Caractérisation des propriétés mécaniques de la pâte de carbone à 150°C dans le but d’optimiser la mise en forme des anodes utilisées dans les cuves Hall-Héroult

Les anodes de carbone sont des éléments consommables servant d’électrode dans la réaction électrochimique d’une cuve Hall-Héroult. Ces dernières sont produites massivement via une chaine de production dont la mise en forme est une des étapes critiques puisqu’elle définit une partie de leur qualité. Le procédé de mise en forme actuel n’est pas pleinement optimisé. Des gradients de densité importants à l’intérieur des anodes diminuent leur performance dans les cuves d’électrolyse. Encore aujourd’hui, les anodes de carbone sont produites avec comme seuls critères de qualité leur densité globale et leurs propriétés mécaniques finales. La manufacture d’anodes est optimisée de façon empirique directement sur la chaine de production. Cependant, la qualité d’une anode se résume en une conductivité électrique uniforme afin de minimiser les concentrations de courant qui ont plusieurs effets néfastes sur leur performance et sur les coûts de production d’aluminium. Cette thèse est basée sur l’hypothèse que la conductivité électrique de l’anode n’est influencée que par sa densité considérant une composition chimique uniforme. L’objectif est de caractériser les paramètres d’un modèle afin de nourrir une loi constitutive qui permettra de modéliser la mise en forme des blocs anodiques. L’utilisation de la modélisation numérique permet d’analyser le comportement de la pâte lors de sa mise en forme. Ainsi, il devient possible de prédire les gradients de densité à l’intérieur des anodes et d’optimiser les paramètres de mise en forme pour en améliorer leur qualité. Le modèle sélectionné est basé sur les propriétés mécaniques et tribologiques réelles de la pâte. La thèse débute avec une étude comportementale qui a pour objectif d’améliorer la compréhension des comportements constitutifs de la pâte observés lors d’essais de pressage préliminaires. Cette étude est basée sur des essais de pressage de pâte de carbone chaude produite dans un moule rigide et sur des essais de pressage d’agrégats secs à l’intérieur du même moule instrumenté d’un piézoélectrique permettant d’enregistrer les émissions acoustiques. Cette analyse a précédé la caractérisation des propriétés de la pâte afin de mieux interpréter son comportement mécanique étant donné la nature complexe de ce matériau carboné dont les propriétés mécaniques sont évolutives en fonction de la masse volumique. Un premier montage expérimental a été spécifiquement développé afin de caractériser le module de Young et le coefficient de Poisson de la pâte. Ce même montage a également servi dans la caractérisation de la viscosité (comportement temporel) de la pâte. Il n’existe aucun essai adapté pour caractériser ces propriétés pour ce type de matériau chauffé à 150°C. Un moule à paroi déformable instrumenté de jauges de déformation a été utilisé pour réaliser les essais. Un second montage a été développé pour caractériser les coefficients de friction statique et cinétique de la pâte aussi chauffée à 150°C. Le modèle a été exploité afin de caractériser les propriétés mécaniques de la pâte par identification inverse et pour simuler la mise en forme d’anodes de laboratoire. Les propriétés mécaniques de la pâte obtenues par la caractérisation expérimentale ont été comparées à celles obtenues par la méthode d’identification inverse. Les cartographies tirées des simulations ont également été comparées aux cartographies des anodes pressées en laboratoire. La tomodensitométrie a été utilisée pour produire ces dernières cartographies de densité. Les résultats des simulations confirment qu’il y a un potentiel majeur à l’utilisation de la modélisation numérique comme outil d’optimisation du procédé de mise en forme de la pâte de carbone. La modélisation numérique permet d’évaluer l’influence de chacun des paramètres de mise en forme sans interrompre la production et/ou d’implanter des changements coûteux dans la ligne de production. Cet outil permet donc d’explorer des avenues telles la modulation des paramètres fréquentiels, la modification de la distribution initiale de la pâte dans le moule, la possibilité de mouler l’anode inversée (upside down), etc. afin d’optimiser le processus de mise en forme et d’augmenter la qualité des anodes.

Integrating functional connectivity and climate change in the design of protected area networks

