact. The second one occurs at higher velocities where melting of the ice surface is expected due to frictional heating within the contact., La conduite sur glace peut se révéler une pratique difficile en raison de la mauvaise adhérence du pneu ainsi que les réglementations strictes limitant ou interdisant l’utilisation des pneus cloutés dans de nombreux pays. Dans ce contexte d’amélioration des conditions de sécurité routière pour les conditions climatiques extrêmes, il est nécessaire d’étudier et d’analyser avec précision le contact glissant entre le caoutchouc et la glace et de déterminer les différents mécanismes clés régissant le comportement tribologique de ce contact.La stratégie choisie dans le cadre de cette thèse consiste donc à étudier le contact caoutchouc-glace à différentes échelles – macrométrique (échelle d’une surface apparente de contact) et micrométrique (échelle d’un groupe de contact entre aspérités) – afin de lier les processus physiques de frottement et d’adhérence observés à l’échelle macrométrique à leurs causes potentielles induites à plus petite échelle.Un système basé sur une Appareil de Force de Surfaces (SFA), développé au laboratoire Kurihara, a été utilisé pour mesurer les interactions caoutchouc glace dans des conditions de température négative avec de couches de caoutchouc d’épaisseur micrométrique. La morphologie du caoutchouc est fortement influencée par la présence de silice et de noir de carbone au sein de matrice élastomère, formant des aspérités de 40 µm de diamètre. Ces aspérités ont une rigidité supérieure à celle de la matrice élastomère environnante. Elles sont également responsables d’une dissipation accrue pour des charges appliquées inférieures à 10 mN, ce qui peut être lié à un phénomène d’hystérésis provoqué par les charges tel que les effets Payne et Mullins et/ou un glissement à l’interface. Les propriétés viscoélastiques des couches minces de caoutchouc mesurées pour les différents échantillons concordent avec les mesures obtenues par l’Analyse Mécanique Dynamique (DMA).En parallèle, le tribomètre KŌRI, développé au LTDS, a été utilisé afin de réaliser des expériences de frottement caoutchouc-glace dans un environnement froid contrôlé (température et taux humidité). Une unité de fabrication de glace a également été conçue afin de produire un disque de glace transparent reproductible. La transparence de la glace permet d’étudier l’évolution du contact caoutchouc-glace pendant un essai de frottement. Le comportement du frottement a été analysé pour des vitesses de glissement comprises entre le µm/s et le m/s, des températures comprises entre -15°C à -2,5°C et différentes propriétés mécaniques du caoutchouc. Les courbes de frottement caoutchouc-glace en fonction de la vitesse présentent la forme caractéristique en cloche observée habituellement pour les caoutchoucs. En plus de la vitesse de glissement, le niveau de frottement dépend également de l’historique de glissement de la glace et des propriétés viscoélastique du caoutchouc. Un labourage de la surface de la glace par les aspérités présentes à la surface de l’élastomère a également été observé lors des mesures de frottement. Deux phases principales de frottement ont pu être identifiées. La première concerne les vitesses de glissement ‘faibles’ où la viscoélasticité du caoutchouc et le labourage de la surface de glace régissent le frottement. La seconde se produit à des vitesses plus élevées pour lesquelles des effets thermiques interviennent.

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.

En Poéticas de la contemplación se han recogido ideas, impresiones y sentimientos relacionados con el paisaje, con el propósito de trasladar al espectador, mediante un recorrido teórico-práctico, emociones desprendidas al contemplar la naturaleza. Esto nos conduce a elaborar una serie de cuestiones técnicas y a llevarlas a un plano de creación, desde una mirada propia y partiendo de la experiencia más próxima. Desde hace unos años, nos sentimos atraídos por los paisajes contemplados en el siglo XIX por los grandes maestros como Friedrich o Turner. Aquellos en los que la bruma y la niebla no dejan traspasar la mirada por el paisaje. Aquellas lejanías que niegan y que esconden, que dificultan contemplar, pero que sin embargo, activan la imaginación mediante la sugerencia. Por ello, viajamos al norte de Europa y nos apropiamos de paisajes, caminos y luces. Aprendimos a vivir con la lluvia y la ausencia de luz. A través de este proyecto pictórico, pretendemos acercarnos más a ese misterio y poetizar, con la práctica pictórica, sobre una línea de horizonte que en ocasiones está y en otras desaparece., In Poetics of Contemplation we collect a series of ideas, impressions and feelings about the landscape wanting to transfer, through a theoretical-practical route, to the spectator emotions detached when the nature is contemplated. This leads us to elaborate a series of technical questions and to bring them to a plane of creation, from a look of its own and based on the closest/experience. For some years, we have been attracted to the landscapes contemplated in the nineteenth century by great masters such as Friedrich or Turner. Those pictures in which mist and fog do not let you look through the landscape. Those distances that deny and hide, which difficult contemplation, but which nevertheless activate the imagination through suggestion. For this, we travel to the north of Europe and we appropriate landscapes, paths and lights. We learned to live with rain and the absence of light. Through this pictorial project, we intend to get closer to that mystery and make a poetic with pictorial practice, on a horizon line that is sometimes and that disappears in others.

