Tesis sobre el tema "Pompes à carbone"

Ce travail concerne l'étude expérimentale et la modélisation d'une pompe à chaleur air/eau fonctionnant au gaz carbonique. L'étude expérimentale est réalisée sur un banc d'essais instrumenté (mesures de températures, pressions, débits, puissance) pour permettre de caractériser le fonctionnement de ces installations en régime statique et dynamique. Le modèle en régime statique est développé pour permettre, après validation, la détermination des conditions optimales de fonctionnement pour différentes sollicitations externes. Une loi simplifiée régissant la variation de la pression optimale de refoulement en fonction des conditions opératoires est déduite des calculs issus de ce modèle. Le modèle dynamique est basé sur les équations de conservation de la masse et de l'énergie. Il prend en compte l'inertie thermique du compresseur, des parois des échangeurs, du CO2 et du fluide caloporteur. La confrontation entre les résultats du calcul et ceux obtenus sur le banc d'essais met en évidence une bonne concordance. Cette modélisation a permis de simuler la variation des paramètres de fonctionnement de l'installation à la suite de sollicitations réalisées sur les variables d'entrée : température des sources, ouverture de la vanne de détente et vitesse de compresseur. En particulier, on note une bonne représentation des démarrages avec passage d'un fonctionnement sous-critique à un cycle transcritique
This work concerns an experimental study and modelling of an air/water beat pump using carbon dioxide as a working fluid. The experimental study is carried out on an instrumented test setup (pressure, temperature, flow end power measurements) to characterize the operation of this type of installation in static and dynamic mode. The static model was developed an validated. It allows to determine the optimal conditions of operation for various external conditions. Thus, a simplified law governing the optimal high pressure according to the gas cooler outlet temperature is deduced from the calculations. The dynamic model is based on the equations of mass and energy conservation. It takes into account the thermal inertia on the compressor, the exchanger' s walls, the refrigerant (carbon dioxide) and the coolant (water). Comparison between modelling results and those obtained with the test stand gives a good agreement. Thanks to this model, it is possible to record the operating variables versus time and space after changing the input parameters such as sources temperatures, expansion valve opening and compressor rotating speed. In particular, we notice a good representation of starting process with a transition from subcritical to transcritical cycle

L'IFPEN (Institut Français du Pétrole-Énergies Nouvelles) développe, depuis les années 80, un type de pompe polyphasique rotodynamique axiale pour le transport de pétrole brut et de gaz naturel utilisant une seule et même tuyauterie de production. S'agissant maintenant d'une technologie mature et commercialisée par des sociétés licenciées, IFPEN souhaite désormais étendre le domaine d'application de ces pompes polyphasiques dites de type "Poséidon" au conditionnement et au transport du CO2 en vue de son injection dans les aquifères salins profonds ou dans des réservoirs épuisés. Comme toutes les pompes ou les compresseurs, on caractérise le fonctionnement de ces pompes par des courbes qui donnent, en fonction du débit, une élévation de pression et un rendement pour une vitesse de rotation donnée. Dans le cas de pompes diphasiques, on associe généralement un paramètre supplémentaire que l'on appelle "efficacité diphasique". L'IFPEN définit l'efficacité diphasique comme le rapport du gain de pression réel de la pompe et du gain de pression idéal c'est-à-dire l'augmentation de la pression que subirait un fluide considéré comme homogène avec une masse volumique équivalente à celle d'un mélange diphasique connu. Ce paramètre supplémentaire est supposé quantifier la dégradation du gain de pression liée à la présence de gaz à la traversée de la pompe. La littérature montre que la dégradation des performances est liée à une accumulation de la phase dispersée dans une zone bien précise des canaux des rotors. La physique des phénomènes mis en jeu est relativement bien décrite et il est admis que les paramètres essentiels qui interviennent sur les dégradations sont liés à la taille des particules de gaz et à la force de traînée qui s'exerce sur elles. Compte tenu des équilibres des forces qui régissent les écoulements, les évolutions des bulles de gaz sont différentes en machines radiales de celles des machines axiales. Différents travaux portent sur la modélisation de ces écoulements utilisant des simulations numériques 3D surtout dans les machines radiales. Ils visent généralement à vérifier le comportement des bulles dans les canaux entre les aubes. Aucun d'entre eux cependant ne donne une évaluation de la dégradation des performances de la pompe, et même si des tentatives existent, elles ne s'appliquent qu'au point nominal de fonctionnement et pour des très faibles taux de gaz. L'objectif de notre étude est d'apporter un éclairage nouveau sur les évolutions de l'efficacité diphasique d'une pompe diphasique, en particulier en fonction de ses paramètres géométriques globaux, des paramètres physiques des fluides en présence, en particulier du CO2, et des conditions opératoires à l'entrée de la pompe. Pour ce faire, il est nécessaire de bien cerner les mécanismes responsables de la dégradation des performances des pompes poly-phasiques. Nous sommes parti du principe que l'efficacité diphasique traduisait à la fois une hétérogénéité du mélange liquide / gaz et une modification de l'écoulement au voisinage du bord de fuite des étages de la pompe sous l'effet de glissement entre la phase continue et la phase dispersée. L'objectif de nos travaux est d'apporter une contribution à la quantification de ces effets et en particulier ceux qui proviennent des modifications angulaires des écoulements au bord de fuite des aubages des roues de pompes.

L'océan est connu pour jouer un rôle clé dans le cycle du carbone. Sans lui, les niveaux de CO2 atmosphérique seraient bien plus élevés qu'aujourd'hui grâce à la présence de pompes à carbone qui maintiennent un gradient de carbone inorganique dissous (DIC) entre la surface et le fond de l'océan. La pompe à carbone biologique (BCP) est principalement responsable de ce gradient. Elle consiste en une série de processus océaniques au cours desquels le carbone inorganique est converti en matière organique via la photosynthèse dans les eaux de surface, puis transporté vers l'intérieur de l'océan et éventuellement les sédiments où il sera séquestré par rapport à l'atmosphère pour des millions d'années. La BCP était longtemps considérée comme étant uniquement la déposition gravitationnelle de carbone organique particulaire (POC). Cependant, un nouveau paradigme pour la BCP a récemment été défini dans lequel des pompes d’origine physique et biologique d'injection de particules ont été ajoutées à la définition originale. Les pompes physiques d'injection de particules fournissent un moyen de mieux comprendre le transport de carbone organique dissous (DOC), tandis que les pompes biologique d'injection de particules se concentrent sur le transport de POC par des animaux migrant verticalement, quotidiennement ou saisonnièrement. Par conséquent, une meilleure compréhension de ces processus pourrait aider à combler l'écart entre le carbone quittant la surface et la demande de carbone dans l'océan profond. Pour aborder ce nouveau paradigme, ce travail bénéficiera de l'arrivée de capteurs récents équipant une nouvelle génération de flotteurs Biogéochimiques-Argo (BGC-Argo). La première partie se concentre sur le développement d'un modèle embarqué de classification de zooplancton pour l’Underwater Vision Profiler 6 (UVP6) avec des contraintes techniques et énergétiques strictes. La deuxième partie étudie les flux de particules et de carbone dans la mer du Labrador en utilisant des flotteurs BGC-Argo équipés pour la première fois de l'UVP6 et d'un piège à sédiments optique (OST), fournissant deux mesures indépendantes des particules. La dernière partie consiste à revisiter la BCP en utilisant un nouveau cadre appelé CONVERSE qui fait référence à la séquestration verticale continue du carbone dans la colonne d'eau. Avec cette nouvelle approche, nous réévaluons le carbone total séquestré par rapport à l'atmosphère (> 100 ans) par la BCP et ses voies de transport sur toute la colonne d'eau, par opposition à la séquestration de carbone généralement supposée en-dessous d'une profondeur de référence fixe
The ocean is known to play a key role in the carbon cycle. Without it, atmospheric CO2 levels would be much higher than what they are today thanks to the presence of carbon pumps that maintain a gradient of dissolved inorganic carbon (DIC) between the surface and the deep ocean. The biological carbon pump (BCP) is primarily responsible for this gradient. It consists in a series of ocean processes through which inorganic carbon is fixed as organic matter by photosynthesis in sunlit surface waters and then transported to the ocean interior and possibly the sediment where it will be sequestered from the atmosphere for millions of years. The BCP was long thought as solely the gravitational settling of particulate organic carbon (POC). However, a new paradigm for the BCP has recently been defined in which physically and biologically mediated particle injection pumps have been added to the original definition. Physically mediated particle injection pumps provide a pathway to better understand the transport of dissolved organic carbon (DOC) whereas biologically mediated particle injection pumps focus on the transport of POC by vertically migrating animals, either daily or seasonally. Therefore, a better understanding of these processes could help bridge the gap between carbon leaving the surface and carbon demand in the ocean interior. To address this new paradigm, this work will benefit from the advent of recent sensors that equip a new generation of Biogeochemical-Argo floats (BGC-Argo). The first part focuses on the development of an embedded zooplankton classification model for the Underwater Vision Profiler 6 (UVP6) under strict technical and energy constraints. The second part studies particle and carbon fluxes in the Labrador Sea using BGC-Argo floats equipped for the first time with the UVP6 and an optical sediment trap (OST), providing two independent measurements of sinking particles. The last part consists in revisiting the BCP using a new framework called CONVERSE for Continuous Vertical Sequestration. With this new approach, we re-evaluate the total carbon sequestered from the atmosphere (> 100 years) by the BCP and its transport pathways on the entire water column, in contrast to the carbon sequestration typically assumed below a fixed reference depth

L’objectif principal de cette thèse est de mieux comprendre les différents facteurs contrôlant la pompe biologique de carbone en Atlantique Nord et dans l’Océan Austral, à proximité des îles Kerguelen, en utilisant notamment deux approches: le Thorium-234 (234Th) et le baryum biogénique (Baxs).En Atlantique Nord, les flux d’export de carbone organique particulaire (POC) augmentent lorsqu’ils sont associés à des minéraux biogéniques (silice biogénique et carbonate de calcium) et lithogènes, capable de lester les particules. L’efficacité d’export, généralement plus faible que précédemment supposé (< 10%), est inversement corrélée à la production, soulignant un décalage temporel entre production et export. La plus forte efficacité de transfert, i.e. la fraction de POC atteignant 400m, est reliée à des particules lestées par du carbonate de calcium ou des minéraux lithogènes.Les flux de reminéralisation mésopélagique sont similaires ou parfois supérieurs aux flux d’exports et dépendent de l’intensité du développement phytoplanctonique, de la structure en taille, des communautés phytoplanctoniques et des processus physiques (advection verticale).Comme observé pour le POC, l’export des éléments traces est influencé par les particules lithogènes provenant des marges océaniques, mais aussi des différentes espèces phytoplanctoniques.Dans l’Océan Austral, la zone à proximité de l’île de Kerguelen est naturellement fertilisée en fer, augmentant les flux d’export de fer, d’azote et de silice biogénique. Il a été démontré que la variabilité des flux dépendait des communautés phytoplanctoniques dans la zone fertilisée
The main objective of this thesis is to improve our understanding of the different controls that affect the oceanic biological carbon pump. Particulate export and remineralization fluxes were investigated using the thorium-234 (234Th) and biogenic barium (Baxs) proxies.In the North Atlantic, the highest particulate organic carbon (POC) export fluxes were associated to biogenic (biogenic silica or calcium carbonate) and lithogenic minerals, ballasting the particles.Export efficiency was generally low (< 10%) and inversely related to primary production, highlighting a phase lag between production and export. The highest transfer efficiencies, i.e. the fraction of POC that reached 400m, were driven by sinking particles ballasted by calcite or lithogenic minerals.The regional variation of mesopelagic remineralization was attributed to changes in bloom intensity, phytoplankton cell size, community structure and physical forcing (downwelling). Carbon remineralization balanced, or even exceeded, POC export, highlighting the impact of mesopelagic remineralization on the biological pump with a near-zero, deep carbon sequestration for spring 2014.Export of trace metals appeared strongly influenced by lithogenic material advected from the margins. However, at open ocean stations not influenced by lithogenic matter, trace metal export rather depended on phytoplankton activity and biomass.A last part of this work focused on export of biogenic silica, particulate nitrogen and iron near the Kerguelen Island. This area is characterized by a natural iron-fertilization that increases export fluxes. Inside the fertilized area, flux variability is related to phytoplankton community composition

Cette étude consiste en l’expérimentation de mélanges de fluides frigorigènes à base de CO2 dans les applications de pompes à chaleur domestiques. L’objectif est l’obtention de performances supérieures à une pompe à chaleur au CO2 double-service (eau chaude sanitaire et chauffage). L’ajout d’autres composés au CO2 déplace le point critique et de façon plus générale modifie les lignes d’équilibre de phases. On peut alors s’attendre à la réduction des pressions de fonctionnement et à une augmentation du rendement énergétique du cycle thermodynamique. Une pompe à chaleur mono-étagée au CO2 est utilisée comme référence, et les conditions de température externes à la boucle thermodynamique sont invariantes. Deux scénarii sont considérés : La production d’eau chaude sanitaire (ECS), où l’eau est chauffée de 10 °C à 65 °C ; la production d’eau de chauffage (CH) où l’au est chauffée de 30 °C à 35 °C. Dans les deux cas, l’eau glycolée en l’entrée de l’évaporateur est régulée à 7 °C. Afin de pouvoir analyser le comportement des cycles thermodynamiques avec mélanges, il est essentiel de connaitre la composition du fluide frigorigène en circulation. Pour ce faire, nous avons mis au point une technique de mesure statistique et non-intrusive de la composition: Des cellules optiques installées sur les tubes de la boucle permettent de recueillir les spectres d’absorption du fluide en circulation, grâce à un spectromètre proche infrarouge à transformée de Fourier. Un étalonnage méticuleux est effectué via l’acquisition de nombreux spectres d’échantillons ayant des compositions connues. Un modèle statistique est alors créé pour lier les concentrations aux données spectrales. Les compositions peuvent ensuite être estimées à partir de nouveau spectres, dont l’acquisition rapide permet l’analyse de la composition du fluide même en fonctionnement dynamique de la pompe à chaleur. Des mélanges de CO2 & propane, et CO2 & R-1234yf ont été testés, montrant des potentiels d’amélioration des performances de la pompe à chaleur pour les applications de chauffage des locaux
The aim of this work is to experiment CO2 based mixtures as working fluids for heat pump applications in buildings, in order to enhance their performances compared to pure CO2 dual services heat pumps. Since adding other chemicals to CO2 moves the critical point and generally equilibrium lines, it is expected that lower operating pressures as well as higher global efficiencies can be reached. A simple stage pure CO2 cycle is used as reference, with fixed external conditions. Two scenarios are considered: water is heated from 10 °C to 65 °C for Domestic Hot Water (DHW) scenario and from 30 °C to 35 °C for Central Heating (CH) scenario. In both cases, water at the evaporator inlet is set at 7 °C to account for such outdoor temperature conditions. In order to understand the dynamic behaviour of thermodynamic cycles with mixtures, it is essential to measure the fluid circulating composition. To this end, we have developed a non intrusive method. Online optical flow cells allow the recording of infrared spectra by means of a Fourier Transform Infra Red spectrometer. A careful calibration is performed by measuring a statistically significant number of spectra for samples of known composition. Then, a statistical model is constructed to relate spectra to compositions. After calibration, compositions are obtained by recording the spectrum in few seconds, thus allowing for a dynamic analysis. Mixtures of CO2 & propane and CO2 & R-1234yf have been tested and showed great potential on enhancing performances of the heat pump for central heating applications