Le rapide déclin actuel de la biodiversité est inquiétant et les activités humaines en sont la cause directe. De nombreuses aires protégées ont été mises en place pour contrer cette perte de biodiversité. Afin de maximiser leur efficacité, l’amélioration de la connectivité fonctionnelle entre elles est requise. Les changements climatiques perturbent actuellement les conditions environnementales de façon globale. C’est une menace pour la biodiversité qui n’a pas souvent été intégrée lors de la mise en place des aires protégées, jusqu’à récemment. Le mouvement des espèces, et donc la connectivité fonctionnelle du paysage, est impacté par les changements climatiques et des études ont montré qu’améliorer la connectivité fonctionnelle entre les aires protégées aiderait les espèces à faire face aux impacts des changements climatiques. Ma thèse présente une méthode pour concevoir des réseaux d’aires protégées tout en tenant compte des changements climatiques et de la connectivité fonctionnelle. Mon aire d’étude est la région de la Gaspésie au Québec (Canada). La population en voie de disparition de caribou de la Gaspésie-Atlantique (Rangifer tarandus caribou) a été utilisée comme espèce focale pour définir la connectivité fonctionnelle. Cette petite population subit un déclin continu dû à la prédation et la modification de son habitat, et les changements climatiques pourraient devenir une menace supplémentaire. J’ai d’abord construit un modèle individu-centré spatialement explicite pour expliquer et simuler le mouvement du caribou. J’ai utilisé les données VHF éparses de la population de caribou et une stratégie de modélisation patron-orienté pour paramétrer et sélectionner la meilleure hypothèse de mouvement. Mon meilleur modèle a reproduit la plupart des patrons de mouvement définis avec les données observées. Ce modèle fournit une meilleure compréhension des moteurs du mouvement du caribou de la Gaspésie-Atlantique, ainsi qu’une estimation spatiale de son utilisation du paysage dans la région. J’ai conclu que les données éparses étaient suffisantes pour ajuster un modèle individu-centré lorsqu’utilisé avec une modélisation patron-orienté. Ensuite, j’ai estimé l’impact des changements climatiques et de différentes actions de conservation sur le potentiel de mouvement du caribou. J’ai utilisé le modèle individu-centré pour simuler le mouvement du caribou dans des paysages hypothétiques représentant différents scénarios de changements climatiques et d’actions de conservation. Les actions de conservation représentaient la mise en place de nouvelles aires protégées en Gaspésie, comme définies par le scénario proposé par le gouvernement du Québec, ainsi que la restauration de routes secondaires à l’intérieur des aires protégées. Les impacts des changements climatiques sur la végétation, comme définis dans mes scénarios, ont réduit le potentiel de mouvement du caribou. La restauration des routes était capable d’atténuer ces effets négatifs, contrairement à la mise en place des nouvelles aires protégées. Enfin, j’ai présenté une méthode pour concevoir des réseaux d’aires protégées efficaces et j’ai proposé des nouvelles aires protégées à mettre en place en Gaspésie afin de protéger la biodiversité sur le long terme. J’ai créé de nombreux scénarios de réseaux d’aires protégées en étendant le réseau actuel pour protéger 12% du territoire. J’ai calculé la représentativité écologique et deux mesures de connectivité fonctionnelle sur le long terme pour chaque réseau. Les mesures de connectivité fonctionnelle représentaient l’accès général aux aires protégées pour le caribou de la Gaspésie-Atlantique ainsi que son potentiel de mouvement à l’intérieur. J’ai utilisé les estimations de potentiel de mouvement pour la période de temps actuelle ainsi que pour le futur sous différents scénarios de changements climatiques pour représenter la connectivité fonctionnelle sur le long terme. Le réseau d’aires protégées que j’ai proposé était le scénario qui maximisait le compromis entre les trois caractéristiques de réseau calculées. Dans cette thèse, j’ai expliqué et prédit le mouvement du caribou de la Gaspésie-Atlantique sous différentes conditions environnementales, notamment des paysages impactés par les changements climatiques. Ces résultats m’ont aidée à définir un réseau d’aires protégées à mettre en place en Gaspésie pour protéger le caribou au cours du temps. Je crois que cette thèse apporte de nouvelles connaissances sur le comportement de mouvement du caribou de la Gaspésie-Atlantique, ainsi que sur les actions de conservation qui peuvent être prises en Gaspésie afin d’améliorer la protection du caribou et de celle d’autres espèces. Je crois que la méthode présentée peut être applicable à d’autres écosystèmes aux caractéristiques et besoins similaires.

Three essays in labor economics and applied econometrics

Méthodologie:Cadre conceptuel: Principal-agent

Conception d’un portail participatif d’information géographique Web pour la mise en valeur des produits forestiers non ligneux d’après leurs potentiels de présence.

Les produits forestiers non ligneux (PFNL) rassemblent toutes exploitations sous couvert forestier. Ils excluent les produits issus de la fibre de bois et des produits de la faune. Le bleuet sauvage est un bon exemple de PFNL. Ces produits sont abondants au Québec. Le bleuet est un exemple de PFNL bien établi avec un niveau de commercialisation structurée de produits frais et de transformation. Au contraire, le marché des champignons forestiers tarde à se développer. À titre de produit agroforestier, les PFNL procurent des biens et services bénéfiques aux communautés productrices. La distribution des PFNL varie en fonction de facteurs géophysiques et bioclimatiques. Dans certaines régions du Québec, des groupes s'efforcent de développer des outils d’analyse et de modélisation spatiale conséquents. La géomatique procure des solutions pratiques pour l’identification et le suivi des PFNL. Entre autres, elle opère des données géospatiales spécialisées sur des systèmes d'information géographique (SIG). Ce projet de maîtrise repose sur la mise en place d’un portail participatif d’information géographique web. Il s'adresse à un large panel d’utilisateurs, notamment aux intervenants impliqués dans le développement durable des PFNL. Il offre la possibilité de visualiser et de manipuler des données spécialisées au cas des PFNL. Il propose de localiser les sites à fort potentiel de présence. Il cherche à intégrer des outils de validation de ces sites. Il tend aussi à procurer des outils qui accompagnent la production des utilisateurs. Le portail introduit des applications d’édition, d’analyse et de modélisations spatiales exclusives à la thématique des PFNL. Il abrite des couches de données interactives et interopérables. L'évaluation du portail passe par l’efficacité de ses applications et la convivialité de ses composantes. Ce rapport décrit et fait la démonstration de chacune d'elle.