International audience

The aim of the present study was to develop a saliva reactor allowing temperature control and the addition of human saliva in order to follow the release of five aroma compounds from different ice creams. The developed method was a useful tool to mimic the in-mouth process by taking into account sample quantity, mouth volume, temperature, salivary flux, and mastication. The reactor was fit with solid phase micro-extraction for gas chromatography allowing data collection similar to nose-space sam-pling. Different ice creams were assessed, with varying fat types and levels, and protein levels. The results showed that the effect of saliva is relatively low and only observed at the higher fat level. Also the effect of the fat type was smaller than that of the fat level. The ice cream with a low fat level released more hydrophobic aroma compounds than the one with a high fat level. The ice creams with both low fat level and low protein level, showed the highest release of aroma compounds. Less added proteins led to less interaction with the aroma compounds and increased their rate of release from the aqueous to the vapour phase. Overall, an innovative tool was provided to guide food industries to reformulate ice creams answering nutritional recommendations in line with consumer demands.

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.

[Departement_IRSTEA]Ecotechnologies [TR1_IRSTEA]SPEE; International audience; Ice cream crystallization processes can be modeled by some population and energy balance equations. Due to the infinite dimensional and nonlinear characteristics, such models are highly complex, especially when all the phenomena of nucleation, growth and breakage are considered. Depending on the control problem under consideration, such a complexity can be useless and the control law can be designed on the basis of an input-output reduced order model of the process. In the present paper, we first consider a reduced order model of 6 ordinary differential equations obtained by the method of moments. By means of a sensitivity analysis and a parameter identification, it is shown that, to accurately describe the input-output behavior of the system whatever the conditions are, it is sufficient to change the values of only two parameters of this model, which is really interesting from a control point of view. However, when looking at the simulated data, the complexity of this moments model appears useless, from the input-output point of view. A second model reduction is therefore performed, based on physical assumptions. We finally get a new model with 3 ordinary differential equations, which is validated first on experimental data and then by comparison with the initial moments model.

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

Increasing interest has risen for nuclear quantum effects (NQE) in the recent past. Indeed, NQE such as proton tunneling and zero point energy often play a crucial role in the properties of hydrogen-containing materials. The standard methods to simulate NQE are based on path integrals. An alternative to these methods is the Quantum Thermal Bath (QTB): it is based on a Langevin equation where the classical degrees of freedom are coupled to an ensemble of quantum harmonic oscillators. In the classical Langevin equation, the random force is a white noise and fulfills the classical fluctuation-dissipation theorem, while within the QTB formalism, it fulfills the quantum fluctuation-dissipation theorem. We investigate through simple models the reliability and the limits of the QTB and show that the QTB enables realistic simulations including NQE of condensed-phase systems, generating static and dynamic information such as pair correlation functions and vibrational spectra which can be confronted with experimental results. We show that the QTB is particularly successful in the study of the symmetrization of hydrogen bonds in several systems. Indeed, the difficulty lies in the identification of a precise transition pressure since this phase transition is often blurred by quantum or thermal fluctuations. In high-pressure ice, it depends on the oxygen-oxygen distance but it can be affected by ionic impurities and by the asymmetric environment of hydrogen bonds as in the delta phase of AlOOH. Moreover, by comparing results from QTB and standard ab initio simulations, we are able to disentangle the respective roles of NQE and thermal fluctuations in these phase transitions.; L’étude des effets quantiques nucléaires (NQE) suscite de plus en plus d’intérêt. En effet, les effets quantiques comme l’effet tunnel ou l’énergie de point zéro, peuvent profondément modifier les propriétés de matériaux constitués d'atomes légers comme l'hydrogène. Les méthodes standards de simulation des NQE sont basées sur les intégrales de chemin. Le bain thermique quantique (QTB) constitue une alternative à ces méthodes: le principe est que les degrés de liberté classiques du système obéissent à une équation de Langevin et sont couplés à des oscillateurs harmoniques quantiques. Dans l’équation de Langevin classique, la force aléatoire est un bruit blanc et le théorème de fluctuation-dissipation classique est vérifié; avec le QTB, le théorème de fluctuation-dissipation quantique est vérifié. Nous étudierons à travers des modèles simples la validité et les limites du QTB et montrerons qu'il permet de simuler des systèmes de la matière condensée en incluant les NQE en générant leurs propriétés structurales et dynamiques. Nous montrerons que le QTB est particulièrement adapté à l’étude de la symétrisation de liaisons hydrogènes et permet d'identifier précisément une pression de transition. Celle-ci dépend de la distance entre deux oxygènes voisins comme dans la glace sous haute pression, mais est modifiée par la présence d'impuretés ioniques ou par l'environnement atomique des liaisons hydrogènes comme dans la phase delta de AlOOH. De plus, en comparant des simulations classiques à des simulations QTB, nous pouvons identifier les rôles respectifs des effets quantiques et thermiques dans ces transitions de phase.

