Higher-order colored-noise effects in multivariable systems

We extend the partial resummation technique of Fokker-Planck terms for multivariable stochastic differential equations with colored noise. As an example, a model system of a Brownian particle with colored noise is studied. We prove that the asymmetric behavior found in analog simulations is due to higher-order terms which are left out in that technique. On the contrary, the systematic ¿-expansion approach can explain the analog results.

Soil aggregation and organic carbon of Oxisols under coffee in agroforestry systems

Intensive land use can lead to a loss of soil physical quality with negative impacts on soil aggregates, resistance to root penetration, porosity, and bulk density. Organic and agroforestry management systems can represent sustainable, well-balanced alternatives in the agroecosystem for promoting a greater input of organic matter than the conventional system. Based on the hypothesis that an increased input of organic matter improves soil physical quality, this study aimed to evaluate the impact of coffee production systems on soil physical properties in two Red-Yellow Oxisols (Latossolos Vermelho-Amarelos) in the region of Caparaó, Espirito Santo, Brazil. On Farm 1, we evaluated the following systems: primary forest (Pf1), organic coffee (Org1) and conventional coffee (Con1). On Farm 2, we evaluated: secondary forest (Sf2), organic coffee intercropped with inga (Org/In2), organic coffee intercropped with leucaena and inga (Org/In/Le2), organic coffee intercropped with cedar (Org/Ced2) and unshaded conventional coffee (Con2). Soil samples were collected under the tree canopy from the 0-10, 10-20 and 20-40 cm soil layers. Under organic and agroforestry coffee management, soil aggregation was higher than under conventional coffee. In the agroforestry system, the degree of soil flocculation was 24 % higher, soil moisture was 80 % higher, and soil resistance to penetration was lower than in soil under conventional coffee management. The macroaggregates in the organic systems, Org/In2, Org/In/Le2, and Org/Ced2 contained, on average, 29.1, 40.1 and 34.7 g kg-1 organic carbon, respectively. These levels are higher than those found in the unshaded conventional system (Con2), with 20.2 g kg-1.

Divergent signal-to-noise ratio and stochastic resonance in monostable systems

We present a class of systems for which the signal-to-noise ratio always increases when increasing the noise and diverges at infinite noise level. This new phenomenon is a direct consequence of the existence of a scaling law for the signal-to-noise ratio and implies the appearance of stochastic resonance in some monostable systems. We outline applications of our results to a wide variety of systems pertaining to different scientific areas. Two particular examples are discussed in detail.

Fluctuations in finite systems: fluctuations in fluids in thermocapillary motion

We compute nonequilibrium correlation functions about the stationary state in which the fluid moves as a consequence of tangential stresses on the liquid surface, related to a varying surface tension (thermocapillary motion). The nature of the stationary state makes it necessary to take into account that the system is finite. We then extend a previous analysis on fluctuations about simple stationary states to include some effects related to the finite size of the sample.