Vitamines B, éléments clés de l'efficacité métabolique : Effets de la nature de la diète sur les apports

Les travaux sur la nutrition en vitamines B des ruminants montrent des résultats très variés sur les quantités de ces nutriments disponibles pour l’animal selon la nature de la ration. Ces divergences sont dues à des changements des populations microbiennes dans le rumen, causées par les facteurs physico-chimiques de la ration. Une amélioration de la compréhension des effets de la nature de la diète sur la synthèse et l’utilisation des vitamines B dans le rumen pourrait aider à identifier les conditions sous lesquelles une supplémentation en ces vitamines serait bénéfique pour la vache. Le but de ce travail de thèse est donc d’améliorer la compréhension des effets de l’espèce fourragère, de la maturité et de la longueur des particules de fourrage sur les apports en vitamines B chez la vache laitière. Pour évaluer chacune de ces variables, les concentrations de thiamine, riboflavine, niacine, vitamine B6, folates et vitamine B12 ont été mesurées dans les échantillons d’aliments et de digesta duodénal recueillis lors de trois projets réalisés à l’Université du Michigan par l’équipe du Dr. M. Allen. Dans la première étude, l’effet de l’espèce fourragère des ensilages a été évalué au cours de deux expériences similaires durant lesquelles les vaches recevaient une diète à base d’ensilage de luzerne ou de dactyle. Les diètes à base de luzerne ont été associées à une augmentation de la dégradation de la thiamine et de la vitamine B6 dans le rumen par rapport aux diètes à base d’ensilage de dactyle. La deuxième étude visait à évaluer les effets de la maturité des plantes lors de la mise en silo sur les quantités de vitamines B disponibles pour la vache; les deux expériences se différenciaient par l’espèce fourragère étudiée, soit la luzerne ou le dactyle. Une récolte à un stade de maturité plus élevé a augmenté les flux duodénaux de thiamine, de niacine et de folates lorsque les vaches recevaient des diètes à base d’ensilage de luzerne mais n’a diminué que le flux duodénal de riboflavine chez les animaux recevant des diètes à base d’ensilage de dactyle. La troisième étude a comparé les effets de la longueur de coupe (10 vs. 19 mm) d’ensilages de luzerne et de dactyle sur le devenir des vitamines B dans le système digestif de la vache laitière. Cette étude a permis de constater qu’une augmentation du temps de séchage au champ diminuait les concentrations de vitamines B dans les ensilages. Cependant, la taille des particules des ensilages de luzerne et de dactyle n’a pas affecté les quantités des vitamines B arrivant au duodénum des vaches. En général, les résultats de ces études montrent qu’il existe une corrélation négative entre la synthèse de riboflavine, de niacine et de vitamine B6 et leur ingestion, suggérant une possible régulation de la quantité de ces vitamines B par les microorganismes du rumen. De plus, l’ingestion d’amidon et d’azote a été corrélée positivement avec la synthèse de thiamine, de folates et de vitamine B12, et négativement avec la synthèse de niacine. Ces corrélations suggèrent que les microorganismes qui utilisent préférentiellement l’amidon jouent un rôle majeur pour la synthèse ou la dégradation de ces vitamines. De plus, la présence d’une quantité suffisante d’azote semble avoir un impact majeur sur ces processus. La suite de ces travaux devrait viser la modélisation de ces données afin de mieux appréhender la physiologie de la digestion de ces vitamines et permettre la création de modèles mathématiques capables de prédire les quantités de vitamines disponibles pour les vaches. Ces modèles permettront, lorsqu’intégrés aux logiciels de formulation de ration, d’élaborer une diète plus précise, ce qui améliorera la santé du troupeau et la performance laitière et augmentera les profits du producteur.