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.

The Protocol for the Analysis of Land Surface Models (PALS) Land Surface Model Benchmarking Evaluation Project (PLUMBER) illustrated the value of prescribing a priori performance targets in model intercomparisons. It showed that the performance of turbulent energy flux predictions from different land surface models, at a broad range of flux tower sites using common evaluation metrics, was on average worse than relatively simple empirical models. For sensible heat fluxes, all land surface models were outperformed by a linear regression against downward shortwave radiation. For latent heat flux, all land surface models were outperformed by a regression against downward shortwave radiation, surface air temperature, and relative humidity. These results are explored here in greater detail and possible causes are investigated. It is examined whether particular metrics or sites unduly influence the collated results, whether results change according to time-scale aggregation, and whether a lack of energy conservation in flux tower data gives the empirical models an unfair advantage in the intercomparison. It is demonstrated that energy conservation in the observational data is not responsible for these results. It is also shown that the partitioning between sensible and latent heat fluxes in LSMs, rather than the calculation of available energy, is the cause of the original findings. Finally, evidence is presented that suggests that the nature of this partitioning problem is likely shared among all contributing LSMs. While a single candidate explanation for why land surface models perform poorly relative to empirical benchmarks in PLUMBER could not be found, multiple possible explanations are excluded and guidance is provided on where future research should focus.

Although the basic mechanism of the proton transfer (PT) phenomenon in water has been envisaged in 1806, nowadays does not exist a detailed theoretical framework that envelop the protolysis process. This phenomenon is at the base of the operation of hydrogen batteries, as well as of many biological processes. Via the Car-Parrinello Molecular Dynamics (CPMD) technique and by means of the application of an electric field (EF), part of this thesis has been devoted to the detailed study of PT in two ice phases: ice Ih and its ferroelectric counterpart, ice XI. Several previously unknown mechanisms have been shown. As an example, the role played by the oxygens when a PT occurs and the contribution due to (dis)order in assisting this process [1,2]. The PT phenomenon is also at the base of the functioning of some methanol-based energy converters such as Nafion membranes. To the aim of disclosing the intimate nature of PT in liquid methanol, a series of CPMD simulations have been carried out by applying an external EF; the role played by the H-bond network have been also compared with the similar PT mechanism in water [3]. At field strengths higher than those leading to PT, several chemical reactions have been observed in this sample. By exploiting the conceptual Density Functional Theory framework, it has been possible to clarify the circumstances under which a given chemical reaction occurs. Moreover, in order to disclose the role played by the EF in assisting chemical reactions, the mechanism leading to the formation of formaldehyde and methane in the sample has been studied with metadynamics approaches in conjuction with the ab initio ones.; Malgré le mécanisme de base du transport protonique (PT) dans l'eau ait été proposé en 1806, à ce jour il n'existe pas de théorie complète qui décrive la protolyse. Ce phénomène est à la base du fonctionnement des batteries à hydrogène et de nombreux processus biologiques. Grâce à la technique de dynamique moléculaire Car-Parrinello (CPMD) et à l'aide de l'application d'un champ electrique (EF), une partie de cette thèse a été consacrée à l'étude du PT dans deux phase de la glace: la phase Ih et sa contrepartie ferroélectrique, la glace XI. Certains mécanismes ont été révélés: le rôle joué par les oxygènes lorsque se produit le PT et la contribution du (dés)ordre afin d'assister ce processus [1,2]. Le phénomène du PT est aussi à la base de nombreaux convertisseurs d'énergie constitués par le méthanol tels que le Direct Methanol Fuel Cells et les membranes Nafion. Afin de révéler la nature intime du PT dans le méthanol liquide, une série de simulations CPMD ont été menées sous l'effet d'un EF extérieur. De cette façon il a été possible de comparer le rôle joué par les liasons hydrogène afin d'assister le PT [3]. De plus, quand les intensités du champ sont plus élevées que celles qui donnent lieu au PT, certaines réactions chimiques ont été observées dans le même échantillon "numérique" du méthanol. En exploitant des paramètres typique de la "Théorie de la fonctionnelle de la densité conceptuelle", il a été possible de clarifier les conditions qui donnent lieu à ces réactions chimiques. Enfin, afin de quantifier la contribution du EF à la formation de méthane et de formaldéhyde dans le système, des simulations de métadynamique en conjonction à ceux ab initio ont été menées.