La pompe à carbone biologique (PCB) joue un rôle central dans le cycle global du carbone océanique, en transportant le carbone de la surface vers les profondeurs et en le séquestrant pendant de longues périodes. Ce travail vise à analyser deux acteurs clés de la PCB : le zooplancton et les particules. Pour cela, nous utilisons les données d'imagerie in situ de l'Underwater Vision Profiler (UVP5) pour étudier deux axes principaux : 1) la distribution globale de la biomasse du zooplancton et 2) l'exportation de carbone dans le contexte d'une efflorescence printanière dans l'Atlantique Nord. À l'aide de l'UVP5 et de l'apprentissage automatique par le biais de modèles d'habitat utilisant des arbres de régression boostés, nous étudions la distribution mondiale de la biomasse du zooplancton et ses implications écologiques. Les résultats montrent des valeurs maximales de biomasse autour de 60°N et 55°S et des valeurs minimales au niveau des gyres océaniques, avec une biomasse globale dominée par les crustacés et les rhizaires. En utilisant des techniques d'apprentissage automatique sur des données globalement homogènes, cette étude fournit des informations sur la distribution de 19 grands groupes de zooplancton (1-50 mm de diamètre sphérique équivalent). Ce premier protocole permet d'estimer la biomasse du zooplancton et la composition de la communauté à l'échelle globale à partir d'observations d'imagerie in situ d'organismes individuels. Dans le contexte unique de la campagne EXPORTS 2021, nous analysons les données UVP5 obtenues par le déploiement de trois instruments dans un tourbillon à forte rétention. Après avoir regroupé les 1 720 914 images à l'aide de Morphocluster, un logiciel de classification semi-autonome, nous nous intéressons aux caractéristiques des particules marines, en étudiant leur morphologie à travers un cadre oblique qui suit un panache de particules entre la surface et 800 m. Les résultats montrent que, contrairement aux attentes, les agrégats deviennent de manière inattendue plus grands, plus denses, plus circulaires et plus complexes avec la profondeur. En revanche, l'évolution des pelottes fécales est plus hétérogène et façonnée par l'activité du zooplancton. Ces résultats remettent en question les attentes antérieures et appellent à une réévaluation de notre vision des agrégats et des pelottes fécales. Nous avons également étudié la dynamique des concentrations et des flux de carbone à l'aide d'un cadre 1D plus traditionnel dans lequel nous explorons les trois éléments clés de l'estimation des flux à partir d'imagerie in situ en comparant les estimations de l'UVP5 et des pièges à sédiments: la gamme de tailles couvertes, la vitesse de sédimentation et le contenu en carbone. Selon la littérature, les pièges à sédiments à flottabilité neutre (NBST) et les pièges attachés à la surface (STT) couvrent généralement une gamme de tailles allant de 10 µm à environ 2 mm. Dans notre étude, nous avons constaté qu'en élargissant la gamme de tailles de l'UVP5 à 10 µm et en la limitant à 2 mm, une comparaison plus consistante peut être faite entre le flux issu de l'UVP5 et celui des pièges à sédiments (obtenus par des collègues). Toutefois, il reste une contribution importante du flux au-dessus de ce seuil de taille qui nécessite une étude plus approfondie de ses implications par l'utilisation d'approches complémentaires telles que des pièges à sédiments avec des ouvertures plus grandes. Ce manuscrit ne fait pas seulement progresser nos connaissances, mais il aborde également des défis critiques dans l'estimation de la biomasse du zooplancton et de la dynamique des particules pendant les événements d'export. Les résultats de cette étude ouvrent de nouvelles voies pour la recherche future sur la PCB et approfondissent notre compréhension des écosystèmes marins
The biological carbon pump (BCP) plays a central role in the global ocean carbon cycle, transporting carbon from the surface to the deep ocean and sequestering it for long periods. This work aims to analyse two key players of the BCP: zooplankton and particles. To this end, we use in situ imaging data from the Underwater Vision Profiler (UVP5) to investigate two primary axes: 1) the global distribution of zooplankton biomass and 2) carbon export in the context of a North Atlantic spring bloom. Our objectives includes a quantification of global zooplankton biomass, enhancing our comprehension of the BCP via morphological analysis of particles, and assessing and comparing the gravitational flux of detrital particles during a the North Atlantic spring bloom using high-resolution UVP5 data. With the help of UVP5 imagery and machine learning through habitat models using boosted regression trees, we investigate the global distribution of zooplankton biomass and its ecological implications. The results show maximum zooplankton biomass values around 60°N and 55°S and minimum values within the oceanic gyres, with a global biomass dominated by crustaceans and rhizarians. By employing machine learning techniques on globally homogeneous data, this study provides taxonomical insights into the distribution of 19 large zooplankton groups (1-50 mm equivalent spherical diameter). This first protocol estimates global, spatially resolved zooplankton biomass and community composition from in situ imaging observations of individual organisms. In addition, within the unique context of the EXPORTS 2021 campaign, we analyse UVP5 data obtained by deploying three instruments in a highly retentive eddy. After clustering the 1,720,914 images using Morphocluster, a semi-autonomous classification software, we delve into the characteristics of the marine particles, studying their morphology through an oblique framework that follows a plume of detrital particles between the surface and 800 m depth. The results of the plume following approach show that, contrary to expectations, aggregates become unexpectedly larger, denser, more circular and more complex with depth. In contrast, the evolution of fecal pellets is more heterogeneous and shaped by zooplankton activity. Such results challenge previous expectations and may require a reassessment of our view of sinking aggregates and fecal pellets. We also studied concentration and carbon flux dynamics using a more traditional 1D framework where we explore the three key elements in flux estimation from in situ imaging data by comparing UVP5 and sediment trap flux estimates: size range covered, sinking rate and carbon content. According to the current literature, neutrally buoyant sediment traps (NBST) and surface-tethered traps (STT) usually cover a size range from 10 µm to approximately 2 mm. In our study, we have found that by expanding the UVP size range to 10 µm and limiting it to 2 mm, a more consistent comparison can be made between UVP5-generated flux and sediment trap fluxes (obtained by colleagues). However, it is worth noting that there remains a large flux contribution above this size threshold, necessitating further investigation of its implications through the use of complementary approaches such as the use of sediment traps with larger openings. This manuscript not only advances our knowledge, but also addresses critical challenges in estimating zooplankton biomass and particle dynamics during export events. The findings of this study open up new avenues for future research on the biological carbon pump and deepen our understanding of marine ecosystems

La pompe à carbone biologique comprend la production primaire de matière organique dans la zone euphotique, son export vers les profondeurs et sa reminéralisation. Les acteurs les plus fréquemment cités sont les diatomées en raison de leur contribution à la production primaire et à l’export de carbone et les copépodes pour la production de pelotes fécales. Cependant, la pompe biologique est le résultat d'interactions complexes entre organismes plutôt que de leurs actions indépendantes. En outre, bien qu'il ait été montré que la distribution de taille et la composition minérale du phytoplancton en surface ont une influence significative sur l'intensité de l'export de carbone, on ne sait pas si les données méta-omiques peuvent prédire efficacement les processus de la pompe à carbone biologique. Dans cette thèse, je propose d’abord de revisiter l’étude de la pompe à carbone biologique dans l’océan oligotrophe en définissant des états biogéochimiques de l’océan sur la base de la contribution relative de la production primaire, de l’export de carbone et de l’atténuation du flux dans les stations d’échantillonnage Tara Océans. L'analyse des états en termes de composition et d'interactions microbiennes inférées à partir de données de métabarcoding a révélé que les associations plutôt que la composition microbienne semblent caractériser les états de la pompe à carbone biologique. Ensuite, en utilisant les données méta-omiques et environnementales des expéditions Tara Oceans, je propose pour la première fois de prédire ces états biogéochimiques à partir d'abondances biologiques dérivées d'ADN environnemental, dans l'objectif de fournir une liste de biomarqueurs
The biological carbon pump encompasses a series of processes including the primary production of organic matter in the surface ocean, its export to deeper waters and its remineralization. The common highlighted actors are diatoms because of their contribution to primary production and carbon export and copepods for their production of fecal pellets. However, the biological pump is the result of complex interactions among organisms rather than their independent actions. Besides, although size distribution and mineral composition of phytoplankton in surface was shown to significantly influence the strength of carbon export, it is unknown whether meta-omic data can efficiently predict the processes of the biological carbon pump. In this thesis, I first propose to revisit the study of the biological carbon pump in the oligotrophic ocean by defining biogeochemical states of the ocean based on the relative contribution of primary production, carbon export and flux attenuation in Tara Oceans sampling stations. The analysis of the states in terms of microbial composition and interactions inferred from metabarcoding data revealed that variation in associations rather than lineages presence seems to drive the states of the biological carbon pump. Then, by using meta-omics and environmental parameters from the Tara Oceans expeditions, I propose the first study trying to predict biogeochemical states from biological abundances derived from environmental DNA, with the goal of providing a list of biomarkers

Les cycles océaniques du carbone et des principaux nutriments sont mal connus car ils sont affectés par de nombreux puits et sources physiques, chimiques ou biologiques difficiles à estimer par des mesures directes. Une manière de mieux contraindre ces processus importants est d’utiliser l’information contenue dans des traceurs plus simples : les proxies. Le radium 228 (228Ra), émis par les plateaux continentaux, est utilisé comme proxy des flux d’eau et d’éléments minéraux de la côte vers l’océan ouvert. Il permet en particulier d’estimer les flux d’eau souterraine ou SGDs (Submarine Groundwater Discharge). Le thorium 234(234Th), insoluble, permet quant à lui de contraindre la dynamique des particules par lesquelles il est adsorbé. Il est régulièrement utilisé pour estimer la pompe biologique du carbone (PBC), c’est-à-dire le flux de carbone de la surface vers l’océan profond.Au cours de cette thèse, un modèle numérique à une résolution de 2° a été construit pour chacun de ces deux radio-isotopes, en s’appuyant sur la circulation du modèle NEMO-OPA et les champs de particules du modèle PISCES. Plusieurs paramètres inconnus des modèles ont été contraints par des observations dans le cadre d’une méthode inverse.La modélisation inverse du 228Ra a permis d’estimer les flux de 228Ra venant de 38 régions côtières. En revanche, l’estimation des SGDs est imprécise, car les SGDs sont difficiles à distinguer d’une autre source de 228Ra: la diffusion par les sédiments.La modélisation inverse du 234Th a permis d’estimer les coefficients de partage du 234Th, qui représentent l’affinité de différents types de particules pour cet isotope. Elle a aussi permis d’estimer les erreurs associées à quelques simplifications courantes dans les études de la PBC fondées sur le 234Th
The oceanic cycles of carbon and the main nutrients are poorly known since they are affected by many physical, chemical or biological sources and sinks that are difficult to estimate by direct measurements.One way to better constrain these important processes is to use the information contained in more simple tracers called "proxies". As radium 228 (228Ra) flows from the continental shelves, it is used as a proxy of water and mineral elements fluxes from the coast to the open ocean. In particular, it is often used to estimate the SGD (Submarine Groundwater Discharge). For its part, thorium 234 (234Th), an insoluble radio-isotope, is used to constrain the dynamics of the solid particles onto which it is adsorbed. The carbon flux from the surface to the deep ocean, called "biological carbon pump" (BCP), is often estimated by a 234Th-based method.During this PhD, a numerical model with a resolution of 2°, based on the circulation of the NEMO-OPA model and the particle fields of the PISCES model, was built for each of the two radioisotopes.Several unknown model parameters were constrained by observations using an inverse technique.The inverse modeling of 228Ra was used to constrain 228Ra fluxes from 38 coastal regions.However, the SGD fluxes are poorly constrained by this method, because SGD can be confused with another source of 228Ra: diffusion from sediments.The inverse modeling of 234Th produced estimates of partition coefficients, representing the affinity of different particle types for this isotope. It was also used to estimate the errors associated with some common simplifications made in 234Th-based BCP studies