Sensibilité des simulations de neige du modèle SNOWPACK à la paramétrisation de la végétation dans la Réserve Faunique Chic-Chocs

Au Canada, les avalanches constituent le géorisque le plus dangereux en période hivernale. On enregistre annuellement d’importants coûts économiques et sociaux associés aux impacts de ce phénomène naturel. Par exemple, la fermeture de routes en cas de risque d’avalanche est estimée à 5 millions de dollars (Jamieson et Stethem, 2002). La prévision des avalanches est, de nos jours, la meilleure méthode afin d’éviter ces coûts. Au Canada, cela s’effectue de façon ponctuelle à l’aide de méthodes manuelles tel que le test de compression (CAA, 2014). Les modèles de simulation du couvert neigeux permettent d’étendre les prévisions à l’ensemble d’une région et ainsi, atteindre certains lieux difficilement accessibles pour l’homme. On tente actuellement d’adapter le modèle SNOWPACK aux conditions canadiennes et plusieurs études ont eu pour but d’améliorer les simulations produites par celui-ci. Cette étude vise donc également l’amélioration des simulations par l’intégration des paramètres de végétation. L’objectif de l’étude est de paramétrer, pour la première fois, le module de végétation de SNOWPACK avec les données récoltées dans la réserve faunique des Chic-Chocs. Nous pourrons ainsi évaluer l’impact de la végétation sur la modélisation du couvert nival. Nous avons donc, lors de sorties de terrain, recueillis les données de neige et de végétation au niveau de quatre sites d’étude. Nous avons par la suite réalisé les simulations avec SNOWPACK et comparer les résultats des simulations avec et sans végétation aux données de terrain. L’étude nous révèle que le modèle diminue la quantité de neige au sol ainsi que la densité du manteau neigeux en présence de végétation. De plus nous avons pu constater que l’inclusion du module de végétation permet d’obtenir des données qui se rapprochent davantage de ce qui a été observé sur le terrain.

Simplified design method for energy dissipating devices in retrofitting of seismically isolated bridges

Abstract: Highway bridges have great values in a country because in case of any natural disaster they may serve as lines to save people’s lives. Being vulnerable under significant seismic loads, different methods can be considered to design resistant highway bridges and rehabilitate the existing ones. In this study, base isolation has been considered as one efficient method in this regards which in some cases reduces significantly the seismic load effects on the structure. By reducing the ductility demand on the structure without a notable increase of strength, the structure is designed to remain elastic under seismic loads. The problem associated with the isolated bridges, especially with elastomeric bearings, can be their excessive displacements under service and seismic loads. This can defy the purpose of using elastomeric bearings for small to medium span typical bridges where expansion joints and clearances may result in significant increase of initial and maintenance cost. Thus, supplementing the structure with dampers with some stiffness can serve as a solution which in turn, however, may increase the structure base shear. The main objective of this thesis is to provide a simplified method for the evaluation of optimal parameters for dampers in isolated bridges. Firstly, performing a parametric study, some directions are given for the use of simple isolation devices such as elastomeric bearings to rehabilitate existing bridges with high importance. Parameters like geometry of the bridge, code provisions and the type of soil on which the structure is constructed have been introduced to a typical two span bridge. It is concluded that the stiffness of the substructure, soil type and special provisions in the code can determine the employment of base isolation for retrofitting of bridges. Secondly, based on the elastic response coefficient of isolated bridges, a simplified design method of dampers for seismically isolated regular highway bridges has been presented in this study. By setting objectives for reduction of displacement and base shear variation, the required stiffness and damping of a hysteretic damper can be determined. By modelling a typical two span bridge, numerical analyses have followed to verify the effectiveness of the method. The method has been used to identify equivalent linear parameters and subsequently, nonlinear parameters of hysteretic damper for various designated scenarios of displacement and base shear requirements. Comparison of the results of the nonlinear numerical model without damper and with damper has shown that the method is sufficiently accurate. Finally, an innovative and simple hysteretic steel damper was designed. Five specimens were fabricated from two steel grades and were tested accompanying a real scale elastomeric isolator in the structural laboratory of the Université de Sherbrooke. The test procedure was to characterize the specimens by cyclic displacement controlled tests and subsequently to test them by real-time dynamic substructuring (RTDS) method. The test results were then used to establish a numerical model of the system which went through nonlinear time history analyses under several earthquakes. The outcome of the experimental and numerical showed an acceptable conformity with the simplified method.

Modèles de Markov cachés à haute précision dynamique

La reconnaissance vocale est une technologie sujette à amélioration. Malgré 40 ans de travaux, de nombreuses applications restent néanmoins hors de portée en raison d'une trop faible efficacité. De façon à pallier à ce problème, l'auteur propose une amélioration au cadre conceptuel classique. Plus précisément, une nouvelle méthode d'entraînement des modèles markoviens cachés est exposée de manière à augmenter la précision dynamique des classificateurs. Le présent document décrit en détail le résultat de trois ans de recherche et les contributions scientifiques qui en sont le produit. L'aboutissement final de cet effort est la production d'un article de journal proposant une nouvelle tentative d'approche à la communauté scientifique internationale. Dans cet article, les auteurs proposent que des topologies finement adaptées de modèles markoviens cachés (HMMs) soient essentielles à une modélisation temporelle de haute précision. Un cadre conceptuel pour l'apprentissage efficace de topologies par élagage de modèles génériques complexes est donc soumis. Des modèles HMM à topologie gauche-à-droite sont d'abord entraînés de façon classique. Des modèles complexes à topologie générique sont ensuite obtenus par écrasement des modèles gauche-à-droite. Finalement, un enchaînement successif d'élagages et d'entraînements Baum-Welch est fait de manière à augmenter la précision temporelle des modèles.