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 Regions are transforming, they constitute integrators of climate variability, providing visible signals of change, and yet, are also actors, intrinsically involved in global cooling through a number of feedback mechanisms. The observed changes alter the structure and functioning of many cryosphere ecosystems, and by extension that of the planet. Due to the extreme temperatures and the limited presence of liquid water, snow and ice have long been regarded simply as freezers that entrap and store microorganisms in a vegetative state and therefore, the microbial ecology of the cryosphere has been largely overlooked. This manuscript presents our research on the role of microorganisms in the functioning of environmental ices, highlighting the links between their biotic and abiotic components. Our work focuses on observations of snow and ice in the Arctic and explores the biodiversity, the microbial population dynamics and influence of microorganisms on biogeochemical cycling, in addition to their interactions with their physical and chemical environment. Through these studies, we have challenged the view of snow and ice as freezers and have shown that they should be considered as ecosystems., Les milieux polaires constituent des environnements en pleine évolution, le pôle arctique subissant, non seulement, fortement le dérèglement climatique, mais y participant activement par effet levier. Ces dérèglements amènent des changements à l’échelle de la planète altérant profondément la structure et le fonctionnement de nombreux écosystèmes. En raison des conditions extrêmes de température et de la présence restreinte d’eau liquide, la neige et la glace ont longtemps été considérées simplement comme des pièges à microorganismes, au mieux conservés dans un état végétatif après avoir été transportés dans l’atmosphère par des particules minérales. La diversité des microorganismes de la cryosphère, leur structuration en communautés microbiennes et les fonctions qu’ils pouvaient être amenés à exprimer au sein même de ces écosystèmes ont été longtemps sous-estimés et donc inexplorés. Ce manuscrit présente notre approche d’étude du rôle des microorganismes dans le fonctionnement des glaces environnementales, mettant en avant les liens entre les mondes biotique et abiotique. Nos travaux portent sur des observations de la neige et de la glace en Arctique, la biodiversité, la dynamique des populations microbiennes, l’influence des microorganismes sur les cycles biogéochimiques ainsi que leurs interactions avec les composantes physico-chimiques des environnements glacés. Nous montrons à travers ces études, qu’il est désormais nécessaire d’aborder le manteau neigeux et les glaces comme des écosystèmes à part entière.

