Cation distribution and high field magnetization studies on SrFe12-xCrxO19

With the aim of a better understanding of both cationic distribution and magnetic properties of the uniaxial SrFe12-xCrxO19hexagonal ferrites, Mössbauer spectroscopy, neutron diffraction and high field magnetization measurements have been carried out. The Cr3+ions occupy the octahedral sites of the M structure with a preference hierarchy within them. The magnetic measurements, together with the deduced cationic distribution, indicate that some sublattices have a random spin canting around the c-axis.

1/c expansion of a separable model of direct-interaction type

The properties of a proposed model of N point particles in direct interaction are considered in the limit of small velocities. It is shown that, in this limit, time correlations cancel out and that Newtonian dynamics is recovered for the system in a natural way.

Quantum metric spaces as a model for pregeometry

A new arena for the dynamics of spacetime is proposed, in which the basic quantum variable is the two-point distance on a metric space. The scaling dimension (that is, the Kolmogorov capacity) in the neighborhood of each point then defines in a natural way a local concept of dimension. We study our model in the region of parameter space in which the resulting spacetime is not too different from a smooth manifold.

Solvable dynamics in a system of interacting random tops

A new solvable model of synchronization dynamics is introduced. It consists of a system of long range interacting tops or magnetic moments with random precession frequencies. The model allows for an explicit study of orientational effects in synchronization phenomena as well as nonlinear processes in resonance phenomena in strongly coupled magnetic systems. A stability analysis of the incoherent solution is performed for different types of orientational disorder. A system with orientational disorder always synchronizes in the absence of noise.

MORM--a Petri net based model for assessing OH&S risks in industrial processes: modeling qualitative aspects.

Because of the increase in workplace automation and the diversification of industrial processes, workplaces have become more and more complex. The classical approaches used to address workplace hazard concerns, such as checklists or sequence models, are, therefore, of limited use in such complex systems. Moreover, because of the multifaceted nature of workplaces, the use of single-oriented methods, such as AEA (man oriented), FMEA (system oriented), or HAZOP (process oriented), is not satisfactory. The use of a dynamic modeling approach in order to allow multiple-oriented analyses may constitute an alternative to overcome this limitation. The qualitative modeling aspects of the MORM (man-machine occupational risk modeling) model are discussed in this article. The model, realized on an object-oriented Petri net tool (CO-OPN), has been developed to simulate and analyze industrial processes in an OH&S perspective. The industrial process is modeled as a set of interconnected subnets (state spaces), which describe its constitutive machines. Process-related factors are introduced, in an explicit way, through machine interconnections and flow properties. While man-machine interactions are modeled as triggering events for the state spaces of the machines, the CREAM cognitive behavior model is used in order to establish the relevant triggering events. In the CO-OPN formalism, the model is expressed as a set of interconnected CO-OPN objects defined over data types expressing the measure attached to the flow of entities transiting through the machines. Constraints on the measures assigned to these entities are used to determine the state changes in each machine. Interconnecting machines implies the composition of such flow and consequently the interconnection of the measure constraints. This is reflected by the construction of constraint enrichment hierarchies, which can be used for simulation and analysis optimization in a clear mathematical framework. The use of Petri nets to perform multiple-oriented analysis opens perspectives in the field of industrial risk management. It may significantly reduce the duration of the assessment process. But, most of all, it opens perspectives in the field of risk comparisons and integrated risk management. Moreover, because of the generic nature of the model and tool used, the same concepts and patterns may be used to model a wide range of systems and application fields.