Towards a performance based design of shear walls based on damage criteria = Vers un dimensionnement performanciel des murs de refend basé sur des critères d'endommagement

Le dimensionnement basé sur la performance (DBP), dans une approche déterministe, caractérise les objectifs de performance par rapport aux niveaux de performance souhaités. Les objectifs de performance sont alors associés à l'état d'endommagement et au niveau de risque sismique établis. Malgré cette approche rationnelle, son application est encore difficile. De ce fait, des outils fiables pour la capture de l'évolution, de la distribution et de la quantification de l'endommagement sont nécessaires. De plus, tous les phénomènes liés à la non-linéarité (matériaux et déformations) doivent également être pris en considération. Ainsi, cette recherche montre comment la mécanique de l'endommagement pourrait contribuer à résoudre cette problématique avec une adaptation de la théorie du champ de compression modifiée et d'autres théories complémentaires. La formulation proposée adaptée pour des charges monotones, cycliques et de type pushover permet de considérer les effets non linéaires liés au cisaillement couplé avec les mécanismes de flexion et de charge axiale. Cette formulation est spécialement appliquée à l'analyse non linéaire des éléments structuraux en béton soumis aux effets de cisaillement non égligeables. Cette nouvelle approche mise en œuvre dans EfiCoS (programme d'éléments finis basé sur la mécanique de l'endommagement), y compris les critères de modélisation, sont également présentés ici. Des calibrations de cette nouvelle approche en comparant les prédictions avec des données expérimentales ont été réalisées pour les murs de refend en béton armé ainsi que pour des poutres et des piliers de pont où les effets de cisaillement doivent être pris en considération. Cette nouvelle version améliorée du logiciel EFiCoS a démontrée être capable d'évaluer avec précision les paramètres associés à la performance globale tels que les déplacements, la résistance du système, les effets liés à la réponse cyclique et la quantification, l'évolution et la distribution de l'endommagement. Des résultats remarquables ont également été obtenus en référence à la détection appropriée des états limites d'ingénierie tels que la fissuration, les déformations unitaires, l'éclatement de l'enrobage, l'écrasement du noyau, la plastification locale des barres d'armature et la dégradation du système, entre autres. Comme un outil pratique d'application du DBP, des relations entre les indices d'endommagement prédits et les niveaux de performance ont été obtenus et exprimés sous forme de graphiques et de tableaux. Ces graphiques ont été développés en fonction du déplacement relatif et de la ductilité de déplacement. Un tableau particulier a été développé pour relier les états limites d'ingénierie, l'endommagement, le déplacement relatif et les niveaux de performance traditionnels. Les résultats ont démontré une excellente correspondance avec les données expérimentales, faisant de la formulation proposée et de la nouvelle version d'EfiCoS des outils puissants pour l'application de la méthodologie du DBP, dans une approche déterministe.

Conception, fabrication et caractérisation d'un biocapteur SPR à base de guides d'ondes photoniques sur substrat de verre

Résumé : Malgré le nombre croissant de capteurs dans les domaines de la chimie et la biologie, il reste encore à étudier en profondeur la complexité des interactions entre les différentes molécules présentes lors d’une détection à l’interface solide-liquide. Dans ce cadre, il est de tout intérêt de croiser différentes méthodes de détection afin d’obtenir des informations complémentaires. Le principal objectif de cette étude est de dimensionner, fabriquer et caractériser un détecteur optique intégré sur verre basé sur la résonance plasmonique de surface, destiné à terme à être combiné avec d’autres techniques de détection, dont un microcalorimètre. La résonance plasmonique de surface est une technique reconnue pour sa sensibilité adaptée à la détection de surface, qui a l’avantage d’être sans marquage et permet de fournir un suivi en temps réel de la cinétique d’une réaction. L’avantage principal de ce capteur est qu’il a été dimensionné pour une large gamme d’indice de réfraction de l’analyte, allant de 1,33 à 1,48. Ces valeurs correspondent à la plupart des entités biologiques associées à leurs couches d’accroche dont les matrices de polymères, présentés dans ce travail. Étant donné que beaucoup d’études biologiques nécessitent la comparaison de la mesure à une référence ou à une autre mesure, le second objectif du projet est d’étudier le potentiel du système SPR intégré sur verre pour la détection multi-analyte. Les trois premiers chapitres se concentrent sur l’objectif principal du projet. Le dimensionnement du dispositif est ainsi présenté, basé sur deux modélisations différentes, associées à plusieurs outils de calcul analytique et numérique. La première modélisation, basée sur l’approximation des interactions faibles, permet d’obtenir la plupart des informations nécessaires au dimensionnement du dispositif. La seconde modélisation, sans approximation, permet de valider le premier modèle approché et de compléter et affiner le dimensionnement. Le procédé de fabrication de la puce optique sur verre est ensuite décrit, ainsi que les instruments et protocoles de caractérisation. Un dispositif est obtenu présentant des sensibilités volumiques entre 1000 nm/RIU et 6000 nm/RIU suivant l’indice de réfraction de l’analyte. L’intégration 3D du guide grâce à son enterrage sélectif dans le verre confère au dispositif une grande compacité, le rendant adapté à la cointégration avec un microcalorimètre en particulier. Le dernier chapitre de la thèse présente l’étude de plusieurs techniques de multiplexage spectral adaptées à un système SPR intégré, exploitant en particulier la technologie sur verre. L’objectif est de fournir au moins deux détections simultanées. Dans ce cadre, plusieurs solutions sont proposées et les dispositifs associés sont dimensionnés, fabriqués et testés.