Source at https://doi.org/10.1139/as-2016-0023. Accepted manuscript version, licensed CC BY-NC-ND 4.0. The change of water phase around 0 °C has considerable impacts on wildlife ecology because liquid and solid water strongly differ in their insulating capability, mechanical resistance, and light reflectance. Freeze and melt events thus have strong ecological relevance, particularly in the Arctic where snow and ice are omnipresent and their conditions are changing due to climate warming. We first review the mechanisms linking water phase transitions to wildlife ecology, with emphasis on seven key processes. These processes are illustrated with examples or detailed case studies, such as snowmelt and icing events affecting herbivore populations, thaw-induced collapse of structures used by wildlife for reproduction, and thermal erosion of ice wedges reducing waterfowl habitat. We infer that water phase transitions generate some critical places and critical times that play a disproportionate role in the ecology of tundra wildlife. We map these critical places and times to help structure future research on the effects of climate change on tundra wildlife in a context where changing permafrost and snow conditions might trigger abrupt ecological responses in the Arctic tundra. Le changement de phase de l’eau autour de 0 °C a des impacts considérables sur l’écologie de la faune parce que l’eau liquide et l’eau solide diffèrent fortement dans leur capacité d’isolation, leur résistance mécanique et leur réflectance à la lumière. Les événements de gel et de dégel ont ainsi une grande pertinence écologique, particulièrement dans l’Arctique où la neige et la glace sont omniprésentes et leurs conditions changent en raison du réchauffement climatique. Nous passons d’abord en revue les mécanismes liant les transitions de phase de l’eau à l’écologie de la faune, l’accent étant mis sur sept processus clés. Ces processus sont illustrés par des exemples ou des études de cas détaillées, tels que des événements de fonte des neiges et de gel ayant un effet sur les populations herbivores, l’écroulement provoqué par le dégel des structures utilisées par la faune pour la reproduction et l’érosion thermique des fentes de glace réduisant l’habitat du gibier d’eau. Nous déduisons que ces transitions de phase de l’eau produisent quelques endroits critiques et temps critiques qui jouent un rôle disproportionné dans l’écologie de la faune de la toundra. Nous dressons la carte de ces endroits et temps critiques afin d’aider à structurer la recherche future sur les effets du changement climatique sur la faune de la toundra, dans un contexte où les conditions changeantes du pergélisol et de la neige pourraient déclencher des réponses écologiques brusques dans la toundra arctique.

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.

The study of amorphous and crystalline phases of solutions gives essential insight on the behaviour of water under conditions relevant for biology and planetary science. The aim of this work is the exploration of the phase diagram of common electrolyte solutions (LiCl-water, NaCl-water) under pressure and temperature conditions (from 77 K to 330 K and up to 5 GPa) relevant for icy bodies such as Europe and Ganymede. In experiments and simulations we search for crystalline phases of ice at high-pressure, which can contain considerable amounts of salt in their lattice (up to 10 % of by weight). We probe the existence of these salty ices, and characterize two exotic, pressure induced properties, polyamorphism and ionic inclusions in the ice lattice. We have produced highly concentrated amorphous solutions of NaCl in water by fast quenching to liquid nitrogen temperature. Our neutron and X-ray diffraction experiments show that the local structure of this amorphous solution at ambient pressure is very similar to the high density amorphous structure of pure water. Our high-pressure experiments with the Paris-Edinburgh cell and our classical Molecular Dynamics calculations show only smooth structure and density changes during compression up to 4 GPa. We discuss the possibility of salt (NaCl) inclusions in the ice VII lattice at high pressure in our experiments by complementary calculations based on Density Functional Theory. The ice VII which crystallized in our experiments is either pure ice, or it contains only a small fraction of the ions from the solution. It may be possible that ions can be included in larger quantities at higher pressures.; L’étude des phases amorphes et cristallines de solutions permet est d'un fort intérêt pour la biologie et la planétologie. Le but de cette thèse est l’exploration du diagramme de phase des solutions d’électrolytes (LiCl et NaCl dans l’eau) sous des conditions de pression et température typiques des corps glacés tels Europe et Ganymède (de 77 à 300 K et jusqu’à 5 GPa). Nous avons étudié des phases de glaces amorphes et cristallines pouvant incorporer des quantités considérables de sel (jusqu’à 10 % de masse de sel). En outre de la mise en évidence de phases de glace salées, nous avons caractérisé deux propriétés exotiques induites sous pression, à savoir le polyamorphisme et l’inclusion des ions dans le réseau de la glace. Nous avons produit des échantillons de phase amorphe de solutions de NaCl dans l’eau par trempe rapide à 77 Kelvin. Nos expériences de diffraction de neutron et de rayons X montrent que la structure locale de cette phase amorphe est très similaire de celle de la phase haute densité de l’eau pure. Nos expériences haute pression avec la presse Paris-Edinbourg et nos calculs de dynamique moléculaire montrent que la densité et la structure évoluent de manière continue en compression jusqu’à 4 GPa. La possibilité d’inclusion du sel (NaCl) dans le réseau de la glace VII sous pression dans nos expériences est analysée en comparaison avec des simulations utilisant la théorie de la densité fonctionnelle. La glace VII qui cristallise dans nos expériences est soit pure, soit elle contient une fraction faible des ions de la solution mère. Il est possible que des quantités de sel plus grandes puissent être incorporées à des pressions plus élevées.