Reliability of methods used for the risk assessment of mixture of micropollutants in aquatic enviromments : from theoretical concepts to field observations

Ces dernières années, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques des micropolluants organiques pour les espèces de nos lacs et rivières. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, alors que les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange. Or les effets de ces cocktails ne sont pas négligeables. Cette thèse de doctorat s'est ainsi intéressée aux modèles permettant de prédire le risque environnemental de ces cocktails pour le milieu aquatique. Le principal objectif a été d'évaluer le risque écologique des mélanges de substances chimiques mesurées dans le Léman, mais aussi d'apporter un regard critique sur les méthodologies utilisées afin de proposer certaines adaptations pour une meilleure estimation du risque. Dans la première partie de ce travail, le risque des mélanges de pesticides et médicaments pour le Rhône et pour le Léman a été établi en utilisant des approches envisagées notamment dans la législation européenne. Il s'agit d'approches de « screening », c'est-à-dire permettant une évaluation générale du risque des mélanges. Une telle approche permet de mettre en évidence les substances les plus problématiques, c'est-à-dire contribuant le plus à la toxicité du mélange. Dans notre cas, il s'agit essentiellement de 4 pesticides. L'étude met également en évidence que toutes les substances, même en trace infime, contribuent à l'effet du mélange. Cette constatation a des implications en terme de gestion de l'environnement. En effet, ceci implique qu'il faut réduire toutes les sources de polluants, et pas seulement les plus problématiques. Mais l'approche proposée présente également un biais important au niveau conceptuel, ce qui rend son utilisation discutable, en dehors d'un screening, et nécessiterait une adaptation au niveau des facteurs de sécurité employés. Dans une deuxième partie, l'étude s'est portée sur l'utilisation des modèles de mélanges dans le calcul de risque environnemental. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés espèce par espèce, et non pour une évaluation sur l'écosystème en entier. Leur utilisation devrait donc passer par un calcul par espèce, ce qui est rarement fait dû au manque de données écotoxicologiques à disposition. Le but a été donc de comparer, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon une méthode rigoureuse, espèce par espèce, avec celui effectué classiquement où les modèles sont appliqués sur l'ensemble de la communauté sans tenir compte des variations inter-espèces. Les résultats sont dans la majorité des cas similaires, ce qui valide l'approche utilisée traditionnellement. En revanche, ce travail a permis de déterminer certains cas où l'application classique peut conduire à une sous- ou sur-estimation du risque. Enfin, une dernière partie de cette thèse s'est intéressée à l'influence que les cocktails de micropolluants ont pu avoir sur les communautés in situ. Pour ce faire, une approche en deux temps a été adoptée. Tout d'abord la toxicité de quatorze herbicides détectés dans le Léman a été déterminée. Sur la période étudiée, de 2004 à 2009, cette toxicité due aux herbicides a diminué, passant de 4% d'espèces affectées à moins de 1%. Ensuite, la question était de savoir si cette diminution de toxicité avait un impact sur le développement de certaines espèces au sein de la communauté des algues. Pour ce faire, l'utilisation statistique a permis d'isoler d'autres facteurs pouvant avoir une influence sur la flore, comme la température de l'eau ou la présence de phosphates, et ainsi de constater quelles espèces se sont révélées avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps. Fait intéressant, une partie d'entre-elles avait déjà montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. En conclusion, ce travail montre qu'il existe des modèles robustes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques, et qu'ils peuvent être utilisés pour expliquer le rôle des substances dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application. - Depuis plusieurs années, les risques que posent les micropolluants organiques pour le milieu aquatique préoccupent grandement les scientifiques ainsi que notre société. En effet, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques que peuvent avoir ces substances chimiques sur les espèces de nos lacs et rivières, quand elles se retrouvent exposées à des concentrations aiguës ou chroniques. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, c'est à dire considérées séparément. Actuellement, il en est de même dans les procédures de régulation européennes, concernant la partie évaluation du risque pour l'environnement d'une substance. Or, les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange, et les effets de ces "cocktails" ne sont pas négligeables. L'évaluation du risque écologique que pose ces mélanges de substances doit donc être abordé par de la manière la plus appropriée et la plus fiable possible. Dans la première partie de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux méthodes actuellement envisagées à être intégrées dans les législations européennes pour l'évaluation du risque des mélanges pour le milieu aquatique. Ces méthodes sont basées sur le modèle d'addition des concentrations, avec l'utilisation des valeurs de concentrations des substances estimées sans effet dans le milieu (PNEC), ou à partir des valeurs des concentrations d'effet (CE50) sur certaines espèces d'un niveau trophique avec la prise en compte de facteurs de sécurité. Nous avons appliqué ces méthodes à deux cas spécifiques, le lac