Budgeting rockfall and modeling sedimentary delivery in torrent systems

This thesis is a compilation of projects to study sediment processes recharging debris flow channels. These works, conducted during my stay at the University of Lausanne, focus in the geological and morphological implications of torrent catchments to characterize debris supply, a fundamental element to predict debris flows. Other aspects of sediment dynamics are considered, e.g. the coupling headwaters - torrent, as well as the development of a modeling software that simulates sediment transfer in torrent systems. The sediment activity at Manival, an active torrent system of the northern French Alps, was investigated using terrestrial laser scanning and supplemented with geostructural investigations and a survey of sediment transferred in the main torrent. A full year of sediment flux could be observed, which coincided with two debris flows and several bedload transport events. This study revealed that both debris flows generated in the torrent and were preceded in time by recharge of material from the headwaters. Debris production occurred mostly during winter - early spring time and was caused by large slope failures. Sediment transfers were more puzzling, occurring almost exclusively in early spring subordinated to runoffconditions and in autumn during long rainfall. Intense rainstorms in summer did not affect debris storage that seems to rely on the stability of debris deposits. The morpho-geological implication in debris supply was evaluated using DEM and field surveys. A slope angle-based classification of topography could characterize the mode of debris production and transfer. A slope stability analysis derived from the structures in rock mass could assess susceptibility to failure. The modeled rockfall source areas included more than 97% of the recorded events and the sediment budgets appeared to be correlated to the density of potential slope failure. This work showed that the analysis of process-related terrain morphology and of susceptibility to slope failure document the sediment dynamics to quantitatively assess erosion zones leading to debris flow activity. The development of erosional landforms was evaluated by analyzing their geometry with the orientations of potential rock slope failure and with the direction of the maximum joint frequency. Structure in rock mass, but in particular wedge failure and the dominant discontinuities, appear as a first-order control of erosional mechanisms affecting bedrock- dominated catchment. They represent some weaknesses that are exploited primarily by mass wasting processes and erosion, promoting not only the initiation of rock couloirs and gullies, but also their propagation. Incorporating the geological control in geomorphic processes contributes to better understand the landscape evolution of active catchments. A sediment flux algorithm was implemented in a sediment cascade model that discretizes the torrent catchment in channel reaches and individual process-response systems. Each conceptual element includes in simple manner geomorphological and sediment flux information derived from GIS complemented with field mapping. This tool enables to simulate sediment transfers in channels considering evolving debris supply and conveyance, and helps reducing the uncertainty inherent to sediment budget prediction in torrent systems. Cette thèse est un recueil de projets d'études des processus de recharges sédimentaires des chenaux torrentiels. Ces travaux, réalisés lorsque j'étais employé à l'Université de Lausanne, se concentrent sur les implications géologiques et morphologiques des bassins dans l'apport de sédiments, élément fondamental dans la prédiction de laves torrentielles. D'autres aspects de dynamique sédimentaire ont été abordés, p. ex. le couplage torrent - bassin, ainsi qu'un modèle de simulation du transfert sédimentaire en milieu torrentiel. L'activité sédimentaire du Manival, un système torrentiel actif des Alpes françaises, a été étudiée par relevés au laser scanner terrestre et complétée par une étude géostructurale ainsi qu'un suivi du transfert en sédiments du torrent. Une année de flux sédimentaire a pu être observée, coïncidant avec deux laves torrentielles et plusieurs phénomènes de charriages. Cette étude a révélé que les laves s'étaient générées dans le torrent et étaient précédées par une recharge de débris depuis les versants. La production de débris s'est passée principalement en l'hiver - début du printemps, causée par de grandes ruptures de pentes. Le transfert était plus étrange, se produisant presque exclusivement au début du printemps subordonné aux conditions d'écoulement et en automne lors de longues pluies. Les orages d'été n'affectèrent guère les dépôts, qui semblent dépendre de leur stabilité. Les implications morpho-géologiques dans l'apport sédimentaire ont été évaluées à l'aide de MNT et études de terrain. Une classification de la topographie basée sur la pente a permis de charactériser le mode de production et transfert. Une analyse de stabilité de pente à partir des structures de roches a permis d'estimer la susceptibilité à la rupture. Les zones sources modélisées comprennent plus de 97% des chutes de blocs observées et les bilans sédimentaires sont corrélés à la densité de ruptures potentielles. Ce travail d'analyses des morphologies du terrain et de susceptibilité à la rupture documente la dynamique sédimentaire pour l'estimation quantitative des zones érosives induisant l'activité torrentielle. Le développement des formes d'érosion a été évalué par l'analyse de leur géométrie avec celle des ruptures potentielles et avec la direction de la fréquence maximale des joints. Les structures de roches, mais en particulier les dièdres et les discontinuités dominantes, semblent être très influents dans les mécanismes d'érosion affectant les bassins rocheux. Ils représentent des zones de faiblesse exploitées en priorité par les processus de démantèlement et d'érosion, encourageant l'initiation de ravines et couloirs, mais aussi leur propagation. L'incorporation du control géologique dans les processus de surface contribue à une meilleure compréhension de l'évolution topographique de bassins actifs. Un algorithme de flux sédimentaire a été implémenté dans un modèle en cascade, lequel divise le bassin en biefs et en systèmes individuels répondant aux processus. Chaque unité inclut de façon simple les informations géomorpologiques et celles du flux sédimentaire dérivées à partir de SIG et de cartographie de terrain. Cet outil permet la simulation des transferts de masse dans les chenaux, considérants la variabilité de l'apport et son transport, et aide à réduire l'incertitude liée à la prédiction de bilans sédimentaires torrentiels. Ce travail vise très humblement d'éclairer quelques aspects de la dynamique sédimentaire en milieu torrentiel.