L'Océan est un acteur majeur du climat en échangeant avec l'atmosphère de grandes quantités de carbone. Le carbone atmosphérique est fixé à la surface de l’océan par le phytoplancton qui le transforme en carbone biogène, dont une partie est transportée vers l’océan profond par des mécanismes physiques et biologiques; il s’agit de la Pompe Biologique de Carbone (BCP). Une infime partie de ce carbone biogène atteindra des profondeurs suffisantes pour être séquestré durant plusieurs siècles avant qu'il ne retourne dans l'atmosphère, régulant les concentrations atmosphériques de CO2. Aujourd'hui, nous en savons assez sur la BCP pour reconnaitre son importance dans le climat, mais nos connaissances sur son fonctionnement sont limitées en raison d’un échantillonnage insuffisant des flux de carbone biogène. Dans ce travail de thèse, nous avons utilisé les flotteurs BioGéoChimique-Argo, plateformes d’observations conçues pour résoudre le problème du sous-échantillonnage, afin d’explorer un mécanisme majeur de la BCP qui est la pompe gravitationnelle. La pompe gravitationnelle est le transport du carbone biogène sous la forme de particules organiques (POC) qui sédimentent de la surface vers l’océan profond. Notre étude de la pompe gravitationnelle se divise en trois axes. Le premier axe consiste au développement d’une méthode pour détecter les floraisons de coccolithophoridés, groupe phytoplanctonique majeur qui a potentiellement un contrôle important sur le transport du POC en profondeur. Le deuxième axe est centré sur la variabilité saisonnière et régionale des flux de POC dans l’Océan Austral, qui est une zone sous-échantillonnée mais dans laquelle plusieurs flotteurs ont été déployés avec une trappe optique à sédiments (OST). Seuls une dizaine de flotteurs sont équipés d’OST, ce qui est faible en comparaison avec l’ensemble de la flotte BGC-Argo (i.e. plusieurs centaines de flotteurs). C’est pourquoi nous avons développé, dans le troisième axe, une méthode pour estimer le flux de POC avec les capteurs standards du programme BGC-Argo. Cette méthode a ensuite été appliquée à une centaine de flotteurs pour décrire la variabilité saisonnière du flux de POC dans de nombreuses régions océaniques. Dans ce travail de thèse, nous mettons également en évidence le lien entre la variabilité des flux et la nature des particules en surface. Par exemple, nous avons calculé des relations entre la composition de la communauté phytoplanctonique et les flux de POC à 1000m. En utilisant ces relations, nous avons ensuite utilisé les observations satellites pour extrapoler les flux de POC à de larges échelles spatiales, comme à l’ensemble de l’Océan Austral et de l’océan global
The ocean plays a key role in the climate by exchanging large quantities of carbon with the atmosphere. Atmospheric carbon is fixed at the ocean surface by phytoplankton that transforms it into biogenic carbon, part of which is transported to the deep ocean by physical and biological mechanisms; this is the Biological Carbon Pump (BCP). A tiny fraction of this biogenic carbon reaches sufficient depths to be sequestered for several centuries before it returns to the atmosphere, thus regulating concentrations of atmospheric CO2. Today, we know enough about the BCP to recognize its importance in climate, but our knowledge of its functioning is limited due to insufficient sampling of biogenic carbon fluxes. Here, we used BioGeoChimical-Argo floats, observational platforms designed to solve the undersampling problem, to explore a major mechanism of the BCP called the gravitational pump. The gravitational pump is the transport of biogenic carbon in the form of organic particles (POC) that sink from the surface into the deep ocean. Our study of the gravitational pump is divided into three axes. The first axis consisted of developing a method to detect blooms of coccolithophores, a major phytoplankton group that potentially has an important control on the transport of POC at depth. The second axis focused on the seasonal and regional variability of POC fluxes in the Southern Ocean, an undersampled area in which several floats have been deployed with an optical sediment trap (OST). Only ten floats were equipped with an OST, which is low compared to the whole BGC-Argo fleet (i.e. several hundred floats). Therefore, in the third axis, we developed a method to estimate the POC flux with the standard sensors of BGC-Argo floats. This method was then applied to hundreds of floats to describe the seasonal variability of the POC flux in many regions. In this study, we also highlighted the link between the POC flux and the nature of surface particles. For example, we calculated relationships between phytoplankton community composition and POC flux at 1000m. Using these relationships, we then used satellite observations to extrapolate POC flux to large spatial scales, such as the entire Southern Ocean and the global ocean

Cette thèse est consacrée à l'étude des propriétés optiques des nanotubes de carbone mono-paroi.
Dans un premier temps, la spectroscopie d'absorption a été utilisée comme un outil de caractérisation des différents échantillons. En effet, l'énergie de la transition entre la première paire de singularités de Van-Hove étant proportionnelle à l'inverse du diamètre, la spectroscopie d'absorption donne une mesure du diamètre moyen ainsi que de la largeur de la distribution en diamètre.
Nous avons étudié les conditions d'observation d'un signal de photoluminescence au niveau du gap des nanotubes semi-conducteurs. Pour observer ce signal, les nanotubes doivent être isolés, en les mettant convenablement en suspension par exemple. Les expériences de photoluminescence sélective en longueur d'onde ont montré que les structures observées dans les spectres peuvent être attribuées aux différentes chiralités présentes dans l'échantillon. Elles ont également permis d'évaluer la largeur homogène de la transition fondamentale (environ 20 meV). Enfin, la spectroscopie d'excitation de la photoluminescence a permis de déterminer la chiralité des différents nanotubes présents dans nos échantillons.
Dans un deuxième temps, la dynamique des porteurs de charge dans les nanotubes de carbone a été étudiée à l'aide d'expériences de type pompe-sonde. Cette étude réalisée sur des nanotubes déposés sur un substrat et agrégés en corde a montré l'existence d'un couplage tunnel entre les nanotubes semi-conducteurs et les nanotubes métalliques au sein d'une corde. L'existence de ce couplage ainsi que la brièveté des temps de relaxation (picoseconde) expliquent l'absence de signal de photoluminescence sur ce type d'échantillon. La comparaison faite avec les données obtenues sur les échantillons de nanotubes isolés montre une augmentation d'un ordre de grandeur des temps de relaxation, ce qui est en accord avec l'apparition d'un signal de photoluminescence observable sur ces échantillons. L'étude de la réponse non-linéaire hors résonance a mis en évidence la dynamique du plasmon de surface des nanotubes. Elle a également permis d'interpréter le fond d'absorption sur lequel sont superposées les raies dues aux transitions inter-bandes comme la queue basse énergie de la résonance plasmon de surface. Enfin, la susceptibilité non-linéaire d'ordre trois des nanotubes a pu être évaluée. La comparaison entre le facteur de mérite des nanotubes et celui d'autres matériaux étudiés en vue d'une application en optique non-linéaire a montré que les nanotubes de carbone semblent posséder des propriétés intéressantes pour ce type d'applications.

Les foraminifères planctoniques (FP) sont des organismes hétérotrophes appartenant au mésozooplancton, abondants dans tous les domaines marins et communément utilisés dans les reconstitutions paléoenvironnementales. Pour quantifier la position des FP dans le cycle du carbone au sein du plancton à des échelles régionales et globales, il est nécessaire de connaitre leur production en biomasse (Corg), jusque là très peu connue car très difficilement mesurable. Dans ce travail, nous avons développé une nouvelle méthode analytique non destructive développée à partir de la méthode bicinchoninic acid (BCA), et mesuré la biomasse individuelle de 952 spécimens de 26 espèces de FP provenant de régions tempérées à subtropicales. Nos résultats indiquent que la biomasse moyenne d'un FP s'élève à 0,845 μg. Le protocole a été calibré sur l'espèce benthique Ammonia tepida, et au cours d'expériences en culture. L'analyse statistique des données ne fait ressortir aucune différence interspécifique, ni des conditions écologiques (niveau trophique, profondeur ou température). En revanche, nous avons démontré que la biomasse des FP est fortement corrélée avec la masse et la taille de leur test calcitique. Grâce à cette corrélation, les biomasses des populations de FP ont été calculées pour 1128 sites et profondeurs d'échantillonnage de l'Atlantique Nord, la mer d'Arabie, la mer Rouge, les Caraïbes, le Japon et l'Oregon. La production actuelle de biomasse par les FP a pu être estimée entre 25 et 100 Tg.C.an−1, en incluant les individus juvéniles. Le ratio carbone organique sur inorganique (Corg : Cinorg) des populations de FP entre la surface et 2500 m de profondeur semble rester constant à ~2/3, tel que montré dans la zone des Açores. Ces résultats prouvent qu'il y a un export de carbone à la fois organique et inorganique, et que les FP contribuent incontestablement à la pompe biologique de carbone. Les résultats obtenus au cours de cette thèse font des FP de potentiels outils pour quantifier la biomasse initiale de paléo-assemblages, et améliorer notre compréhension du cycle du carbone et de la pompe biologique de carbone dans le passé.

Le terme plancton désigne l'ensemble des organismes dérivant au grès des courants marins. On distingue le plancton végétal et principalement photosynthétique, "le phytoplancton", du plancton animal hétérotrophe, "le zooplancton". Au cours des dernières décennies, de nombreuses études ont documenté une croissance de l'abondance et de la distribution spatiale du zooplancton gélatineux à travers diverses régions. Même si le terme "gélification" des océans doit être utilisé avec beaucoup de précaution, des régions comme la mer Méditerranée montre une constante augmentation des méduses au cours de ces 40 dernières années. L'espèce Pelagia noctiluca (Forsskål, 1775) est considérée comme étant la méduse la plus abondante du bassin méditerranéen depuis les années 70. Du fait de leur présence massive dans cette région, il est primordial d'évaluer précisément l'impact de P. noctiluca à la fois sur les cycles biogéochimiques et sur la structuration des écosystèmes pélagiques. Pour cela, les deux processus majeurs de transfert de matière dans l'écosystème doivent être étudiés : la séquestration de carbone via la pompe biologique et le transfert de carbon au travers des réseaux trophiques. Cette thèse s'articule autour de trois axes majeurs: (i) réaliser un premier bilan de l'export de carbone organique particulaire (POCtotal) et dissous (DOC) en mer Méditerranée, (ii) construire un modèle écophysiologique de P. noctiluca pour déterminer la contribution de cette méduse à la pompe biologique, et (iii) évaluer le niveau trophique de P. noctiluca et son potentiel impact sur les niveaux trophiques inférieurs
The term “plankton” refers to all the organisms drifting in the water following the currents. Commonly, the vegetable autotrophic and mainly photosynthetic, “phytoplankton” is distinguished from the heterotrophic and animal “zooplankton”. In the last decades, many studies reported an increase in the abundances and spatial distributions of gelatinous zooplankton in many oceans. Even if the concept of “jellyfication of the oceans” needs to be used with caution, jellyfish populations show an increase in Mediterranean Sea over the last 40 years. The species Pelagia noctiluca (Forsskål, 1775) is considered as the most abundant jellyfish in the Mediterranean basin since the 70s. Due to its massive presence in this area, it is essential to evaluate precisely the impact of P. noctiluca on both biogeochemical cycles and pelagic ecosystem structure. Thus, the contribution of P. noctiluca to the two main factors regulating the biological carbon transfer in the oceans: carbon sequestration via the biological carbon pump and carbon transfer through trophic networks. This manuscript is divided in 3 main sections : (i) providing an initial budget of the particulate (POCtotal) and dissolved organic carbon (DOC) in the Mediterranean sea, (ii) building an ecophysiological model of P. noctiluca to estimate its contribution to the biological carbon pump, and (iii) assessing the trophic level of P. noctiluca and its potential impact on lower trophic levels

L’alcalinité de l’océan (Alk) est essentielle dans l’absorption de carbone atmosphérique et offre une capacité tampon contre l’acidification. Dans le cadre des prévisions de l’absorption de carbone par les océans et des impacts potentiels sur les écosystèmes, la représentation de l’Alk et du principal facteur de sa distribution dans l’océan profond, le cycle du carbonate de calcium (CaCO3), ont souvent été négligés. Cette thèse aborde le manque de considération accordé à l’Alk et au cycle du CaCO3 dans les modèles du système terrestre (ESM) et explore les implications pour le cycle du carbone dans un océan pré-industriel ainsi que dans des scénarios de changement climatique. À travers une intercomparaison des ESMs, une réduction des biais simulés de l’Alk dans la 6ème phase du Projet d’Intercomparaison de Modèles Couplés (CMIP6) est rapportée. Cette réduction peut s’expliquer partiellement par une calcification pélagique accrue, redistribuant l’Alk en surface et renforçant son gradient vertical dans la colonne d’eau. Une revue des modèles de biogéochimie marine utilisés dans les ESMs actuels révèle une représentation diverse du cycle du CaCO3 et des processus affectant l’Alk. Les schémas de paramétrisation de la production, de l’exportation, de la dissolution et de l’enfouissement du CaCO3 varient considérablement, avec une prise en compte généralement limitée à la seule calcite, et sans calcification benthique. Cette diversité entraîne des projections contrastées de l’export de carbone associé au CaCO3 depuis l’océan de surface vers l’océan profond dans les scénarios futurs. Cependant, des simulations de sensibilité effectuées avec le modèle de biogéochimie marine NEMO-PISCES indiquent que la rétroaction associée sur le flux de carbone anthropique et l’acidification des océans reste limitée. À travers un ensemble de simulations NEMO-PISCES, il est démontré qu’une attention particulière au bilan d’Alk est cruciale pour estimer le dégazage de carbone océanique pré-industriel dû aux apports fluviaux ainsi qu’à l’enfouissement de matière organique et de CaCO3. De telles estimations sont fondamentales pour évaluer le flux de carbone air-mer anthropique en utilisant des données d’observation, et mettent en évidence la nécessité de mieux contraindre le bilan d’Alk de l’océan. Enfin, fidèle au message qu’elle véhicule sur le changement climatique, cette thèse offre une perspective nouvelle et radicale sur les sciences du climat et le système de la recherche actuel
Ocean alkalinity (Alk) is critical for the uptake of atmospheric carbon and provides buffering capacity against acidification. Within the context of projections of ocean carbon uptake and potential ecosystem impacts, the representation of Alk and the main driver of its distribution in the ocean interior, the calcium carbonate (CaCO3) cycle, have often been overlooked. This thesis addresses the lack of consideration given to Alk and the CaCO3 cycle in Earth system models (ESMs) and explores the implications for the carbon cycle in a pre-industrial ocean as well as under climate change scenarios. Through an ESM intercomparison, a reduction in simulated Alk biases in the 6th phase of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6) is reported. This reduction can be partially explained by increased pelagic calcification, redistributing Alk at the surface and strengthening its vertical gradient in the water column. A review of the ocean biogeochemical models used in current ESMs reveals a diverse representation of the CaCO3 cycle and processes affecting Alk. Parameterization schemes for CaCO3 production, export, dissolution, and burial vary substantially, with no benthic calcification and generally only calcite considered. This diversity leads to contrasting projections of carbon export associated with CaCO3 from the surface ocean to the ocean interior in future scenarios. However, sensitivity simulations performed with the NEMO-PISCES ocean biogeochemical model indicate that the feedback of this on anthropogenic carbon fluxes and ocean acidification remains limited. Through an ensemble of NEMO-PISCES simulations, careful consideration of the Alk budget is shown to be critical to estimating pre-industrial ocean carbon outgassing due to riverine discharge and the burial of organic matter and CaCO3. Such estimates are fundamental to assessing anthropogenic air-sea carbon fluxes using observational data and highlight the need for greater constraints on the ocean Alk budget