Léman et le Rhône situés en Suisse, et discuté les résultats de ces applications. Ces premières étapes d'évaluation ont montré que le risque des mélanges pour ces cas d'étude atteint rapidement une valeur au dessus d'un seuil critique. Cette valeur atteinte est généralement due à deux ou trois substances principales. Les procédures proposées permettent donc d'identifier les substances les plus problématiques pour lesquelles des mesures de gestion, telles que la réduction de leur entrée dans le milieu aquatique, devraient être envisagées. Cependant, nous avons également constaté que le niveau de risque associé à ces mélanges de substances n'est pas négligeable, même sans tenir compte de ces substances principales. En effet, l'accumulation des substances, même en traces infimes, atteint un seuil critique, ce qui devient plus difficile en terme de gestion du risque. En outre, nous avons souligné un manque de fiabilité dans ces procédures, qui peuvent conduire à des résultats contradictoires en terme de risque. Ceci est lié à l'incompatibilité des facteurs de sécurité utilisés dans les différentes méthodes. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié la fiabilité de méthodes plus avancées dans la prédiction de l'effet des mélanges pour les communautés évoluant dans le système aquatique. Ces méthodes reposent sur le modèle d'addition des concentrations (CA) ou d'addition des réponses (RA) appliqués sur les courbes de distribution de la sensibilité des espèces (SSD) aux substances. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés pour être appliqués espèce par espèce, et non pas sur plusieurs espèces agrégées simultanément dans les courbes SSD. Nous avons ainsi proposé une procédure plus rigoureuse, pour l'évaluation du risque d'un mélange, qui serait d'appliquer d'abord les modèles CA ou RA à chaque espèce séparément, et, dans une deuxième étape, combiner les résultats afin d'établir une courbe SSD du mélange. Malheureusement, cette méthode n'est pas applicable dans la plupart des cas, car elle nécessite trop de données généralement indisponibles. Par conséquent, nous avons comparé, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon cette méthode plus rigoureuse, avec celle effectuée traditionnellement, afin de caractériser la robustesse de cette approche qui consiste à appliquer les modèles de mélange sur les courbes SSD. Nos résultats ont montré que l'utilisation de CA directement sur les SSDs peut conduire à une sous-estimation de la concentration du mélange affectant 5 % ou 50% des espèces, en particulier lorsque les substances présentent un grand écart- type dans leur distribution de la sensibilité des espèces. L'application du modèle RA peut quant à lui conduire à une sur- ou sous-estimations, principalement en fonction de la pente des courbes dose- réponse de chaque espèce composant les SSDs. La sous-estimation avec RA devient potentiellement importante lorsque le rapport entre la EC50 et la EC10 de la courbe dose-réponse des espèces est plus petit que 100. Toutefois, la plupart des substances, selon des cas réels, présentent des données d' écotoxicité qui font que le risque du mélange calculé par la méthode des modèles appliqués directement sur les SSDs reste cohérent et surestimerait plutôt légèrement le risque. Ces résultats valident ainsi l'approche utilisée traditionnellement. Néanmoins, il faut garder à l'esprit cette source d'erreur lorsqu'on procède à une évaluation du risque d'un mélange avec cette méthode traditionnelle, en particulier quand les SSD présentent une distribution des données en dehors des limites déterminées dans cette étude. Enfin, dans la dernière partie de cette thèse, nous avons confronté des prédictions de l'effet de mélange avec des changements biologiques observés dans l'environnement. Dans cette étude, nous avons utilisé des données venant d'un suivi à long terme d'un grand lac européen, le lac Léman, ce qui offrait la possibilité d'évaluer dans quelle mesure la prédiction de la toxicité des mélanges d'herbicide expliquait les changements dans la composition de la communauté phytoplanctonique. Ceci à côté d'autres paramètres classiques de limnologie tels que les nutriments. Pour atteindre cet objectif, nous avons déterminé la toxicité des mélanges sur plusieurs années de 14 herbicides régulièrement détectés dans le lac, en utilisant les modèles CA et RA avec les courbes de distribution de la sensibilité des espèces. Un gradient temporel de toxicité décroissant a pu être constaté de 2004 à 2009. Une analyse de redondance et de redondance partielle, a montré que ce gradient explique une partie significative de la variation de la composition de la communauté phytoplanctonique, même après avoir enlevé l'effet de toutes les autres co-variables. De plus, certaines espèces révélées pour avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps, ont montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. On peut en conclure que la toxicité du mélange herbicide est l'un des paramètres clés pour expliquer les changements de phytoplancton dans le lac Léman. En conclusion, il existe diverses méthodes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques et celui-ci peut jouer un rôle dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application, avant d'utiliser leurs résultats pour la gestion des risques environnementaux. - For several years now, the scientists as well as the society is concerned by the aquatic risk organic micropollutants may pose. Indeed, several researches have shown the toxic effects these substances may induce on organisms living in our lakes or rivers, especially when they are exposed to acute or chronic concentrations. However, most of the studies focused