Long-range correlations in diffusive systems away from equilibrium

We study the dynamics of density fluctuations in purely diffusive systems away from equilibrium. Under some conditions the static density correlation function becomes long ranged. We then analyze this behavior in the framework of nonequilibrium fluctuating hydrodynamics.

Stochastic resonance in nonpotential systems

We propose a method to analytically show the possibility for the appearance of a maximum in the signal-to-noise ratio in nonpotential systems. We apply our results to the FitzHugh-Nagumo model under a periodic external forcing, showing that the model exhibits stochastic resonance. The procedure that we follow is based on the reduction to a one-dimensional dynamics in the adiabatic limit and in the topology of the phase space of the systems under study. Its application to other nonpotential systems is also discussed.

Long-term and long range migration of radioisotopes in terrestrial systems : mechanisms of radioisotopes (Cs, Sr, Pu, Am) mobilization in soils

Summary Artificial radionuclides were released in the environment during the atmospheric nuclear weapon tests and after accidental events involving nuclear industries. As a primary receptor of the deposition, the soil is a very sensitive compartment and understanding the interaction and migration of radionuclides within soils allows the development of scenario for the contamination risk of the population and of the environment. Most available field studies on radionuclides in soils only concern one or two isotopes, mostly 137Cs, and few physico-chemical soil parameters. The purpose of this study was a broader understanding of the radioecology of an Alpine valley. In a first part, we aimed to describe the depth distribution of 137Cs, 90Sr, 239+240Pu, and 241Am within different alpine soils and to identify some stable elements as indicators for accumulating layers. In the central part of the study, the goal was to investigate the repartition of ^Sr and 239Pu between the truly dissolved fraction and the colloidal fraction of the soil solutions and to identify the nature of colloids involved in the adsorption of ^Sr and 239Pu. These results were integrated in an "advection- sorption" transport model seeking to explain the migration of 239Pu and 90Sr within the soils and to assess the importance of colloidal transport for these two isotopes. A further aspect studied was the role of the competition between the radioisotopes (137Cs and 90Sr) and their stable chemical analogues (K and Ca) with respect to plant uptake by different plant species. The results on the depth distribution within the soils showed that 137Cs was mostly retained in the topsoil, to the exception of an organic-rich soil (Histosol 2) receiving important surface runoff, where migration down to a depth of 30 cm was observed. 137Cs depth distribution within the soils was similar to unsupported 210Pb depth distribution. The plant uptake of 137Cs clearly depended on the concentration of exchangeable potassium in the soils. Moreover, we showed that the 137Cs uptake by certain species of the taxonomic orders Poales and Rosales was more sensitive to the increase in exchangeable Κ compared to other orders. Strontium-90 was much more mobile in the soils than 137Cs and depth migration and accumulation in specific AI- and Fe-rich layers were found down to 30 cm. Copper and Ni showed accumulations in these same layers, indicating their potential to be used as indicators for the migration of ^Sr within the soils. In addition, we observed a 90Sr activity peak in the topsoil that can be attributable to recycling of 90Sr by plant uptake. We demonstrated for the first time that a part of 90Sr (at least 40%) was associated with the colloids in organic-rich soil solutions. Therefore, we predict a significant effect of the colloidal migration of ^Sr in organic-rich soil solutions. The plant uptake results for 90Sr indicated a phylogenetic effect between Non-Eudicot and Eudicots: the order Poales concentrating much less 90Sr than Eudicots do. Moreover, we were able to demonstrate that the sensitivity of the 90Sr uptake by 5 different Alpine plant species to the amount of exchangeable Ca was species-independent. Plutonium and 241Am accumulated in the second layer of all soils and only a slight migration deeper than 20 cm was observed. Plutonium and 241Am showed a similar depth distribution in the soils. The model results suggested that the present day migration of 239Pu was very slow and that the uptake by plants was negligible. 