Dynamique d’une population faunique en expansion sous différents scénarios climatiques : le dindon sauvage (Meleagris gallopavo)

Les changements climatiques récents ont mené à l’expansion de la répartition de plusieurs espèces méridionales, mais ont aussi causé l’extinction locale d’espèces se retrouvant à la limite de leur tolérance environnementale. Ces populations en expansion peuvent favoriser différentes stratégies d’histoire de vie en répondant à différents facteurs limitants. Dans cette thèse, je vise à déterminer et quantifier l’effet du climat et des évènements extrêmes sur le cycle de vie complet d’une espèce en expansion (le dindon sauvage) pour comprendre les changements au niveau populationnel ainsi que les mécanismes impliqués dans l’expansion de la distribution d’une espèce. J’ai défini les évènements extrêmes de pluie, d’épaisseur de neige au sol et de température, comme un évènement dont la fréquence est plus rare que le 10e et 90e percentile. En utilisant l’approche « Measure-Understand-Predict » (MUP), j’ai tout d’abord suivi trois populations le long d’un gradient latitudinal de sévérité hivernale pour mesurer l’effet de variables météorologiques sur la dynamique des populations. La survie des dindons sauvages diminuait drastiquement lorsque l’accumulation de neige au sol dépassait 30 cm pour une période de 10 jours et diminuait également avec la température. Au printemps, la persistance de la neige affectait négativement le taux d’initiation de la nidification et l’augmentation de la pluie diminuait la survie des nids. Dans une deuxième étape, j’ai examiné l’impact des évènements climatiques extrêmes et des processus démographiques impliqués dans l’expansion du dindon, liés à la théorie des histoires de vie pour comprendre la relation entre la dynamique de ces populations en expansions avec le climat. J’ai démontré que la fréquence des évènements extrêmes hivernaux et, d’une façon moins importante, les évènements extrêmes estivaux limitaient l’expansion nordique des dindons sauvages. J’ai appuyé, à l’aide de données empiriques et de modélisation, les hypothèses de la théorie classique des invasions biologiques en montrant que les populations en établissement priorisaient les paramètres reproducteurs tandis que la survie adulte était le paramètre démographique affectant le plus la dynamique des populations bien établies. De plus, les populations les plus au nord étaient composées d’individus plus jeunes ayant une espérance de vie plus faible, mais avaient un potentiel d’accroissement plus élevé que les populations établies, comme le suggère cette théorie. Finalement, j’ai projeté l’impact de la récolte sur la dynamique des populations de même que le taux de croissance de cette espèce en utilisant les conditions climatiques futures projetées par les modèles de l’IPCC. Les populations en établissement avaient un taux de récolte potentiel plus élevé, mais la proportion de mâles adultes, possédant des caractéristiques recherchées par les chasseurs, diminuait plus rapidement que dans les populations établies. Dans le futur, la fréquence des évènements extrêmes de pluie devrait augmenter tandis que la fréquence des évènements extrêmes de température hivernale et d’accumulation de neige au sol devraient diminuer après 2060, limitant probablement l’expansion nordique du dindon sauvage jusqu’en 2100. Cette thèse améliore notre compréhension des effets météorologiques et du climat sur l’expansion de la répartition des espèces ainsi que les mécanismes démographiques impliqués, et nous a permis de prédire la probabilité de l’expansion nordique de la répartition du dindon sauvage en réponse aux changements climatiques.