on the toxicity of single compounds, i.e. considered individually. The same also goes in the current European regulations concerning the risk assessment procedures for the environment of these substances. But aquatic organisms are typically exposed every day simultaneously to thousands of organic compounds. The toxic effects resulting of these "cocktails" cannot be neglected. The ecological risk assessment of mixtures of such compounds has therefore to be addressed by scientists in the most reliable and appropriate way. In the first part of this thesis, the procedures currently envisioned for the aquatic mixture risk assessment in European legislations are described. These methodologies are based on the mixture model of concentration addition and the use of the predicted no effect concentrations (PNEC) or effect concentrations (EC50) with assessment factors. These principal approaches were applied to two specific case studies, Lake Geneva and the River Rhône in Switzerland, including a discussion of the outcomes of such applications. These first level assessments showed that the mixture risks for these studied cases exceeded rapidly the critical value. This exceeding is generally due to two or three main substances. The proposed procedures allow therefore the identification of the most problematic substances for which management measures, such as a reduction of the entrance to the aquatic environment, should be envisioned. However, it was also showed that the risk levels associated with mixtures of compounds are not negligible, even without considering these main substances. Indeed, it is the sum of the substances that is problematic, which is more challenging in term of risk management. Moreover, a lack of reliability in the procedures was highlighted, which can lead to contradictory results in terms of risk. This result is linked to the inconsistency in the assessment factors applied in the different methods. In the second part of the thesis, the reliability of the more advanced procedures to predict the mixture effect to communities in the aquatic system were investigated. These established methodologies combine the model of concentration addition (CA) or response addition (RA) with species sensitivity distribution curves (SSD). Indeed, the mixture effect predictions were shown to be consistent only when the mixture models are applied on a single species, and not on several species simultaneously aggregated to SSDs. Hence, A more stringent procedure for mixture risk assessment is proposed, that would be to apply first the CA or RA models to each species separately and, in a second step, to combine the results to build an SSD for a mixture. Unfortunately, this methodology is not applicable in most cases, because it requires large data sets usually not available. Therefore, the differences between the two methodologies were studied with datasets created artificially to characterize the robustness of the traditional approach applying models on species sensitivity distribution. The results showed that the use of CA on SSD directly might lead to underestimations of the mixture concentration affecting 5% or 50% of species, especially when substances present a large standard deviation of the distribution from the sensitivity of the species. The application of RA can lead to over- or underestimates, depending mainly on the slope of the dose-response curves of the individual species. The potential underestimation with RA becomes important when the ratio between the EC50 and the EC10 for the dose-response curve of the species composing the SSD are smaller than 100. However, considering common real cases of ecotoxicity data for substances, the mixture risk calculated by the methodology applying mixture models directly on SSDs remains consistent and would rather slightly overestimate the risk. These results can be used as a theoretical validation of the currently applied methodology. Nevertheless, when assessing the risk of mixtures, one has to keep in mind this source of error with this classical methodology, especially when SSDs present a distribution of the data outside the range determined in this study Finally, in the last part of this thesis, we confronted the mixture effect predictions with biological changes observed in the environment. In this study, long-term monitoring of a European great lake, Lake Geneva, provides the opportunity to assess to what extent the predicted toxicity of herbicide mixtures explains the changes in the composition of the phytoplankton community next to other classical limnology parameters such as nutrients. To reach this goal, the gradient of the mixture toxicity of 14 herbicides regularly detected in the lake was calculated, using concentration addition and response addition models. A decreasing temporal gradient of toxicity was observed from 2004 to 2009. Redundancy analysis and partial redundancy analysis showed that this gradient explains a significant portion of the variation in phytoplankton community composition, even when having removed the effect of all other co-variables. Moreover, some species that were revealed to be influenced positively or negatively, by the decrease of toxicity in the lake over time, showed similar behaviors in mesocosms studies. It could be concluded that the herbicide mixture toxicity is one of the key parameters to explain phytoplankton changes in Lake Geneva. To conclude, different methods exist to predict the risk of mixture in the ecosystems. But their reliability varies depending on the underlying hypotheses. One should therefore carefully consider these hypotheses, as well as the limits of the approaches, before using the results for environmental risk management