Les foraminifères planctoniques vivants (LPF) contribuent à la pompe biologique du carbone océanique en générant des flux de Corg (cytoplasme) et de Cinorg (test calcaire). Dans cette étude, la morphométrie des tests, les abondances et les compositions spécifiques des assemblages de LPF dans l'océan Indien Sud (30°S-60°S, 50°E-80°E), ont été caractérisées à partir de la collecte par filet à plancton stratifié (Multinet) sur 19 stations échantillonnées pendant trois étés consécutifs (2012- 2014). En démontrant l'efficacité d'échantillonnage du Continuous Plankton Recorder pour spatialiser les données observées en 19 stations, l’étude de la dynamique de population des LPF montre l'effet de la position des fronts sur la production des LPF. Pour mieux contraindre l'impact des LPF dans la pompe biologique du carbone des hautes latitudes, la biomasse protéique et la masse calcique de plus de 2000 foraminifères ont été mesurées. Les différences de biomasse protéique et de poids normalisé par la taille entre années, espèces et masses d'eau suggèrent que les paramètres environnementaux affectent la production de Corg et de Cinorg des LPF. Le rôle des LPF sur la pompe biologique de carbone marin dépend des conditions hydrologiques et trophiques du milieu. Le rapport Corg/Cinorg est très différent selon les espèces considérées. L'applicabilité des tests de foraminifères planctoniques comme proxy de paléopompe du carbone dans les hautes latitudes dépendrait donc de l'effet exercé par les variations des conditions écologiques, et de la composition de l’assemblage. Cette étude propose une première estimation des budgets Corg et Cinorg produits par les LPF dans l’Océan Indien Austral
Planktonic foraminifera contribute to the marine biological carbon pump by generating organic (cytoplasm) and inorganic (shell) carbon fluxes. In this study, we characterized LPF total abundances, assemblages and test morphometry (minimum diameter) along 19 stations sampled by stratified plankton net (Multinet), during three consecutive austral summers (2012-2014) in the Southern Indian Ocean (30°S-60°S, 50°E-80°E). By demonstrating the efficiency of CPR for LPF sampling, we analysed population dynamic between 19 multinet sampling stations, showing the effect of frontal position on LPF production. To better constrain the impact of those organisms in the biological carbon pump at high latitudes, we have quantified the individual protein-biomass and test calcite mass of more than 2000 LPF. Differences in size-normalized protein-biomass and in size-normalized weight between years, species, and water bodies suggest that environmental parameters affect the production of planktonic foraminifera organic and inorganic carbon to varying degrees. Consequently, planktonic foraminifera are assumed to affect the biological carbon pump, depending on ecological conditions and biological prerequisites. The applicability of planktonic foraminifera tests as proxy of the past biological carbon pump in high latitudes would hence critically depend on the effect exerted by changing in ecological conditions, and the presence of different species. This study proposes a first estimation of planktonic foraminifera Corg and Cinorg standing stock and fluxes in the Southern Indian Ocean

L’intégration des communications optiques sur puce offre de vastes promesses en termes de performances et de réduction de la puissance consommée, les canaux optiques ne souffrant pas des nombreuses limitations des canaux métalliques. De plus, l’information codée optiquement permet d’atteindre des débits de données élevés par le biais du multiplexage en longueur d’onde. Afin de conserver la compatibilité avec les composants électroniques, les communications et composants optiques doivent s’intégrer dans la filière silicium. Cependant, ce dernier matériau ne permet pas d’envisager la réalisation de certaines fonctions optiques, en particulier la source laser. D’autres matériaux doivent ainsi être intégrés pour suppléer au silicium. Mes travaux de thèse portent sur l’intégration de nanotubes de carbone sur plate-forme silicium pour la photonique. Dans ces travaux, le potentiel des nanotubes de carbone pour la réalisation de sources optiques intégrées est exploré. Dans un premier temps, je proposerai des pistes de compréhension de l’apparition du gain optique dans les nanotubes de carbone semiconducteurs par analyse des temps de vie des excitons, mesurés en spectroscopie pompe-sonde. Ces temps de vie sont sensiblement rallongés lorsque la centrifugation des nanotubes de carbone, au cours de l’extraction, est poussée à des vélocités et des temps plus longs. Une explication envisagée est la réduction du nombre de défauts à la surface des nanotubes, ces défauts se comportant comme des centres de recombinaison non-radiatifs. D’autre part, une méthode efficace d’intégration des nanotubes de carbone sur guide d’onde silicium a été proposée. Cette méthode robuste et permet d’observer le couplage de la photoluminescence des nanotubes de carbone avec le mode optique du guide d’onde. Afin d’obtenir une interaction exaltée entre mode optique et nanotube de carbone, le couplage entre les nanotubes et différentes cavités photoniques, incluant microdisques, cavités Fabry-Pérot et micro-résonateurs en anneau, a été étudié. L’emploi en particulier de résonateurs en anneau permet d’observer la structuration de la photoluminescence des nanotubes de carbone par les modes de résonance de l’anneau. Différentes configurations ont été étudiées afin de compléter la compréhension des mécanismes de couplage : micro-photoluminescence, photoluminescence guidée et photoluminescence intégrée
On-chip optical communication may increase drastically performances and consumption of communication systems. Indeed, optical channels do not face limitations that metallics interconnects do. Even better would be the achievable data rate due to the multiplexing possibility in optics. In order to keep compatibility with electronic devices, optical components and interconnects should be built in silicon. However, this material is not suitable for some optical function, such as laser sources. Thus, there is a need to integrate alternative materials to compensate for silicon weaknesses. My PhD work focuses on integration of carbon nanotube on silicon for photonics applications. In this work, potential use of carbon nanotube for light emission function is investigated. First, I will propose clue to understand the appearance of optical gain in semiconducting carbon nanotube. Such investigation is done by mean of pump-probe experiments, where the excitons lifetimes are measured. Those lifetimes slightly increase while centrifugation time and speed is increased, during the extraction process. A possible explanation is that defect-free carbon nanotubes are selected by the centrifugation process. In parallel, I worked on designing an efficient method to couple nanotubes photoluminescence with silicon waveguides. This method appears to be quite robust, and allows to observe coupling between the nanotube photoluminescence and the optical mode of the waveguide. In order to obtain a more intense interaction between the optical mode and carbon nanotubes, I investigated the coupling between carbon nanotubes and several photonic cavities, including microdisks, Fabry-Pérot cavities and ring resonators. Specifically, ring resonators allow to measure the photoluminescence of carbon nanotube structured by the resonant modes. Several configurations are studied to understand more in-depth the coupling mechanisms: micro-photoluminescence, guided photoluminescence and integrated photoluminescence

Les nanotubes de carbone dont les deux tiers sont des semi-conducteurs à gap direct, ont des propriétés optiques originales dominées par le caractère undimensionel du confinement quantique imposé aux électrons. Ceci donne naissance à des excitons très fortement liés dont nous avons étudié la structure fine par des techniques de photoluminescence et de diffusion Rayleigh. Par ailleurs, l'étude de la dynamique des excitations élémentaires (à l'échelle sub-pico-seconde), nous a permis de mettre en évidence le rôle prépondérant des interactions avec l'environnement sur les propriétés de ces objets dont tous les atomes sont en surface. Dans une dernière partie, nous montrons comment tirer partie de cette interaction en fonctionnalisant les nanotubes avec des chromophores organiques dans le but de réaliser des dispositifs opto-électroniques de conversion d'énergie lumineuse.

Ces travaux portent sur le rôle du fer dans le contrôle de la pompe biologique de CO2 de l'Océan Austral. Le fer est en effet un micro-nutriment essentiel à la vie et de nombreuses expériences ont montré qu'en raison de ses concentrations subnanomolaires dans la colonne d'eau océanique, il est l'un des éléments limitants de la production primaire dans diverses régions océaniques, dont l'Océan Austral. La thèse a été menée suivant deux approches complémentaires : une approche géochimique et une approche biogéochimique. La partie géochimique a pour but une meilleure compréhension du cycle géochimique du fer dans l'océan. Elle présente des mesures en fer et manganèse dissous réalisées dans le sillage des Iles Kerguelen (Bucciarelli et al. 2001), et des mesures en fer dissous et fer total soluble réalisées dans l'Océan Austral ouvert (Bassin de Crozet). Ces prélèvements ont été effectués au cours des missions océanographiques Antares 3 (sillage des Iles Kerguelen) et Antares 4 (Bassin de Crozet) dans le cadre du programme Antares (France JGOFS). Ces données ont permis d'étudier les sources et les puits de fer dans le secteur Indien de l'Océan Austral considéré. La partie biogéochimique est axée sur les effets de la limitation par le fer sur des communautés phytoplanctoniques naturelles d'une part (Blain et al. 2001, Blain et al. 2002, Sedwick et al. 2002), et sur des cultures monospécifiques de trois diatomées, menées en laboratoire, d'autre part. Un découplage des cycles du carbone, de l'azote et du silicium en conditions de carence en fer a été montré, et quantifié pour des concentrations en fer dans le milieu variant de conditions limitantes à des conditions non limitantes
This work concerns the role played by iron in controlling the CO2 biological pump in the Southern Ocean. Iron, indeed, is a micro-nutrient essential to life and numerous experiments have shown that its subnanomolar concentrations in the water column (co)-limited the primary production in various oceanic areas, e. G. In the Southern Ocean. The thesis is divided in two complementary parts, a geochemical part and a biogeochemical one. The geochemical part aims at a better understanding of the oceanic geochemical cycle of iron. It presents measurements of dissolved iron and manganese in the wake of the Kerguelen Islands (Bucciarelli et al. 2001) and of dissolved and total dissolvable iron in the open Southern Ocean (Crozet basin). The samplings were conducted as part of the Antares program (France JGOFS), during the Antares 3 cruise in the wake of the Kerguelen island, and during the Antares 4 cruise in the Crozet Basin. The data give insigths into the sources and sinks of iron in the Indian sector of the Southern Ocean. The biogeochemical part focuses on the effects of iron stress on natural phytoplanktonic community on one hand (Blain et al. 2001, Blain et al. 2002, Sedwick et al. 2002), and on laboratory monospecific cultures of three species of diatoms on the other hand. A decoupling between the cycles of silicon, carbon and nitrogen has been shown under iron stress conditions. The decoupling is quantified in a range of iron concentrations varying from iron-limiting to iron-sufficient conditions

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale par spectroscopie pompe-sonde femtoseconde des propriétés optiques hors-équilibre de solutions micellaires de nanotubes de carbone. Les propriétés des nanotubes de carbone sont profondément affectées par leur géométrie unidimensionnelle. Les interactions coulombiennes exaltées du fait du confinement quantique des électrons à une dimension donnent naissance à des excitons fortement liés. L'analyse des spectres d'absorption transitoire par la méthode des moments permet une étude des interactions entre excitons. La relaxation des excitons s'avère gouvernée par les collisions entre excitons, limitées par la diffusion à 1D dans le nanotube. La présence d'excitons dans une sousbande conduit à un décalage uniforme vers le bleu de l'ensemble des transitions excitoniques et à un élargissement de même ampleur. Ainsi, les interactions croisées entre excitons de sousbandes différentes sont de même amplitude qu'entre excitons de même sousbande, en accord avec une modélisation simple.Par ailleurs, les nanotubes sont constitués uniquement d'atomes de surface, ce qui leur confère une forte sensibilité à l'environnement. Cette sensibilité est mise à profit dans des composés hybrides où la fonctionnalisation non-covalente par des colorants ouvre une nouvelle voie d'excitation des nanotubes. Notre étude montre que le transfert d'énergie entre les colorants et les nanotubes permet une excitation monochromatique efficace et uniforme de l'ensemble des espèces de nanotubes. Une fois l'exciton transféré au nanotube, sa relaxation s'avère ensuite identique à celle observée dans les nanotubes nus
This thesis is devoted to the experimental study by femtosecond pump-probe spectroscopy of micellar solutions of carbon nanotubes. The properties of carbon nanotubes are greatly affected by their 1D geometry. Quantum confinement of electrons in 1D leads to enhanced coulomb interactions giving rise to strongly bound excitons. Many-body effects between excitons is investigated by the moment method analysis of the transient absorption spectra. The relaxation of excitons is controlled by diffusion-limited collisions between excitons. The presence of excitons in the lowest subband results in a broadening and an uniform blue-shift of the excitonic energy spectrum. Intra and intersubband interactions turn out to be of the same magnitude, in agreement with a simple mean field theory of excitonic interactions.Moreover, the one-layer structure of nanotubes results in strong interaction with the environment. We take advantage of the environmental sensitivity of nanotubes in hybrid compounds where the non-covalent functionalization with dyes opens a new extrinsic monochromatic excitation channel of the nanotubes through an efficient and ultrafast energy transfer between dyes and nanotubes. Once the exciton transferred to the nanotube, its relaxation is similar to the one observed in bare nanotubes