24ième Congrès International du Froid ICR 2015, Yokohama, JPN, 16-/08/2015 - 22/08/2015; International audience; In this work, a technique capable to distinguish between ice crystals and air bubbles in sorbets was developed in order to characterize the effect of operating conditions on their size distributions at the exit of the freezer. A pilot freezer was used to crystallize and aerate a commercial lemon sorbet mix. Crystals and bubbles sizes were measured using a light microscope technique under low temperature in a refrigerated glove box developed in the lab for that purpose. Results showed that the developed microscope technique allowed to distinguish them and to quantify their size distributions. Measurements showed that ice crystals size decreases with air flow rate while air bubbles size increases. The latter also increases with the cylinder pressure inside the scraped surface heat exchanger (SSHE).

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.

Ce document présente une synthèse de mes activités de recherche depuis la soutenance de ma thèse en 1999. L'activité rapportée ici est celle d'un ingénieur de recherche, et donc s'est déroulée en parallèle d'une activité ``technique'' comprenant des taches d'instrumentation en laboratoire, d'instrumentation de plateformes en montagne, de raids scientifiques sur les calottes polaires, d'élaboration de projets scientifiques, d'organisation d'équipes ou d'ordre administratif. Je suis Ingénieur de recherche CNRS depuis 2004 affecté au laboratoire Gipsa-lab, une unité mixte de recherche du CNRS, de Grenoble-INP, de l'université Joseph Fourier et de l'université Stendhal. Ce laboratoire (d'environ 400 personnes), conventionné avec l'INRIA, l'Observatoire de Grenoble et l'université Pierre Mendès France, est pluridisciplinaire et développe des recherches fondamentales et finalisées sur les signaux et les systèmes complexes.}Lors de la préparation de ma thèse (mi-temps 1995-99) au LGGE, je me suis intéressé au traitement des images de microstructures de la neige, du névé et de la glace. C'est assez naturellement que j'ai rejoint le laboratoire LIS devenu Gipsa-lab pour y développer des activités de traitement des images Radar à Synthèse d'Ouverture (RSO) appliqué aux milieux naturels neige, glace et glaciers. Etant le premier à générer un interférogramme différentiel des glaciers des Alpes, j'ai continué à travailler sur la phase interférométrique pour extraire des informations de déplacement et valider ces méthodes sur le glacier d'Argentière (massif du Mont-Blanc) qui présente l'énorme avantage de se déplacer de quelques centimètres par jour. Ces activités m'ont amené à développer, en collaboration avec les laboratoires LISTIC, LTCI et IETR, des méthodes plus générales pour extraire des informations dans les images RSO.Ma formation initiale en électronique, puis de doctorat en physique m'ont amené à mettre à profit mes connaissances en traitement d'images et des signaux, en électromagnétisme, en calcul numérique, en informatique et en physique de la neige et de la glace pour étudier les problèmes de traitement des images RSO appliqués à la glace, aux glaciers et à la neige.

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.

Dans une première partie, l'auteur fait une revue des définitions et des classifications existantes du pied de glace, montrant que la notion de pied de glace est imprécise, souvent ambiguë et diffère fréquemment d'un auteur à l'autre. Dans la seconde, il définit et décrit le pied de glace dans l'estuaire du Saint-Laurent en distinguant deux grands types de pied de glace : celui de haut et de bas estran. Il souligne aussi son rôle protecteur et morpho-sedimentologique., In the first part, a review of the existing definitions and classification of the icefoot is made, showing that the icefoot notion is inaccurate, often ambiguous and not the same for everyone. In the second part, a definition and a description of the icefoot in the St. Lawrence Estuary are offered. Two main types of icefoot are distinguished : the upper and the lower strand icefoot. The protective and the morpho-sedimentological role of this feature is also emphasized.

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.