Simple model for nonexponential relaxation in complex fluids

The nonexponential relaxation occurring in complex dynamics manifested in a wide variety of systems is analyzed through a simple model of diffusion in phase space. It is found that the inability of the system to find its equilibrium state in any time scale becomes apparent in an effective temperature field, which leads to a hierarchy of relaxation times responsible for the slow relaxation phenomena.

Tuning clustering in random networks with arbitrary degree distributions

We present a generator of random networks where both the degree-dependent clustering coefficient and the degree distribution are tunable. Following the same philosophy as in the configuration model, the degree distribution and the clustering coefficient for each class of nodes of degree k are fixed ad hoc and a priori. The algorithm generates corresponding topologies by applying first a closure of triangles and second the classical closure of remaining free stubs. The procedure unveils an universal relation among clustering and degree-degree correlations for all networks, where the level of assortativity establishes an upper limit to the level of clustering. Maximum assortativity ensures no restriction on the decay of the clustering coefficient whereas disassortativity sets a stronger constraint on its behavior. Correlation measures in real networks are seen to observe this structural bound.

Continuous phase transition in a spin-glass model without time-reversal symmetry

We investigate the phase transition in a strongly disordered short-range three-spin interaction model characterized by the absence of time-reversal symmetry in the Hamiltonian. In the mean-field limit the model is well described by the Adam-Gibbs-DiMarzio scenario for the glass transition; however, in the short-range case this picture turns out to be modified. The model presents a finite temperature continuous phase transition characterized by a divergent spin-glass susceptibility and a negative specific-heat exponent. We expect the nature of the transition in this three-spin model to be the same as the transition in the Edwards-Anderson model in a magnetic field, with the advantage that the strong crossover effects present in the latter case are absent.