Le terme plancton désigne l'ensemble des organismes dérivant au grès des courants marins. On distingue le plancton végétal et principalement photosynthétique, "le phytoplancton", du plancton animal hétérotrophe, "le zooplancton". Au cours des dernières décennies, de nombreuses études ont documenté une croissance de l'abondance et de la distribution spatiale du zooplancton gélatineux à travers diverses régions. Même si le terme "gélification" des océans doit être utilisé avec beaucoup de précaution, des régions comme la mer Méditerranée montre une constante augmentation des méduses au cours de ces 40 dernières années. L'espèce Pelagia noctiluca (Forsskål, 1775) est considérée comme étant la méduse la plus abondante du bassin méditerranéen depuis les années 70. Du fait de leur présence massive dans cette région, il est primordial d'évaluer précisément l'impact de P. noctiluca à la fois sur les cycles biogéochimiques et sur la structuration des écosystèmes pélagiques. Pour cela, les deux processus majeurs de transfert de matière dans l'écosystème doivent être étudiés : la séquestration de carbone via la pompe biologique et le transfert de carbon au travers des réseaux trophiques. Cette thèse s'articule autour de trois axes majeurs: (i) réaliser un premier bilan de l'export de carbone organique particulaire (POCtotal) et dissous (DOC) en mer Méditerranée, (ii) construire un modèle écophysiologique de P. noctiluca pour déterminer la contribution de cette méduse à la pompe biologique, et (iii) évaluer le niveau trophique de P. noctiluca et son potentiel impact sur les niveaux trophiques inférieurs
The term “plankton” refers to all the organisms drifting in the water following the currents. Commonly, the vegetable autotrophic and mainly photosynthetic, “phytoplankton” is distinguished from the heterotrophic and animal “zooplankton”. In the last decades, many studies reported an increase in the abundances and spatial distributions of gelatinous zooplankton in many oceans. Even if the concept of “jellyfication of the oceans” needs to be used with caution, jellyfish populations show an increase in Mediterranean Sea over the last 40 years. The species Pelagia noctiluca (Forsskål, 1775) is considered as the most abundant jellyfish in the Mediterranean basin since the 70s. Due to its massive presence in this area, it is essential to evaluate precisely the impact of P. noctiluca on both biogeochemical cycles and pelagic ecosystem structure. Thus, the contribution of P. noctiluca to the two main factors regulating the biological carbon transfer in the oceans: carbon sequestration via the biological carbon pump and carbon transfer through trophic networks. This manuscript is divided in 3 main sections : (i) providing an initial budget of the particulate (POCtotal) and dissolved organic carbon (DOC) in the Mediterranean sea, (ii) building an ecophysiological model of P. noctiluca to estimate its contribution to the biological carbon pump, and (iii) assessing the trophic level of P. noctiluca and its potential impact on lower trophic levels

Le systeme a absorption pour le stockage de l'energie thermique que nous avons etudie utilise une reaction faisant intervenir le chlorure manganeux (mncl#2) et l'ammoniac (nh#3). Cette reaction est reversible et permet de stocker la chaleur dans un sens et de la restituer dans l'autre sens tandis que la condensation et la l'evaporation de l'ammoniac servant a stocker et restituer le froid. En premier lieu, nous avons montre que l'utilisation des fibres de carbone comme additif permet d'ameliorer la cinetique et le rendement energetique de la reaction etudiee. Nous avons en meme temps trouve deux methodes originales et efficaces pour lier intimement les fibres de carbone aux composes de reaction : l'insertion et l'impregnation de mncl#2 dans les fibres de carbone. Des methodes physico-chimiques nous ont permis d'obtenir les informations suivantes sur les reactifs : la chaleur specifique (par microcalorimetrie), la conductivite thermique (par la methode flash), le coefficient d'echange de chaleur, la porosite (par adsorption des gaz et porosimetrie au mercure) et la permeabilite aux gaz. En dernier lieu, nous avons mene une etude de modelisation des transferts thermiques et de la cinetique de reaction.

In this study, extraction of phenolic compounds from sour cherry, peach and apple pomaces using high pressure extraction (HPE) and subcritical CO2 extraction (SCE) was investigated considering total phenolic content (TPC) and antiradical efficiency (AE). Different combinations of pressure (50, 125, 200 MPa), temperature (20, 40, 60&
#61616
C), solid/solvent ratio (0.05, 0.15, 0.25 g/ml) and extraction time (10, 25, 40 min) were used for HPE according to the Box-Behnken experimental design. The variables used for SCE were pressure (20, 40, 60 MPa), temperature (40, 50, 60&
#61616
C), ethanol concentration (14, 17, 20 wt%) and extraction time (10, 25, 40 min). For HPE, TPC and AE at the optimum conditions were 3.80 mg gae/g sample and 22 mg DPPH&
#729
/g sample for sour cherry pomace, 0.93 mg gae/g sample and 6.40 mg DPPH&
#729
/g sample for peach pomace and 2.08 mg gae/g sample and 10.80 mg DPPH&
#729
/g sample for apple pomace, respectively. For SCE, TPC and AE at the optimum conditions were 0.60 mg gae/g sample and 2.30 mg DPPH&
#729
/g sample for sour cherry pomace, 0.26 mg gae/g sample and 1.50 mg DPPH&
#729
/g sample for peach pomace and 0.47 mg gae/g sample and 3.30 mg DPPH&
#729
/g sample for apple pomace, respectively. Efficiency of HPE and SCE methods was compared with solvent extraction (SE). TPC and AE of the extracts obtained by HPE were close to those obtained by SE but the efficiency of SCE was low compared to HPE and SE. SCE was a better extraction method for apple and peach pomaces compared to sour cherry pomace.

La pompe biologique de carbone transfère le CO2 de l’atmosphère vers l’océan profond sous forme de matière organique particulaire. En formant des agrégats, les diatomées contribuent fortement au flux de particules. Les copépodes, en terme d’abondance et de diversité, dominent le zooplancton, sont les principaux consommateurs des diatomées et jouent un rôle important dans l’export de carbone via l’émission de pelotes fécales. Les limitations en sels nutritifs surviennent majoritairement en fin d’efflorescence phytoplanctonique, mais sont également une conséquence attendue du réchauffement global. L’objectif de la thèse vise à évaluer le rôle des interactions copépodes/diatomées sur l’export de carbone, dans un contexte de changement climatique. Les résultats obtenus démontrent que les limitations en affectant la composition biochimique des diatomées, influencent l’activité alimentaire des copépodes, ainsi que l’efficacité d’export par les pelotes fécales. J’ai également démontré que les traits fonctionnels des copépodes peuvent influencer à la fois la formation d’agrégats et leurs dynamiques. Enfin, via l’utilisation de données d’une campagne océanographique réalisée au cours de l’efflorescence printanière phytoplanctonique en Arctique, j’ai observé que la limitation en silicium après le retrait de la glace de mer contribue à la formation d’agrégats. Les copépodes en fin d’efflorescence migrent sous la couche de mélange là où les agrégats sont les plus abondants, ce qui peut suggérer que les agrégats soient utilisés comme source de nourriture
The biological carbon pump transfers CO2 from the atmosphere to the deep ocean as particulate organic matter. By forming aggregates, diatoms contribute strongly to the particle flux.Copepods, in terms of abundance and diversity, dominate zooplankton assemblages, are the main consumers of diatoms and play and key role in the carbon export via faecal pellets egestion. Nutrient limitations mainly occur at the end of phytoplankton blooms, but are also an expected consequence of global warming. The aim of the thesis is to evaluate the role of copepod/diatom interactions on carbon export in a context of climate change.The results obtained show that nutrient limitations affecting diatoms biochemical composition, that influences copepods feeding activity and the export efficiency of faecal pellets. I have also shown that the functional traits of copepods can influence both the aggregates formation and their dynamics. Finally, using data from an oceanographic campaign carried out during the Arctic phytoplankton spring bloom, I observed that silicon limitation after sea ice retreat contributes to the aggregates formation. Copepods, at the end of the bloom migrate under the mixing layer where the aggregates are most abundant, which may suggest that the aggregates could be used as a food

A travers les époques géologiques, l'océan Austral a joué un rôle majeur dans la régulation du climat à la surface de la Terre et en particulier dans la réduction de la concentration en CO2 atmosphérique. Cette région océanique est la plus importante pompe biologique de carbone et à travers la photosynthèse du phytoplancton permet la séquestration du carbone dans les profondeurs océaniques. Cette diminution aurait été causée par les dépôts de poussières qui par apportant des éléments comme le fer dans les régions limitées en nutriments, fertilise la surface des océans et permet l'activation de la pompe biologique de carbone. Aujourd'hui, l'entrée dans l'ère de l'Anthropocène a été marqué par l'impact que l'activité humaine exerce sur son environnement. L'activité anthropique génère et largue du dioxyde de carbone dans l'atmosphère provoquant un effet de serre sur la Terre altérant l'équilibre environnemental. Cette étude explore l'océan Austral qui est une zone de paradoxe biogéochimique avec de fortes concentrations en macronutriments, mais avec une faible productivité biologique. En 1990, John Martin a élaboré la « Iron Hypothesis » ou le fer (micronutriment) restreint la croissance phytoplanctonique. La poussière est une source majeure de métaux pour l'océan de surface. Dans l'océan Austral, les poussières ont une origine majoritairement d'Amérique du Sud (poussière patagonienne). Les apports d'Amérique du Sud contribuent pour 58% de la poussière totale dans l'océan Austral et seront multipliés par deux avec les futurs changements environnementaux. Pendant le dernier maximum glaciaire dans l'océan Austral, les apports de poussières auraient diminué la concentration en CO2 dans l'atmosphère. A de plus petites échelles de temps, des tests de fertilisation artificielle de fer ont été réalisés dans l'océan Austral et ont montré une forte productivité biologique. L'objectif de ce travail est de mieux caractériser et de quantifier la fraction de métaux qui se solubilise de la poussière patagonienne dans l'eau de mer sous des conditions actuelles et futures (2100) et d'améliorer les prédictions de l'évolution du phytoplancton dans la réponse à l'intensification de l'apport de poussières patagoniennes et des autres changements environnementaux dans l'océan Austral dans le but d'évaluer les impacts sur la production de carbone
Throughout geological time, the Southern Ocean has played a major role in regulating the Earth's surface climate and in particular in the reduction of atmospheric CO2. This oceanic region is the most important biological pump of carbon and through the photosynthesis of phytoplankton allows the sequestration of carbon in the deep ocean. This decrease would have been caused by dust deposits which, by bringing elements such as iron in areas limited in micronutrients, fertilize the ocean surface and allow the activation of the biological carbon pump. Nowadays, the entering into the Anthropocene era has been marked by the impact that human activity has exerted on its environment. Anthropogenic activity that generates the release of carbon dioxide into the atmosphere causes a greenhouse effect on the surface of the Earth and upsets the environmental balance. This study investigates the Southern Ocean which is biogeochemical paradox zone with high concentration of macronutrients but low biological productivity. In 1990 John Martin elaborated the "Iron hypothesis" hence iron (micronutrients) restricts phytoplankton growth. Dust is major source of metals in the surface ocean. In the Southern Ocean, dust have mainly a South America (Patagonian dust) origin. Input from South America contributed to 58% of the total dust into the Southern Ocean and will increase by two fold higher with the future environmental changes. During the last glacial maximal in the Southern Ocean, dust input would have decreased the CO2 concentration in the atmosphere. Moreover, in the small timescale there are tests of artificial iron fertilization performed in Southern Ocean have demonstrated high biological productivity. The overall aim of this work is to better characterize and quantify the fraction of metals that solubilizes from Patagonian dust in seawater under actual and future conditions (2100) and to improve predictions of the phytoplankton evolution in response to intensification of Patagonian dust input and other multi-stressor changes in the Southern Ocean in order to evaluate the impacts on carbon production

Cette thèse concerne le laser NH3 moyen-infrarouge continu pompé optiquement par laser C02·Le chapitre 1 rappelle les données spectroscopiques sur la molécule NH3 et l'influence d'un champ électrique sur son spectre de rotation-vibration (effet Stark). Le chapitre II concerne Je pompage optique hors résonance et le développement de sources Raman de puissance. Il est divisé en deux parties : La partie A porte sur l'analyse du gain local à 12 μm en fonction des principaux paramètres. L'étude, la réalisation et l'optimisation d'un laser Raman en anneau continu à 12 μm à puissance modérée sont décrites à la suite. La partie B porte sur l'étude d'un amplificateur Raman continu. Un premier modèle de propagation, simplifié, mais analytique est développé. Un second modèle numérique est mis au point qui tient compte des distributions transverses des intensités (pompage et Raman) et des effets d'échauffement. Les expériences sur un système oscillateur-amplificateur à 12,08 μm confirment la validité du modèle élaboré. Des lois d'échelle pour des systèmes de haute puissance sont établies. Le chapitre III concerne l'accordabilité en fréquence du laser NH3 à inversion de population pompé optiquement en résonance. Un modèle à taux de population du gain à faible signal est établi. La directionnalité des émissions et le fonctionnement multi-raie sont exposés brièvement. L'accordabilité en fréquence par élargissement en pression est étudiée ainsi que la mise au point d'une cavité sélective de type Fox-Smith. Les résultats d'accordabilité en fréquence par effet Stark, la réalisation d'un guide d'onde hybride sont décrits ensuite. Un modèle simple est développé pour interpréter les résultats expérimentaux
This thesis is directed at the study of the C02-pumped Mid-Infrared NH3 Chapter 1 gives some spectroscopic data for the ammonia molecule. The influence of an electric field on its rotation-vibration spectrum (Stark effect) is recalled. Chapter II which concerns the off-resonance pumping of NH3 and the development of powerful Raman sources is divided into two parts: In part A the 12 μm local gain is analyzed as a function of the main parameters. The sudy, realization and optimization of a ring CW 12 m Raman laser are described. In part B, a CW Raman amplifier is studied. A first simplified, but analytical propagation model is developed. A second numerical model is elaborated which includes both the transverse intensity profiles (Raman and pump) and the heating effects. Experiments carried out on a 12. 08 μm oscillator-amplifier system confirm the validity of this model. Scaling laws are established for high power systems. Chapter III is related to the frequency tunability of an NH3 laser with population inversion (on-resonance pumping). A rate equation model is established for the small signal gain. Results on Multiline operation and bidirectional emissions are briefly reported. The frequency tunability of the pressure-broadened emissions is inverstigated using a Fox-Smith laser cavity. The Stark tuning of the laser and the realization of a hybrid waveguide are then described. A simple line shape model is developed to interprete the experimental results