239Pu activities between 0.01 to 0.08 mBq/L were measured in the bulk soil solutions. Migration of 239Pu with the soil solution is dominated by colloidal transport. We reported strong evidences that humic substances were responsible of the sorption of 239Pu to the colloidal fraction of the soil solutions. This was reflected by the strong correlation between 239Pu concentrations and the content of (colloidal) organic matter in the soil solution. Résumé Certains radioéléments artificiels ont été disséminés dans l'environnement suite aux essais atmosphériques de bombes nucléaires et suite à des accidents impliquant les industries nucléaires. En tant que récepteur primaire de la déposition, le sol est un compartiment sensible et des connaissances sur les interactions et la migration des radioéléments dans le sol permettent de développer des modèles pour estimer la contamination de la population et de l'environnement. Actuellement, la plupart des études de terrain sur ce sujet concernent uniquement un ou deux radioéléments, surtout le 137Cs et peu d'études intègrent les paramètres du sol pour expliquer la migration des radioéléments. Le but général de cette étude était une compréhension étendue de la radio-écologie d'une vallée alpine. Notre premier objectif était de décrire la distribution en profondeur de 137Cs, ^Sr, 239+240pu et 241Am dans différents sols alpins en relation avec des éléments stables du sol, dans le but d'identifier des éléments stables qui pourraient servir d'indicateurs pour des horizons accumulateurs. L'objectif de la deuxième partie, qui était la partie centrale de l'étude, était d'estimer le pourcentage d'activité sous forme colloïdale du 239Pu et du 90Sr dans les solutions des sols. De plus nous avons déterminé la nature des colloïdes impliqués dans la fixation du ^Sr et 239Pu. Nous avons ensuite intégré ces résultats dans un modèle de transport développé dans le but de décrire la migration du 239Pu et 90Sr dans le sol. Finalement, nous avons étudié l'absorption de 137Cs et 90Sr par les plantes en fonction de l'espèce et de la compétition avec leur élément analogue stable (K et Ca). Les résultats sur la migration en profondeur du 137Cs ont montré que ce radioélément était généralement retenu en surface, à l'exception d'un sol riche en matière organique dans lequel nous avons observé une nette migration en profondeur. Dans tous les sols, la distribution en profondeur du 137Cs était corrélée avec la distribution du 210Pb. L'absorption du 137Cs par les plantes, était dépendante de la concentration en Κ échangeable dans le sol, le potassium étant un compétiteur. De plus, nous avons observé que les espèces ne réagissaient pas de la même manière aux variations de la concentration de Κ échangeable. En effet, les espèces appartenant aux ordres des Poales et des Rosales étaient plus sensibles aux variations de potassium échangeable dans le sol. Dans tous les sols Le 90Sr était beaucoup plus mobile que le 137Cs. En effet, nous avons observé des accumulations de 90Sr dans des horizons riches en Fe et Al jusqu'à 30 cm de profondeur. De plus, le Cu et le Ni montraient des accumulations dans les mêmes horizons que le 90Sr, indiquant qu'il pourrait être possible d'utiliser ces deux éléments comme analogues pour la migration du 90Sr. D'après le modèle développé, le pic de 90Sr dans les premiers centimètres du sol peut être attribué à du recyclage par les plantes. Le 90Sr en solution était principalement sous forme dissoute dans des solutions de sols peu organique (entre 60 et 100% de 90Sr dissous). Par contre, dans des solutions organiques, un important pourcentage de 90Sr (plus de 40%) était associé aux colloïdes. La migration colloïdale du 90Sr peut donc être significative dans des solutions organiques. Comme pour le 137Cs, l'absorption du 90Sr par les plantes dépendait de la concentration de son analogue chimique dans la fraction échangeable du sol. Par contre, les espèces de plantes étudiées