APPRAISAL OF THE SNAP MODEL FOR PREDICTING NITROGEN MINERALIZATION IN TROPICAL SOILS UNDER EUCALYPTUS

The Soil Nitrogen Availability Predictor (SNAP) model predicts daily and annual rates of net N mineralization (NNM) based on daily weather measurements, daily predictions of soil water and soil temperature, and on temperature and moisture modifiers obtained during aerobic incubation (basal rate). The model was based on in situ measurements of NNM in Australian soils under temperate climate. The purpose of this study was to assess this model for use in tropical soils under eucalyptus plantations in São Paulo State, Brazil. Based on field incubations for one month in three, NNM rates were measured at 11 sites (0-20 cm layer) for 21 months. The basal rate was determined in in situ incubations during moist and warm periods (January to March). Annual rates of 150-350 kg ha-1 yr-1 NNM predicted by the SNAP model were reasonably accurate (R2 = 0.84). In other periods, at lower moisture and temperature, NNM rates were overestimated. Therefore, if used carefully, the model can provide adequate predictions of annual NNM and may be useful in practical applications. For NNM predictions for shorter periods than a year or under suboptimal incubation conditions, the temperature and moisture modifiers need to be recalibrated for tropical conditions.

Integrated random processes exhibiting long tails, finite moments, and power-law spectra

A dynamical model based on a continuous addition of colored shot noises is presented. The resulting process is colored and non-Gaussian. A general expression for the characteristic function of the process is obtained, which, after a scaling assumption, takes on a form that is the basis of the results derived in the rest of the paper. One of these is an expansion for the cumulants, which are all finite, subject to mild conditions on the functions defining the process. This is in contrast with the Lévy distribution¿which can be obtained from our model in certain limits¿which has no finite moments. The evaluation of the spectral density and the form of the probability density function in the tails of the distribution shows that the model exhibits a power-law spectrum and long tails in a natural way. A careful analysis of the characteristic function shows that it may be separated into a part representing a Lévy process together with another part representing the deviation of our model from the Lévy process. This

Generation of uncorrelated random scale-free networks

Uncorrelated random scale-free networks are useful null models to check the accuracy and the analytical solutions of dynamical processes defined on complex networks. We propose and analyze a model capable of generating random uncorrelated scale-free networks with no multiple and self-connections. The model is based on the classical configuration model, with an additional restriction on the maximum possible degree of the vertices. We check numerically that the proposed model indeed generates scale-free networks with no two- and three-vertex correlations, as measured by the average degree of the nearest neighbors and the clustering coefficient of the vertices of degree k, respectively.

Class of correlated random networks with hidden variables

We study a class of models of correlated random networks in which vertices are characterized by hidden variables controlling the establishment of edges between pairs of vertices. We find analytical expressions for the main topological properties of these models as a function of the distribution of hidden variables and the probability of connecting vertices. The expressions obtained are checked by means of numerical simulations in a particular example. The general model is extended to describe a practical algorithm to generate random networks with an a priori specified correlation structure. We also present an extension of the class, to map nonequilibrium growing networks to networks with hidden variables that represent the time at which each vertex was introduced in the system.

Generalization of the persistent random walk to dimensions greater than 1

We propose a generalization of the persistent random walk for dimensions greater than 1. Based on a cubic lattice, the model is suitable for an arbitrary dimension d. We study the continuum limit and obtain the equation satisfied by the probability density function for the position of the random walker. An exact solution is obtained for the projected motion along an axis. This solution, which is written in terms of the free-space solution of the one-dimensional telegraphers equation, may open a new way to address the problem of light propagation through thin slabs.

Quantum relaxation in random magnets

We present a comprehensive study of the low-temperature magnetic relaxation in random magnets. The first part of the paper contains theoretical analysis of the expected features of the relaxation, based upon current theories of quantum tunneling of magnetization. Models of tunneling, dissipation, the crossover from the thermal to the quantum regime, and the effect of barrier distribution on the relaxation rate are discussed. It is argued that relaxation-type experiments are ideally suited for the observation of magnetic tunneling, since they automatically provide the condition of very low barriers. The second part of the paper contains experimental results on transition-metal¿rare-earth amorphous magnets. Structural and magnetic characterization of materials is presented. The temperature and field dependence of the magnetic relaxation is studied. Our key observation is a nonthermal character of the relaxation below a few kelvin. The observed features are in agreement with theoretical suggestions on quantum tunneling of magnetization.