Spatially integrated erbium-doped fiber amplifiers enabling space-division multiplexing

L’augmentation exponentielle de la demande de bande passante pour les communications laisse présager une saturation prochaine de la capacité des réseaux de télécommunications qui devrait se matérialiser au cours de la prochaine décennie. En effet, la théorie de l’information prédit que les effets non linéaires dans les fibres monomodes limite la capacité de transmission de celles-ci et peu de gain à ce niveau peut être espéré des techniques traditionnelles de multiplexage développées et utilisées jusqu’à présent dans les systèmes à haut débit. La dimension spatiale du canal optique est proposée comme un nouveau degré de liberté qui peut être utilisé pour augmenter le nombre de canaux de transmission et, par conséquent, résoudre cette menace de «crise de capacité». Ainsi, inspirée par les techniques micro-ondes, la technique émergente appelée multiplexage spatial (SDM) est une technologie prometteuse pour la création de réseaux optiques de prochaine génération. Pour réaliser le SDM dans les liens de fibres optiques, il faut réexaminer tous les dispositifs intégrés, les équipements et les sous-systèmes. Parmi ces éléments, l’amplificateur optique SDM est critique, en particulier pour les systèmes de transmission pour les longues distances. En raison des excellentes caractéristiques de l’amplificateur à fibre dopée à l’erbium (EDFA) utilisé dans les systèmes actuels de pointe, l’EDFA est à nouveau un candidat de choix pour la mise en œuvre des amplificateurs SDM pratiques. Toutefois, étant donné que le SDM introduit une variation spatiale du champ dans le plan transversal de la fibre, les amplificateurs à fibre dopée à l’erbium spatialement intégrés (SIEDFA) nécessitent une conception soignée. Dans cette thèse, nous examinons tout d’abord les progrès récents du SDM, en particulier les amplificateurs optiques SDM. Ensuite, nous identifions et discutons les principaux enjeux des SIEDFA qui exigent un examen scientifique. Suite à cela, la théorie des EDFA est brièvement présentée et une modélisation numérique pouvant être utilisée pour simuler les SIEDFA est proposée. Sur la base d’un outil de simulation fait maison, nous proposons une nouvelle conception des profils de dopage annulaire des fibres à quelques-modes dopées à l’erbium (ED-FMF) et nous évaluons numériquement la performance d’un amplificateur à un étage, avec fibre à dopage annulaire, à ainsi qu’un amplificateur à double étage pour les communications sur des fibres ne comportant que quelques modes. Par la suite, nous concevons des fibres dopées à l’erbium avec une gaine annulaire et multi-cœurs (ED-MCF). Nous avons évalué numériquement le recouvrement de la pompe avec les multiples cœurs de ces amplificateurs. En plus de la conception, nous fabriquons et caractérisons une fibre multi-cœurs à quelques modes dopées à l’erbium. Nous réalisons la première démonstration des amplificateurs à fibre optique spatialement intégrés incorporant de telles fibres dopées. Enfin, nous présentons les conclusions ainsi que les perspectives de cette recherche. La recherche et le développement des SIEDFA offriront d’énormes avantages non seulement pour les systèmes de transmission future SDM, mais aussi pour les systèmes de transmission monomode sur des fibres standards à un cœur car ils permettent de remplacer plusieurs amplificateurs par un amplificateur intégré.

Dynamique de l'oxygène et l'activité microbienne dans les lacs de fonte du pergélisol subarctique

Les lacs de thermokarst (lacs peu profonds créés par le dégel et l’érosion du pergélisol riche en glace) sont un type unique d’écosystèmes aquatiques reconnus comme étant de grands émetteurs de gaz à effet de serre vers l’atmosphère. Ils sont abondants dans le Québec subarctique et ils jouent un rôle important à l’échelle de la planète. Dans certaines régions, les lacs de thermokarst se transforment rapidement et deviennent plus grands et plus profonds. L’objectif de cette étude était d’améliorer la compréhension et d’évaluer quelles variables sont déterminantes pour la dynamique de l’oxygène dans ces lacs. C’est pourquoi j’ai examiné les possibles changements futurs de la dynamique de l’oxygène dans ces lacs dans un contexte de réchauffement climatique. Une grande variété de méthodes ont été utilisées afin de réaliser cette recherche, dont des analyses in situ et en laboratoire, ainsi que la modélisation. Des capteurs automatisés déployés dans cinq lacs ont mesuré l’oxygène, la conductivité et la température de la colonne d’eau en continu de l’été 2012 jusqu’à l’été 2015, à des intervalles compris entre 10 à 60 minutes. Des analyses en laboratoire ont permis de déterminer la respiration et les taux de production bactériens, les variables géochimiques limnologiques, ainsi que la distribution de la production bactérienne entre les différentes fractions de taille des communautés. La température de l’eau et les concentrations d’oxygène dissous d’un lac de thermokarst ont été modélisées avec des données du passé récent (1971) au climat futur (2095), en utilisant un scénario modéré (RCP 4.5) et un scénario plus extrême (RCP 8.5) de réchauffement climatique. Cette recherche doctorale a mis en évidence les conditions anoxiques fréquentes et persistantes présentes dans de nombreux lacs de thermokarst. Aussi, ces lacs sont stratifiés pendant l’hiver comme des concentrations élevées d’ions s’accumulent dans leurs hypolimnions à cause de la formation du couvert de glace (cryoconcentration) et de la libération des ions avec la respiration bactérienne. Les différences de température contribuent également à la stabilité de la stratification. La dynamique de mélange des lacs de thermokarst étudiés était contrastée : la colonne d’eau de certains lacs se mélangeait entièrement deux fois par année, d’autres lacs se mélangeaient qu’une seule fois en automne, alors que certains lacs ne se mélangeaient jamais entièrement. Les populations bactériennes étaient abondantes et très actives, avec des taux respiratoires comparables à ceux mesurés dans des écosystèmes méso-eutrophes ou eutrophes des zones tempérées de l’hémisphère nord. L’érosion des matériaux contenus dans le sol des tourbières pergélisolées procure un substrat riche en carbone et en éléments nutritifs aux populations bactériennes, et ils constituent des habitats propices à la colonisation par des populations de bactéries associées aux particules. Le modèle de la concentration d’oxygène dissous dans un lac a révélé que le réchauffement des températures de l’air pourrait amincir le couvert de glace et diminuer sa durée, intensifiant le transfert de l’oxygène atmosphérique vers les eaux de surface. Ainsi, la concentration en oxygène dissous dans la colonne d’eau de ce lac augmenterait et les périodes de conditions anoxiques pourraient devenir plus courtes. Finalement, cette thèse doctorale insiste sur le rôle des lacs de thermokarst comme des réacteurs biogéochimiques pour la dégradation du carbone organique, qui était retenu dans les sols gelés, en gaz à effet de serre libérés dans l’atmosphère. L’oxygène est un indicateur sensible du mélange de la colonne d’eau et de la dynamique chimique des lacs, en plus d’être une variable clé des processus métaboliques.