avaient la même sensibilité aux variations de la concentration du calcium échangeable. Le plutonium et l'américium étaient accumulés dans le deuxième horizon du sol et nous avons observé seulement une faible migration plus profondément que 20 cm. Selon le modèle, la migration actuelle du plutonium est très lente et l'absorption par les plantes semble négligeable. Nous avons mesuré entre 0.01 et 0.08 mBq/L de 239Pu dans les solutions de sol brutes. La migration du plutonium par la solution du sol est due principalement aux colloïdes, probablement de nature humique. Résumé grand public Dans les années 1950 à 1960, l'environnement a été contaminé par des éléments radioactifs (radioéléments) artificiels provenant des essais des armes atomiques et de l'industrie nucléaire. En effet, durant ces années, les premiers essais de bombes atomiques se faisaient dans l'atmosphère, libérant de grandes quantités d'éléments radioactifs. De plus certains accidents impliquant l'industrie nucléaire civile ont contribué à la dissémination d'éléments radioactifs dans l'environnement. Ce fut par exemple le cas de l'accident de la centrale atomique de Tchernobyl en 1986 qui a causé une importante contamination d'une grande partie de l'Europe par le 137Cs. Lorsqu'ils sont libérés dans l'atmosphère, les radioéléments sont dispersés et transportés par les courants atmosphériques, puis peuvent être déposés dans l'environnement, principalement par les précipitations. Une fois déposés sur le sol, les radioéléments vont interagir avec les composants du sol et migrer plus ou moins vite. La connaissance des interactions des éléments radioactifs avec le sol est donc importante pour prédire les risques de contamination de l'environnement et de l'homme. Le but général de ce travail était d'évaluer la migration de différents éléments radioactifs (césium-137, strontium-90, plutonium et américium-241) à travers le sol. Nous avons choisi un site d'étude en milieu alpin (Val Piora, Tessin, Suisse), contaminé en radioéléments principalement par les retombées de l'accident de Tchernobyl et des essais atmosphériques de bombes atomiques. Dans un premier temps, nous avons caractérisé la distribution en profondeur des éléments radioactifs dans le sol et l'avons comparée à divers éléments stables. Cette comparaison nous a permit de remarquer que le cuivre et le nickel s'accumulaient dans les mêmes horizons du sol que le strontium-90 et pourraient donc être utilisés comme analogue pour la migration du strontium-90 dans les sols. Dans la plupart des sols étudiés, la migration du césium-137, du plutonium et de l'américium-241 était lente et ces radioéléments étaient donc accumulés dans les premiers centimètres du sol. Par contre, le strontium-90 a migré beaucoup plus rapidement que les autres radioéléments si bien qu'on observe des accumulations de strontium-90 à plus de 30 cm de profondeur. Les radioéléments migrent dans la solution du sol soit sous forme dissoute, soit sous forme colloïdale, c'est-à-dire associés à des particules de diamètre < Ιμηι. Cette association avec des colloïdes permet à des radioéléments peu solubles, comme le plutonium, de migrer plus rapidement qu'attendu. Nous avons voulu savoir quelle était la part de strontium-90 et plutonium associés à des colloïdes dans la solution du sol. Les résultats ont montré que le plutonium en solution était principalement associé à des colloïdes de type organique. Quant au strontium-90, ce dernier était en partie associé à des colloïdes dans des solutions de sol riches en matière organique, par contre, il était principalement sous forme dissoute dans les solutions de sol peu organiques. L'absorption de radioéléments par les plantes représente une voie importante pour le transfert vers la chaîne alimentaire, par conséquent pour la contamination de l'homme. Nous avons donc étudié le transfert du césium-137 et du strontium-90 de plusieurs sols vers différentes espèces de plantes. Les résultats ont montré que l'absorption des radioéléments par les plantes était liée à la concentration de leur analogue chimique (calcium pour le strontium-90 et potassium pour le césium- 137) dans la fraction échangeable du sol. De plus certaines espèces de plantes accumulent significativement moins de strontium-90.