Ce travail de thèse porte sur la quantification de la diazotrophie et son influence sur les cycles biogéochimiques dans l'océan de surface Pacifique tropical sud-ouest, une région particulièrement sous-échantillonnée à ce jour. Les objectifs de ce travail étaient (1) de quantifier la fixation de N2 et identifier les principaux acteurs de la diazotrophie dans cette région, (2) d’évaluer l'influence de la fixation de N2 sur la production primaire et sur l'export de carbone, (3) d’identifier les voies de transfert de l’azote fixé dans la chaine trophique planctonique.Il a été mis en évidence que la région du Pacifique tropical sud-ouest était un hot spot de fixation de N2. A l'ouest, les eaux oligotrophes des archipels Mélanésiens présentaient des taux de fixation de N2 élevés et la communauté diazotrophe était dominée par Trichodesmium. A l'est, les eaux ultra-oligotrophes de la gyre du Pacifique sud présentaient des taux de fixation de N2 plus faibles et la communauté diazotrophe était dominée par les UCYN-B.Des bilans d'azote montrent que la fixation de N2 contribuait à plus de 90 % des apports d'azote nouveau dans la couche euphotique, et soutenait donc la quasi intégralité de la production primaire nouvelle. L'étude des voies de transfert de l'azote fixé montre qu’entre 7 et 15 % de la fixation de N2 totale était transféré vers les organismes non-diazotrophes.Ces travaux de thèse démontrent que la diazotrophie soutient la pompe biologique dans l'océan Pacifique tropical sud-ouest, et qu'elle peut jouer un rôle déterminant dans la structure des communautés planctoniques et les cycles biogéochimiques du carbone et de l'azote dans les régions oligotrophes
This PhD thesis focuses on the quantification of diazotrophy and its influence on biogeochemical cycles in the western tropical South Pacific Ocean, a critically under-sampled region so far. The aim of this work is to (1) quantify N2 fixation and identify the main contributors of diazotrophy in this region, (2) assess the influence of N2 fixation on primary production and carbon export, (3) identify transfer pathways of the fixed nitrogen in the planktonic food web.We have found that the western tropical South Pacific Ocean was a hotspot of N2 fixation. In the western part, the oligotrophic waters of the Melanesian archipelago presented high N2 fixation rates and diazotrophes were dominated by Trichodesmium. In the eastern part, the ultra-oligotrophic waters of the South Pacific gyre presented lower N2 fixation rates, and diazotrophs were dominated by UCYN-B.The nitrogen budgets show that N2 fixation contributed to more than 90 % of the of new nitrogen input in the photic layer. The study of the transfer pathways of the fixed nitrogen has shown that 7 to 15 % of total N2 fixation was transferred to non-diazotrophs.This PhD thesis indicates that diazotrophy sustains the biological pump in the western tropical South Pacific Ocean, and can have a critical influence in the planktonic community structure and in biogeochemical cycles of carbon and nitrogen in oligotrophic regions

Ce travail analyse la formation d'états liés par interaction coulombienne d'excitons dans un ensemble de nanotubes de carbone de chiralité (6,5) en solution. Sous l'action d'une impulsion laser de forte intensité, une grande densité d'excitons est formée dans le nanotube et conduit à la formation d'état de trion et de biexciton. Les mécanismes physiques responsables de la photogénération de ces états ont été analysés dans le cadre de cette thèse. Ces travaux sont effectués à l'aide d'une expérience pompe-sonde dans laquelle le faisceau sonde est un continuum de lumière blanche permettant ainsi l'observation simultanée des états d'exciton, de trion et de biexciton. Cela conduit à l'obtention des énergies de liaison des différentes contributions excitoniques. En outre la dynamique de ces états excitoniques a aussi pu être obtenue avec une résolution temporelle de l'ordre de la centaine de femtosecondes.

Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet SIMED fédérant les activités de modélisation à l'échelle méditerranéenne, et plus globalement dans le programme MERMEX qui vise à étudier les cycles biogéochimiques en mer Méditerranée et leurs évolutions futures. L'étape préliminaire a été de coupler la plateforme de modélisation hydrodynamique (NEMO) à celle de modélisation biogéochimique mécaniste (Eco3M), afin de réaliser une simulation (2000-2012) utilisant les sorties hydrodynamiques de la configuration NEMO-MED12 pour forcer le modèle biogéochimique Eco3M-MED. Les nombreuses comparaisons menées dans cette thèse (chlorophylle, sels nutritifs, production primaire, etc.) ont aidé à s'assurer de la capacité du modèle à reproduire les principales caractéristiques biogéochimiques de la Méditerranée. Ce travail a permis de généraliser le rôle majeur joué par le carbone organique dissous dans la pompe biologique à l'échelle de la mer Méditerranée. Les résultats montrent que la production de carbone organique particulaire est restreinte aux régions de forte dynamique physique, tandis que l'accumulation de carbone organique dissous dans les eaux de surface est commune à la plupart des régions du bassin. Ce dernier processus s'est avéré dépendant des contenus cellulaires du phytoplancton et des bactéries hétérotrophes. Finalement d'après le modèle, la fraction dissoute du carbone organique contribuerait à hauteur d'environ 64 % à l'exportation dans le bassin Ouest, et de 90 % dans le bassin Est. Le bassin Est -en dépit de sa plus forte oligotrophie- s'avère participer à près de 60 % à l'exportation de carbone organique en mer Méditerranée
This work is part of the SIMED project which is dedicated to basin-scale modeling of the Mediterranean Sea. It also belongs to the MERMEX program which aims at studying biogeochemical cycles in the Mediterranean Sea and their evolution. The first step of this work was to couple the hydrodynamic modeling platform (NEMO) to the mechanistic biogeochemical modeling platform (Eco3M). We ran a simulation (2000-2012) using the hydrodynamic outputs from NEMO-MED12 configuration to force the biogeochamical model Eco3M-MED. The model evaluation was conducted using numerous field measurements (chlorophyll, nutrients, primary production, etc.). The simulation strengthens and extends to the whole basin the prominent role of dissolved organic carbon in the biological carbon pump in the whole Mediterranean Sea. A comprehensive analysis of organic carbon (particulate and dissolved) production processes production was performed. Results reveal that particulate organic carbon production is restricted to the highly dynamic areas, whereas dissolved organic carbon accumulation in the surface layers is a common process in much areas of the basin. This latter process appeared to dependant on the cellular contents of phytoplancton and heterotrophic bacteria, themselved being controled by low phosphate availability. Finally, the dissolved organic carbon contribution to carbon export is around 64 % in the Western basin, and up to 90 % in the Eastern basin. When taking into account the dissolved fraction, total organic carbon export in the Eastern basin -despite its higher oligotrophy- exceeds the one in the Western basin (60% against 40 %)

La matière organique dissoute (MOD) est l'un des plus grands réservoirs de carbone réduit sur terre, contenant à peu près la même quantité de carbone que le CO2 dans l'atmosphère. Les procaryotes hétérotrophes (PH, bactéries et archées) jouent un rôle clé dans le cycle de la MOD dans l'océan. Ils transforment environ la moitié du carbone fixé par les producteurs primaires pour produire de la biomasse et du CO2. Cependant, le rôle des PH en tant que source de MOD a reçu moins d'attention. Selon la pompe microbienne de carbone (PMC), les PH produisent de la MOD récalcitrante, c'est-à-dire des composés qui résistent à une reminéralisation et sont donc stockés dans l'océan pour des milliers d'années. Dans les systèmes oligotrophes, tels que la mer Méditerranée, la PMC devrait jouer un rôle majeur dans le piégeage du carbone. Les raisons ultimes de la production de cette MOD et les conditions qui la rendent réfractaire ne sont pas encore claires. Nous visant à comprendre les facteurs régissant la PMC, avec un accent particulier sur la dynamique de la MOD en Méd., un écosystème oligotrophe particulièrement limité en phosphore et très vulnérable au changement climatique. Nous répondons surtout à 3 questions : quel est l’effet de la limitation en P sur la quantité et la qualité de la MOD dérivée des PH (MOD-PH? La limitation en P affecte-t-elle la biodisponibilité de MOD-PH? Quelles sont les variations saisonnières de la composition et la biodisponibilité de la MOD en Méd. et quel est le rôle des PH dans cette variabilité ? Pour la 1ère question, des incubations ont été menées en utilisant des souches bactériennes seules et des communautés PH mixtes. Elles ont été réalisées dans de l'eau de mer artificielle avec une seule source de carbone (glucose) sous des concentrations de P contrastées, et la MOD-PH a été quantifiée et caractérisée à la phase de croissance stationnaire. Nous avons montré que la limitation en P n'affectait pas la quantité de la MOD-HP mais plutôt sa qualité, mesurée par spectroscopie de fluorescence (MODF), avec une prédominance de MODF de type humique sous limitation en P de et MODF de type protéique en absence de limitation. Cette MOD a ensuite été utilisée comme substrat pour des procaryotes naturels afin de tester sa biodisponibilité. On a observé que MOD-PH a favorisé une croissance significative dans tous les traitements, et aucune différence claire dans la labilité de la MOD-PH n'a été démontré à partir de la croissance des procaryotes. Mais les différentes qualités de MOD-PH ont sélectionné pour différents taxons indicateurs. Nos résultats soulignent que la labilité de la MOD dépend à la fois de sa qualité, déterminée par la disponibilité du P, et de la composition de la communauté. Pour voir si résultats observés en laboratoire pouvaient être traduits en observations sur le terrain, un échantillonnage a été conduit en Méd. de 2019 à 2021 pour suivre les changements temporels de la composition de la MOD, mesurée par spectrométrie de masse à résonance cyclotronique ionique à transformée de Fourier (FT-ICR MS) avec d'autres descripteurs de la MOD, des mesures microbiennes et environnementales. On a postulé que la qualité de la MOD de surface en Méd. passe de labiles à réfractaires pendant la période d'accumulation en été, et que les PH jouent un rôle majeur dans sa formation. Les indices de récalcitrance de la MOD ont augmenté en été, confirmant notre hypothèse. L’augmentation de diversité fonctionnelle chimique de la MOD suggère que la MOD résulte de l'interaction entre différents processus: la production primaire dissoute, l’activité des PH et la photodégradation qui diversifient la MOD la rendant récalcitrants. Dans l'ensemble, cette thèse rassemble des observations expérimentales et in situ de paramètres biogéochimiques et microbiens pour comprendre le rôle de la pompe à carbone microbienne dans le cycle de la MOD dans l'océan
Dissolved organic matter (DOM) is one of the largest reservoirs of reduced carbon on earth, containing roughly the same amount of carbon as CO2 in the atmosphere. Heterotrophic prokaryotes (HP, Bacteria and Archaea) play a key role in DOM cycling in the ocean. They process about half of the carbon fixed by primary producers, either to produce biomass or CO2. However, less attention has been paid to the role of HP as DOM source. The so-called microbial carbon pump (MCP) states that HP produce recalcitrant DOM, this is, compounds that resist further remineralization and are thus stored in the ocean for thousands of years. In oligotrophic ecosystems, such as the Mediterranean Sea, the MCP is predicted to play a major role in carbon sequestration. The ultimate reasons why this DOM is produced, and which are the conditions that make it refractory, remain unclear. Our objective is to understand the environmental factors driving the MCP, with a particular focus on DOM dynamics in Med Sea, an oligotrophic ecosystem particularly limited in phosphorus and highly vulnerable to climate change. We mainly answer 3 questions: Is the quantity and quality of HP-derived DOM (HP-DOM) dependent on P limitation? Does P limitation affect the bioavailability of HP-DOM?. How does DOM composition and bioavailability change seasonally in the Med Sea and what is the role of HP on this variability?To determine the effect of P limitation on HP-DOM, lab incubations were carried out using single bacterial strains and mixed HP communities. Incubations were done in artificial sea water with a single carbon source (glucose) under contrasting P concentrations, and HP-DOM was quantified and characterized at the stationary growth phase. Here, we showed that P limitation did not significantly affect the quantity of HP-DOM but it affected its quality, measured by fluorescence spectroscopy (FDOM), with a predominance of humic-like FDOM under P limitation but protein-like FDOM under P repletion. This HP-DOM was then used as a substrate for natural prokaryotes to test the bioavailability of the HP-DOM released under P repletion or P limitation (chapter II). These experiments demonstrated that HP-DOM promoted significant growth in all treatments, and no clear differences in HP-DOM lability were evidenced based on the prokaryotic growth. But HP-DOM supported the growth of diverse communities and P-driven differences in HP-DOM quality selected for different indicator taxa. Our findings emphasize that HP-DOM lability is dependent on both DOM quality, shaped by P availability, and the composition of the consumers community. To see if HP-DOM release patterns observed in the lab could be translated into field observations, sampling in the Med Sea was carried from 2019 to 2021 to follow temporal changes in DOM composition, measured by Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FT-ICR MS) together with other DOM descriptors (DOC, FDOM, etc.), microbial and environmental measures. We hypothesized that DOM composition in the surface Med Sea changes from labile to refractory compounds during the summer accumulation period, and that HP might play a significant role in its formation. DOM recalcitrance proxies (aromaticity, unsaturation and molecular size) increased in summer; confirming our hypothesis of an increase in DOM recalcitrance in the mixed layer during stratification. DOM molecular and chemical functional diversity also increased, suggesting that the accumulated DOM in summer is likely the result of the interplay between different processes: dissolved primary production, prokaryotic processing and photobleaching that transform DOM into a highly diverse pool enriched in recalcitrant compounds. Overall, this thesis brings together experimental and in situ observations of biogeochemical and microbial parameters to understand the role of the microbial carbon pump in DOM cycling in the ocean

La pompe de gavage ou pompe à carburant est un organe auxiliaire nécessaire au bon fonctionnement d'un véhicule. Elle permet d'acheminer le carburant du réservoir vers les systèmes d'injections du moteur. Cette pompe, constituée d'un moteur électrique entraînant une turbine, permet la mise en mouvement du carburant. Le passage du courant est assuré entre le stator et le rotor par le biais du contact frottant entre deux balais fixes et un collecteur tournant en composite graphite/polymère, immergé en milieu carburant. Ces travaux ont pour but de contribuer à la compréhension de ce contact glissant électrifié immergé. Un tribomètre spécifique a été développé afin de tester différents couples de matériaux balais-collecteur dans des conditions mécaniques, électriques et physico-chimiques variées, tout en mesurant l'usure, l'effort de frottement et la résistance électrique du double contact. De nouvelles nuances de matériaux carbonés s'adaptant aux contraintes chimiques des nouveaux biocarburants présents sur le marché automobile ont été testées et ont mis en évidence différents comportements tribologiques. L'usure observée est principalement due au passage du courant sous forme d'arcs électriques modifiant ainsi la topographie des surfaces. Deux endommagements distincts sont visibles : le cratère et la bosse dont les volumes augmentent avec l'énergie développée par l'arc et sont reliés à la présence subsurfacique de polymère. A partir de ces conclusions expérimentales, un modèle phénoménologique du comportement à l'usure a été proposé. Il permet d'apporter une aide à la compréhension des mécanismes complexes et nombreux, présents dans le frottement des balais et du collecteur.