Diagnostic des systèmes de drainage basé sur l'imagerie du géoradar en culture de canneberges

Une méthode optimale pour identifier les zones problématiques de drainage dans les champs de canneberges est d’un intérêt pratique pour les producteurs. Elle peut aider au développement de stratégies visant à améliorer le rendement des cultures. L’objectif de cette étude était de développer une méthodologie non intrusive de diagnostic d’un système de drainage en utilisant l’imagerie du géoradar ou Ground Penetrating Radar (GPR) ayant pour finalité de localiser les zones restrictives au drainage et de lier les scans du GPR à des propriétés du sol. Un système GPR muni d’une antenne monostatique a été utilisé pour acquérir des données dans deux champs de canneberges : un construit sur sol organique et l’autre sur sol minéral. La visualisation en trois dimensions de la stratification du champ a été possible après l’interpolation et l’analyse des faciès. La variabilité spatiale du rendement des cultures et la conductivité hydraulique saturée du sol ont été comparées aux données GPR par deux méthodes : calcul du pourcentage de différence et estimation de l’entropie. La visualisation des données couplée à leur analyse a permis de mettre en évidence la géométrie souterraine et des discontinuités importantes des champs. Les résultats montrent qu’il y a bonne corrélation entre les zones où la couche restrictive est plus superficielle et celle de faible rendement. Le niveau de similarité entre la conductivité hydraulique saturée et la profondeur de la couche restrictive confirme la présence de cette dernière. L’étape suivante a été la reconstruction de l’onde électromagnétique et son ajustement par modélisation inverse. Des informations quantitatives ont été extraites des scans : la permittivité diélectrique, la conductivité électrique et l’épaisseur des strates souterraines. Les permittivités diélectriques modélisées sont concordantes avec celles mesurées in-situ et celles de la littérature. Enfin, en permettant la caractérisation des discontinuités du sous-sol, les zones les plus pertinentes pour l’amélioration du drainage et d’irrigation ont été localisées, afin de maximiser le rendement.

Multiphase modeling of melting / solidification with high density variations using XFEM

La modélisation de la cryolite, utilisée dans la fabrication de l’aluminium, implique plusieurs défis, notament la présence de discontinuités dans la solution et l’inclusion de la difference de densité entre les phases solide et liquide. Pour surmonter ces défis, plusieurs éléments novateurs ont été développés dans cette thèse. En premier lieu, le problème du changement de phase, communément appelé problème de Stefan, a été résolu en deux dimensions en utilisant la méthode des éléments finis étendue. Une formulation utilisant un multiplicateur de Lagrange stable spécialement développée et une interpolation enrichie a été utilisée pour imposer la température de fusion à l’interface. La vitesse de l’interface est déterminée par le saut dans le flux de chaleur à travers l’interface et a été calculée en utilisant la solution du multiplicateur de Lagrange. En second lieu, les effets convectifs ont été inclus par la résolution des équations de Stokes dans la phase liquide en utilisant la méthode des éléments finis étendue aussi. Troisièmement, le changement de densité entre les phases solide et liquide, généralement négligé dans la littérature, a été pris en compte par l’ajout d’une condition aux limites de vitesse non nulle à l’interface solide-liquide pour respecter la conservation de la masse dans le système. Des problèmes analytiques et numériques ont été résolus pour valider les divers composants du modèle et le système d’équations couplés. Les solutions aux problèmes numériques ont été comparées aux solutions obtenues avec l’algorithme de déplacement de maillage de Comsol. Ces comparaisons démontrent que le modèle par éléments finis étendue reproduit correctement le problème de changement phase avec densités variables.