Membrane interaction of polymyxin B and synthetic analogues studied in biomimetic systems: implications for antibacterial action

Membrane-active antimicrobial peptides, such as polymyxin B (PxB), are currently in the spotlight as potential candidates toovercome bacterial resistance. We have designed synthetic analogs ofPxB in order to determine the structural requirements for membraneaction. Since the mechanism of action of PxB involves interaction withboth the outer membrane and the cytoplasmic membrane of Gramnegative bacteria, we have used an approach based on mimicking theouter layers of these membranes using monolayers, Langmuir-Blodgettfilms and unilamelar vesicles, and applying a battery of biophysicalmethods in order to dissect the different events of membraneinteraction. Collectively, results indicate that the PxB analogues act inthe bacterial membrane by the same mechanism than PxB, and that cationic amphipathicity determines peptide activity.

Membrane interaction of polymyxin B and synthetic analogues studied in biomimetic systems: implications for antibacterial action

Membrane-active antimicrobial peptides, such as polymyxin B (PxB), are currently in the spotlight as potential candidates toovercome bacterial resistance. We have designed synthetic analogs ofPxB in order to determine the structural requirements for membraneaction. Since the mechanism of action of PxB involves interaction withboth the outer membrane and the cytoplasmic membrane of Gramnegative bacteria, we have used an approach based on mimicking theouter layers of these membranes using monolayers, Langmuir-Blodgettfilms and unilamelar vesicles, and applying a battery of biophysicalmethods in order to dissect the different events of membraneinteraction. Collectively, results indicate that the PxB analogues act inthe bacterial membrane by the same mechanism than PxB, and that cationic amphipathicity determines peptide activity.

Human fetal bone cells in delivery systems for bone engineering.

The aim of this study was to culture human fetal bone cells (dedicated cell banks of fetal bone derived from 14 week gestation femurs) within both hyaluronic acid gel and collagen foam, to compare the biocompatibility of both matrices as potential delivery systems for bone engineering and particularly for oral application. Fetal bone cell banks were prepared from one organ donation and cells were cultured for up to 4 weeks within hyaluronic acid (Mesolis(®)) and collagen foams (TissueFleece(®)). Cell survival and differentiation were assessed by cell proliferation assays and histology of frozen sections stained with Giemsa, von Kossa and ALP at 1, 2 and 4 weeks of culture. Within both materials, fetal bone cells could proliferate in three-dimensional structure at ∼70% capacity compared to monolayer culture. In addition, these cells were positive for ALP and von Kossa staining, indicating cellular differentiation and matrix production. Collagen foam provides a better structure for fetal bone cell delivery if cavity filling is necessary and hydrogels would permit an injectable technique for difficult to treat areas. In all, there was high biocompatibility, cellular differentiation and matrix deposition seen in both matrices by fetal bone cells, allowing for easy cell delivery for bone stimulation in vivo. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.

Cadmium-free quantum dots in aqueous solution: potential for fingermark detection, synthesis and an application to the detection of fingermarks in blood on non-porous surfaces

The use of quantum dots (QDs) in the area of fingermark detection is currently receiving a lot of attention in the forensic literature. Most of the research efforts have been devoted to cadmium telluride (CdTe) quantum dots often applied as powders to the surfaces of interests. Both the use of cadmium and the nano size of these particles raise important issues in terms of health and safety. This paper proposes to replace CdTe QDs by zinc sulphide QDs doped with copper (ZnS:Cu) to address these issues. Zinc sulphide-copper doped QDs were successfully synthesized, characterized in terms of size and optical properties and optimized to be applied for the detection of impressions left in blood, where CdTe QDs proved to be efficient. Effectiveness of detection was assessed in comparison with CdTe QDs and Acid Yellow 7 (AY7, an effective blood reagent), using two series of depletive blood fingermarks from four donors prepared on four non-porous substrates, i.e. glass, transparent polypropylene, black polyethylene and aluminium foil. The marks were cut in half and processed separately with both reagents, leading to two comparison series (ZnS:Cu vs. CdTe, and ZnS:Cu vs. AY7). ZnS:Cu proved to be better than AY7 and at least as efficient as CdTe on most substrates. Consequently, copper-doped ZnS QDs constitute a valid substitute for cadmium-based QDs to detect blood marks on non-porous substrates and offer a safer alternative for routine use.