Dans le système de la pompe biologique océanique, l'incorporation et la séquestration du carbone d'origine atmosphérique dans les sédiments marins résultent de la fixation en surface de ce carbone, suivie de son transit dans la colonne d'eau sous forme de particules carbonées. Dans la zone euphotique (0-200m), la photosynthèse par le phytoplancton joue le rôle primordial de fixateur du carbone atmosphérique dans des particules organiques consommées ensuite par les autres organismes marins hétérotrophes. La matière organique particulaire produite directement à partir du phytoplancton (comme les agrégats) ou indirectement par les organismes (par exemple les pelotes fécales) représentent le principal vecteur d'export du carbone vers l'océan profond. Dans ce contexte, l'efficacité de la pompe biologique est alors fonction de la vitesse de sédimentation des particules et finalement seules les particules dont la taille et la masse sont suffisantes parviennent jusqu'au sédiment. Ces considérations ont ainsi permis d'établir que les particules d'une taille > 500µm connues dans la littérature scientifique sous le terme de "neige marine" contribuaient significativement à l'export en profondeur. Au cours de l'expédition TARA, l'utilisation du Profileur de Vision Marine (PVM) nous a permis d'établir la distribution en taille du compartiment particulaire (> 100µm) depuis la surface jusqu'à 1500m de profondeur dans plus de 150 stations échantillonnées dans les océans majeurs. A l'aide de cette base de données, couplée aux données environnementales (physiques et biogéochimiques), nous avons cherché à évaluer l'intensité du flux particulaire (dérivé de la distribution en taille des particules) et à déterminer les processus biotiques et abiotiques modulant cet export. Dans la première partie de ce travail, une classification réalisée à partir des profils verticaux de flux a permis de mettre en évidence l'importance de la production de surface et la contribution des différentes communautés de phytoplancton (micro-, nano- et pico-phytoplancton) à l'établissement du flux particulaire sous la couche de surface, mais aussi le rôle des processus de transformation dans différentes régions océaniques dans l'atténuation du flux en profondeur. En dehors des régions à dominante oligotrophe où la quantité de matériel particulaire en surface reste extrêmement faible, nous avons constaté que l'atténuation du flux la plus faible correspondait aux "Zones à Minimum d'Oxygène" (OMZ). La deuxième partie de ce travail de thèse s'articule donc autour de l'étude des OMZ afin de comprendre les processus impliqués dans la dynamique du transfert vertical des particules. Sur la base de mesures biogéochimiques réalisées à partir de l'ensemble des capteurs (optique et imagerie), nous avons pu observer que les faibles valeurs d'atténuation de flux (k = 0,35 +/- 0,26) dans l'OMZ étaient en fait le résultat d'une réaugmentation profonde de 5 à 15% de celui-ci. Nous discutons cette réaugmentation comme étant une conséquence de l'activité des communautés mésopélagiques de zooplancton vivant sous la couche suboxique des OMZ (oxycline inférieure) tout en proposant aussi un rôle potentiel des microorganismes anaérobiques sur la dégradation et la modification de la matière organique particulaire en sédimentation dans le coeur de l'OMZ. Enfin, la dernière partie de ce travail se focalise sur la plus intense OMZ, celle de la Mer d'Arabie (Océan Indien). A l'aide d'un modèle de transport Lagrangien, nous avons évalué la possibilité d'un transport particulaire advectif depuis la côte (Golfe Persique) vers le large qui aurait pu contribuer à alimenter en matière organique la couche suboxique de l'OMZ
In the biological pump system, incorporation and sequestration of atmospheric carbon into marine sediment result of carbon fixation at ocean surface, followed by its sinking through the water column in the form of particulate carbon. In the euphotic zone (0-200m), phytoplankton photosynthesis allows carbon fixation into organic particles that are consumed by other heterotrophic organisms. Particulate organic carbon produced directly by phytoplankton (as aggregated particles) or indirectly by organisms (for example as faecal pellets) represent the main vector of carbon export to deep ocean. In this context, efficiency of the biological pump is a function of the settling speed of a particle and only those particles with sufficient mass and size reach the sediment. These considerations permit us to conclude that particles with a diameter greater than 500µm, known as "marine snow", contribute significantly to deep export. During the TARA expedition, the use of a UVP (Underwater Vision Profiler) allowed to establish the size distribution of particles (> 100µm) from the ocean surface to 1500m depth, with more than 150 sampling stations across 3 major oceans. With this database completed by environmental variables, we tried to evaluate intensity of particulate flux and identify biotic and abiotic processes influencing this export. In the first part of this work, a clustering based on flux profiles showed the importance of surface production and contribution of each phytoplanktonic community (pico-, nano- and microphytoplankton) to particulate flux under surface, but also the role of transformation processes in different oceanic regions to flux attenuation. Except in oligotrophic regions where surface particulate stock is very low, we observed that the weakest flux attenuation k = 0,35 +/- 0,26) corresponded to the "Oxygen Minimum Zones" (OMZ). The second part of this work is related to OMZ in order to understand which processes are involved in the dynamics of particulate vertical transfer. On the base of biogeochemical measurements taken by optical and image sensors, we could observe that weak attenuation values in OMZ were in fact the result of a deep increase of 5 to 15% of flux. We discuss this increase as a consequence of zooplankton mesopelagic communities activity living at the lower oxycline of the suboxic layer, but we also proposed a potential influence of anaerobic microorganisms on degradation and modification of the settling organic matter in the suboxic core. The last section of this work focuses on the most intense OMZ, located in the Arabian Sea (Indian Ocean). We used a Lagrangian particle model to evaluate the possibility of advective particulate transport from coastal area (Persian Gulf) to the open ocean, which could supply the OMZ suboxic layer with organic

Les polymères électroactifs (PAE), sont des matériaux permettant de réaliser une conversion entre l'énergie électrique et mécanique. L'objet de ce travail est de proposer des procédés de modifications des terpolymères électrostrictifs par voies composites basés sur différentes approches dans le but d’améliorer les performances électromécaniques et de développer des applications à partir de ces matériaux modifiés. Dans un premier temps, un nano-composite à base de terpolymère et de noir de carbone a été préparé pour améliorer la permittivité diélectrique. Dans un deuxième temps, sur la base de la nature hétérogène de terpolymère semi-cristallin ainsi que du rôle important que la polarisation interfaciale joue sur la réponse diélectrique et électromécanique, une faible quantité d’agent plastifiant (bis (2-ethylhexyl) phalate (DEHP)) a été introduite dans le terpolymère électrostrictif afin de former un composite tout organique permettant l'amélioration des performances électromécaniques. Enfin, l’utilisation de ces matériaux modifiés dans deux applications spécifiques a été étudiée: La récupération de l'énergie mécanique et une pompe microfluidique sans valve
Electroactive polymers (EAPs), which can realize the conversion between electrical and mechanical energy, have been emerging as one of the most interesting smart materials in the past two decades due to their low density, excellent mechanical properties, ease of processing, low price and potential applications in the fields of sensors, actuators, generators, biomimetic robots and so on. The object of this work is to modify electrostrictive terpolymers with different approaches to improve the electromechanical performances and to develop some applications based on modified terpolymers. Firstly, an organic/inorganic (terpolymer/carbon black) nanocomposite was prepared to improve the dielectric permittivity based on the percolation theory. Secondly, based on the heterogeneous nature of semi-crystalline terpolymer and the important role that interface polarization plays for dielectric and electromechanical response, small molecular plasticizer bis(2-ethylhexyl) phalate (DEHP) was introduced into electrostrictive terpolymer to form an all-organic polymer composite with improved electromechanical performances. Finally, two applications including mechanical energy harvesting and microfluidic pump based on DEHP modified terpolymers were investigated

Les régions polaires sont particulièrement touchées par les changements climatiques, ce qui a profondes conséquences sur le développement du phytoplancton et le fonctionnement de la pompe biologique. La structure des communautés planctoniques et les propriétés spécifiques aux espèces influencent l'export de la matière organique et biominérale. Cette thèse a pour but (1) de déterminer les facteurs contrôlant la structure et le développement des communautés de diatomées dans les régions polaires, (2) d'évaluer l'influence de la diversité des espèces sur la composition de la matière particulaire, et (3) de comprendre les modes de mortalité et d'export des diatomées dans l'océan profond. Ces travaux reposent sur l'étude de deux régions subpolaires situées aux antipodes : (1) la baie de Baffin en Arctique, et (2) la région des Kerguelen dans l'océan Austral. Dans la baie de Baffin, nous avons mis en évidence une succession des communautés de diatomées en lien avec la fonte de la banquise et le gradient des masses d'eau. Dans la région des Kerguelen, nous avons confirmé le rôle du fer avec l'identification de deux communautés distinctes situées de part et d'autre du plateau. Dans la zone HNLC, les diatomées sont davantage silicifiées, ce qui conduit à une augmentation des rapports BSi:POC des diatomées et de la matière particulaire. Nous avons montré que près de 93 % des particules >20 μm des couches intermédiaires (125-500 m) et profondes (>500 m) sont des cellules individuelles de diatomées—les pelotes fécales et les agrégats ne représentant que 2 % des particules—ce qui montre l'importance des petites particules dans les flux d'export
Polar regions are particularly affected by the ongoing climate changes which have profound consequences on the development of phytoplankton and on the functioning of the biological pump. Plankton community structure and species-specific properties can strongly influence the export of organic matter and biomineral. The objectives of this PhD are (1) to identify the factors controlling the development and the structure of diatom communities, (2) to assess the influence of species diversity on the composition of particulate matter, and (3) to understand diatom mortality and export modes in the deep ocean. This work is based on the study of two subpolar regions: (1) the Baffin Bay in the Arctic, and (2) the Kerguelen region in the Southern Ocean. In Baffin Bay, we highlight a diatom community succession in relation with sea ice melting and the strong west-to-east water masses gradient prevailing in the bay. In the Kerguelen region, we confirm that iron is a key parameter controlling diatom community structure since we identified two distinct communities located either above the Fe-fertilized plateau or in adjacent HNLC waters. In the HNLC area, diatoms were more heavily silicified, resulting in higher Si:C elemental ratios in diatoms as well as in the bulk particulate matter. We show that 93 % of the intermediate (125-500 m) and deep (>500 m) particle stocks were single diatom cells — fecal pellets and aggregates represented less than 2% of the collected particles — providing new evidences of the importance of small particles for export fluxes

Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet OUTPACE visant à caractériser les eaux du Pacifique tropical Sud-Ouest (WTSP) en termes de stocks et flux biogéochimiques, et de diversité biologique des diazotrophes le long d'un transect longitudinal Ouest-Est. Il est le fruit de la combinaison étroite de deux approches, l'une expérimentale et l'autre basée sur la modélisation, dans le but d'étudier le rôle de la diazotrophie dans la dynamique planctonique et les cycles biogéochimiques des eaux de surface du WTSP. Les analyses de plusieurs grandeurs mesurées lors de la campagne, et notamment la production primaire (PP) et du temps de turnover du phosphate inorganique dissous (DIP), ont permis d'observer un gradient Ouest-Est de productivité et de disponibilité nutritive, étroitement lié à la variabilité spatiale des taux de fixation de N$_2$. L'utilisation d'un modèle biogéochimique mécaniste (implémenté dans la plateforme Eco3M) incluant explicitement deux compartiments de diazotrophes, couplé à un modèle physique 1D vertical, a permis de mettre en évidence le fait que l'absence/présence de diazotrophie permettait d'expliquer le contraste observé entre les régions de l'Ouest de l'archipel Mélanésien (WMA) et de l'Ouest de la gyre du Pacifique Sud (WGY). Les résultats du modèle ont montré que les organismes non diazotrophes bénéficiaient de l'apport d'azote nouveau apporté par la fixation de N$_2$, et que la production planctonique de surface dépendait significativement de l'activité des diazotrophes, cette dernière contrôlée à l'Ouest par la disponibilité en phosphate et à l'Est par la disponibilité en fer
This work is part of the OUTPACE project which aimed to characterize the western tropical south Pacific (WTSP) in terms of biogeochemical stocks and fluxes and biological diversity of diazotrophs along a West-East longitudinal transect. This work combines an experimental with a modeling approach in order to study the role of diazotrophy in the planktonic dynamics and biogeochemical cycles of the WTSP surface waters. The values measured during the campaign, iespecially those of primary production (PP) and dissolved inorganic phosphate (DIP) turnover time, revealed a West-East gradient of productivity and nutrient availability, closely related to the spatial variability of N$_2$ fixation rates. The use of a mechanistic biogeochemical model (implemented in the Eco3M platform) explicitly including two compartments of diazotrophs and coupled with a vertical 1D physical model, allowed to highlight the fact that the absence / presence of diazotrophy could explain the contrast between the western regions of the Melanesian Archipelago (WMA) and the west of the south Pacific gyre (WGY). ). The model results showed that non-diazotrophic organisms benefited from the new nitrogen supply provided by nitrogen fixers, and that the surface planktonic production depended significantly on diazotroph activity, which is controlled by the phosphate availability in the west and by the iron availability in the east of the WTSP

Energy savings and the environmental impacts of energy systems are distinctive issues which have driven scientific research in heating, ventilation and air conditioning systems over the last couple of decades. The main reasons are increasing energy costs and concerns related to negative environmental impacts, in particular anthropic greenhouse effect. There are two contributors to the greenhouse effect for refrigerating systems. The first is due to the primary input energy, in large part from fossil energy, that is, organic substances which produce carbon dioxide upon burning. Therefore, if the energy efficiency increases, this contribution will decrease. The second contribution is directly due to the operating fluid or refrigerant; the principal halogenated refrigerant fluids utilized are strong greenhouse gases when they leak to the atmosphere. In order to change these fluids there are two primary options being pursued. The first is the use of natural fluids: carbon dioxide, hydrocarbon, ammonia; the second is the use of new synthetic fluids such as HFOs (hydrofluoroolefins). Both of these solutions have lower (or zero) greenhouse impact relative to halogenated refrigerants. Unfortunately both approaches involve several efficiency and technological problems. Another way to reduce the working fluid’s contribution is to decrease the system refrigerant charge, accounting for standard charge restrictions. After an introductory chapter, this work presents an air-water commercial reversible heat pump with an aluminium louver-fin flat-tube minichannel heat exchanger, with a small internal volume, allowing for high charge reduction. Further a user friendly code to simulate the minichannel heat exchanger working as an evaporator or condenser is described. The model allows the user to calculate the heat exchanger performance and to optimize the circuitry. The model has been used to validate and simulate an automotive air conditioning condenser working with the new HFO-1234yf fluid, including the effects of the presence of oil. Later, three applications with natural fluids are investigated: the first is a low charge ammonia chiller for an air conditioning system; the second is a simple reversible water/water carbon dioxide heat pump working for a residential building winter heating, summer cooling and tap water production; the third is a carbon dioxide reversible heat pump working with an ejector as the throttling device for increasing the system efficiency. Finally, a method to optimize circuit length in a finned coil evaporator and a comparison of fluid evaporating performance, in particular for the new fluids HFO-1234yf and HFO-1234ze(E), is described. The new HFO refrigerants benefit more from circuit optimization than do the halogenated refrigerants they are designed to replace. In summary the goal is to show some solutions for chiller and heat pump systems in reference to the energy efficiency, charge reduction, and halogenated fluid substitution problems, taking into account that there is no univocal solution to these problems, but each application needs to be studied and optimized considering its own features.
I temi dell’efficienza energetica e dell’impatto ambientale sono requisiti che sempre più negli ultimi decenni hanno guidato la ricerca scientifica riguardante i sistemi di refrigerazione, condizionamento dell’aria e riscaldamento. Le principali ragioni sono: l’aumento del prezzo dell’energia con una conseguente maggiore attenzione ai costi di esercizio e la necessità di ridurre i contributi indiretto e diretto all’effetto serra antropico. Il contributo indiretto è legato all’energia primaria utilizzata, nella maggior parte dei casi energia fossile quindi combustione di sostanze organiche con produzione di anidride carbonica, attualmente il principale gas serra; per ridurre questo contributo è necessario incrementare l’efficienza energetica del sistema. Il contributo diretto è dovuto ai refrigeranti, i fluidi alogenati attualmente utilizzati sono fortemente gas serra se immessi in atmosfera. Si è indirizzati da un lato a sviluppare sistemi utilizzanti fluidi naturali: l’anidride carbonica (il cui contrito all’effetto serra, nettamente inferiore agli HFC, è 0 se si utilizza quella esistente), gli idrocarburi, l’ammoniaca; dall’altro lato si sono introdotti nuovi fluidi sintetici HFO a ridotto effetto serra. Si cerca inoltre di ridurre la carica di refrigerante del sistema, tenendo conto che in alcuni casi vi sono vincoli normativi proprio sulla carica. Nella prima parte di questo lavoro si presenta l’utilizzo di uno scambiatore di calore a minicanali in una PDC aria-acqua commerciale; questo tipo di scambiatori a basso volume interno consente di ridurre considerevolmente la carica di refrigerante del sistema. In seguito si presenta un modello di simulazione per il calcolo delle prestazioni e l’ottimizzazione di evaporatori e condensatori a minicanali ed una sua validazione/applicazione per calcolare un condensatore funzionante con fluido R1234yf tenendo conto anche della presenza dell’olio. Si presentano poi soluzioni utilizzanti i fluidi naturali: un chiller ad ammoniaca a bassa carica, una PDC ad anidride carbonica per un edificio residenziale, ed uno studio sperimentale sull’uso dell’eiettore come organo di laminazione per incrementarne l’efficienza di queste PDC. Si presenta infine un metodo per l’ottimizzazione della lunghezza dei circuiti negli evaporatori a batteria alettata ed un confronto delle prestazioni di diversi refrigeranti in evaporazione con particolare riferimento ai nuovi HFO R1234yf e R1234ze(E). In sintesi l’obbiettivo di questo lavoro è quello di offrire diverse soluzioni che vadano nella direzione dell’incremento dell’efficienza, della riduzione della carica e dell’impatto ambientale, tenendo conto che non esiste una soluzione univoca a tali problemi, ma che ciascuna applicazione va studiata ed ottimizzata nelle proprie peculiarità.

Etude experimentale et simulation dynamique de systemes de pompe a chaleur a adsorption solide. Les systemes methanol-charbon actif et eau-zeolite sont etudies. Les conditions de temperature des composants (adsorbeur, condenseur et evaporateur) doivent etre homogenes pour la simulation. On considere les cycles intermittents (simple effet), a double effet et a triple effet (cycle a cascades). Determination d'un coefficient de performance pour la production du froid

Dans les océans, les procaryotes sont des acteurs clés dans le cycle du carbone puisqu’ils consomment une fraction importante de la matière organique dissoute (MOD) relâchée par les producteurs primaires. Puisque cette matière organique est très complexe et de biodisponibilité variable, les communautés de procaryotes qui la consomme sont très diversifiées et spécialisées pour certains types de composés organiques. En utilisant cette matière organique, les procaryotes contribuent à réintroduire ce carbone dans le réseau trophique, une source d’énergie essentielle dans les gyres oligotrophes de l’océan. Toutefois, puisque cette consommation n’est pas parfaite, une quantité importante de carbone est relâchée sous forme de CO2 lors de la respiration, mais aussi sous forme de MOD récalcitrante, contribuant à séquestrer du carbone dans les océans. Le but de cette thèse est d’une part, de dresser un portrait global de la biodisponibilité de la MOD et d’autre part, de déterminer l’influence de la biodisponibilité de cette dernière sur la composition et le métabolisme des procaryotes dans la mer du Labrador, une mer dont le rôle est critique dans la régulation du climat. Plus spécifiquement, nous identifions pour la première fois comment la distribution spatiale des procaryotes influencent leur métabolisme et est influencée par leur préférence alimentaire dans les eaux de surface de la mer du Labrador. Finalement, nous regardons comment la matière organique produite en surface est transformée et séquestrée en profondeur suite à la convection hivernale dans la mer du Labrador. Le budget de carbone dans les océans n’est toujours pas balancé. Afin de mieux connaître les sources et la biodisponibilité du carbone dans les différents milieux aquatiques, nous avons évalué la biodisponibilité de la MOD à travers le continuum aquatique, des lacs jusqu’à l’océan. En menant une méta-analyse sur le sujet, nos résultats montrent que la proportion de matière organique labile, c’est-à-dire facilement utilisable par les procaryotes, est d’environ 6% dans tous les environnements aquatiques. Toutefois, la proportion de matière organique semi-labile, celle qui nécessite plus de transformation par les procaryotes, est grandement liée à la proximité au milieu terrestre. Les seuls écosystèmes aquatiques déviant de ces deux constats sont ceux en période d’efflorescence algale: ils contiennent beaucoup plus de carbone labile et semi-labile que ceux à l’équilibre. Nous avons estimé que le carbone semi-labile peut soutenir 62% de la biomasse de procaryotes dans les lacs et les milieux côtiers. Dans un deuxième temps, nous évaluons l’influence de la MOD sur le métabolisme et les communautés de procaryotes. Nous avons fait trois missions océanographiques sur la mer du Labrador à bord du navire Hudson pour déterminer la composition de la MOD et la communauté des procaryotes ainsi que leur métabolisme. En utilisant une approche novatrice, la modélisation de la distribution spatiale de l’abondance des procaryotes, nous avons montré à quel point celle-ci est importante pour déterminer leur préférence alimentaire ainsi que leur métabolisme. Nous avons également proposé un nouveau cadre conceptuel qui vise à faciliter la recherche à l’interface de la biogéochimie, de l’écologie microbienne et du métabolisme microbien. Dans un dernier temps, nous avons comparé la capacité des procaryotes venant de différentes profondeurs océaniques à séquestrer le carbone. Lors de la consommation de la MOD, les procaryotes en relâche une petite fraction sous forme plus récalcitrante. En répétant ce processus, le carbone résiduel devient très récalcitrant et peut résister à la consommation par les procaryotes durant des centaines d’années. Nous avons montré que les procaryotes de l’océan profond sont plus efficaces pour séquestrer le carbone de cette façon. Nos résultats montrent que ce sont les taxons rares des procaryotes qui sont les éléments clés dans cette suite de transformation qui mène à la séquestration du carbone appelée pompe microbienne. Cette thèse contribue à la compréhension du cycle du carbone dans la mer du Labrador et dans les écosystèmes aquatiques en général. Nous avons proposé une approche novatrice permettant de lier la qualité de la MOD à la composition des communautés de procaryotes qui la dégrade, un défi qui perdure depuis des dizaines d’années. De plus, nous montrons pour la première fois la que la pompe microbienne de carbone est un processus itératif fortement relié à la succession de la communauté de procaryotes. Nous montrons également que la pompe microbienne est active dans chaque strate océanique, mais que les procaryotes rares issus de l’océan profond sont plus efficaces à séquestrer le carbone. Mieux comprendre comment la composition de la MOD influence les procaryotes est primordial puisqu’ils sont centraux au cycle du carbone océanique.
Oceanic prokaryotes are key players in the carbon cycle by consuming dissolved organic mat-ter (DOM) produced by primary producers. As this organic matter is highly complex with varying degree of bioavailability, prokaryotic communities are highly diverse and different taxa target certain types of organic compounds. By consuming this organic matter, prokary-otes reintroduce this carbon into the food web, a critical energy flow in oligotrophic gyres. However, this consumption is not perfect and they release a lot of carbon as CO2 through respiration, but also as recalcitrant DOM. Thus, they contribute to carbon sequestration in aquatic ecosystems. The objective of this thesis is to characterize DOM bioavailability and its influence on the composition and metabolism of prokaryotic communities in the Labrador Sea, described as one of the Earth’s climate system tipping elements. More precisely, we quantify for the first time how the spatial abundance distribution of prokaryotes influences ecosystem metabolism and organic matter association in the surface waters of the Labrador Sea. Lastly, we look at how DOM produced at the surface is transformed and sequestered following the Labrador Sea winter convective mixing. The oceanic carbon budget is still unbalanced. In order to better understand its carbon sources and bioavailability, we characterize DOM bioavailability across the aquatic contin-uum, from lakes to the open ocean. Using a meta-analysis, our results show that the propor-tion of labile organic matter, i.e. readily available for prokaryotes, is similar at around 6% in all aquatic ecosystems. However, the proportion of semi-labile organic matter, i.e requiring transformations to be consumed by prokaryotes, is highly related to terrestrial connectivity. The only ecosystems that did not follow these patterns were in a phytoplankton bloom pe-riod and had a high proportion of labile and semi-labile organic matter as their counterparts at equilibrium. Finally, we estimated that semi-labile organic matter could sustain 62% of prokaryotic biomass in lakes and coastal zones. Second, we evaluated the influence of DOM on prokaryotic metabolism and community composition. In order to determine organic matter composition, prokaryotic community composition and metabolic rates, we did three oceanic cruises in the Labrador Sea onboard the Hudson ship. By using spatial abundance distribution modelling of prokaryotes, we identified strong associations between groups of this novel approach and organic matter composition. We also proposed a framework to bridge the gap between prokaryotic diversity, microbial ecology, and biogeochemistry among methods and across scales. Lastly, we compared how prokaryotic communities from different oceanic strata could se-quester carbon. When they consume organic matter, prokaryotes release a small amount in recalcitrant forms. Through this iterative process, called the microbial carbon pump, prokaryotes contribute to carbon sequestration by creating highly recalcitrant compounds that resist further degradation for hundreds of years. We have shown that all prokaryotes enable the microbial carbon pump, but that prokaryotes from deeper strata are more effi-cient. Our results also conclusively show that the rare prokaryotic taxa are key players in the microbial carbon pump. This thesis contributes to better understand the carbon cycle in the Labrador Sea and in all aquatic ecosystems. We proposed a novel framework to relate biogeochemistry, prokaryotic diversity and microbial ecology which has been a challenge for decades. Moreover, we con-clusively showed for the first time that the iterative process of the microbial carbon pump is related to prokaryotic succession. We also show that it happens in all oceanic strata, but that rare prokaryotes from the deep ocean are more efficient to sequester carbon. Better understanding how DOM composition influences prokaryotes is of prime importance as they are the main drivers of the oceanic carbon cycle.