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Towards a library for straight-line programs
No full textStraight-line programs have proved to be an extremely useful framework both for theoretical work on algebraic complexity and for practical implementations. In this paper, we expose ideas for the development of high performance libraries dedicated to straight-line programs, with the hope that they will allow to fully leverage the theoretical advantages of this framework for practical applications
No Robust Sign of Human Influence in the Unprecedented Atmospheric Circulation of Summer 2018 Over Northern Europe
No full textInternational audienceThe summer of 2018 was characterized by prolonged heatwaves over Northern Europe, associated with persistent atmospheric blocking, and an unusually northward jet stream location over Scandinavia. Whilst event attribution studies tend to focus on the change in probability or magnitude of the extreme temperatures themselves, we provide context to these studies by examining whether there are human induced trends in the atmospheric circulation that might affect the likelihood of similar extreme circulation patterns and associated heat waves occurring in the future. We examine trends and variability in summer jet latitude, blocking frequency and overall circulation pattern over the Scandinavian sector in a variety of reanalyses and climate model ensembles. Both the number of blocked days, and the average jet location for summer 2018 were unprecedented in the reanalyses, and rare in climate model simulations. We found no robust evidence of past or future externally forced changes in summer blocking frequency over Scandinavia in model simulations, whilst trends in circulation analogs were also largely insignificant. Trends in jet latitude were dependent on the time period examined, models included and other analysis choices. Overall, we found no robust evidence for systematic trends in average or extreme years toward Summer 2018-like conditions for any of the three indices, nor in the frequency of co-occurring extreme northward jet latitude and high blocking frequency. We conclude that Summer 2018s circulation can likely be explained by internal atmospheric variability.Plain Language Summary Northern Europe experienced prolonged heatwaves during the summer of 2018. These were associated with an unusually far north jet-stream location and persistent atmospheric blocking over Scandinavia-(i.e., high atmospheric pressure which persists for days to weeks, blocking the passage of other weather systems and contributing to the buildup of heat). Studies on heatwaves commonly seek to quantify how the probability or severity of the hot temperatures has changed due to human-induced climate change. However, it is also important to examine whether the likelihood of the atmospheric circulation patterns leading to such heatwaves has changed, since this may affect how often they occur in the future. We look for trends in summer jet stream location and blocking frequency over Scandinavia, as well as in the number of days with a similar overall circulation pattern to summer 2018 over Europe. We use a combination of climate model simulations and observational data sets (reanalyses). We find that Summer 2018 had the furthest north jet stream location and most blocked days over Scandinavia ever seen since the reanalysis records began in 1948. However, we found no convincing evidence for human-induced trends toward an increased likelihood of such a circulation pattern occurring.</div
Controlling lightning with lasers
No full textInternational audienceLightning is one of nature's most extreme phenomena. As fascinating as it is destructive, it causes billions of euros worth of damage every year. The idea of using lasers to control lightning dates back to the 1970s, but it wasn't until 50 years later, with the European Laser Lightning Rod project, that it was demonstrated for the first time that powerful lasers could guide lightning over long distances
Modèle numérique du propulseur de satellite PEGASES
No full textThe electric spacecraft propulsion industry is actively transitioning to new propellants.Until recently, the favoured propellant was xenon. It is the heaviest stable noble gas, characteristics that enhance the thrust-to-power ratio of electric thrusters. However, the limited supply cannot satisfy the growing demand as space industrializes.New propulsion systems are designed around lighter noble gases, trading efficiency for affordability.Others make use of molecular propellants, namely iodine. Despite being reactive, this element, a neighbour of xenon in the periodic table, can offer similar performances with the benefit of a higher storage density.The development of the next propulsion systems requires design and simulation tools adapted to alternative propellants. In this work, we propose using a 1D Particle-In-Cell code coupled with a fluid model as a fast way to simulate the low-pressure discharges found in electric thrusters.We implemented an analytical model to emulate the particle transport in the unsimulated directions.This method allows the simulation of simple geometries with a 1D model. In addition, the vacuum permittivity scaling technique allows to speed up whole device simulations.To ensure the accuracy of our model, we extensively validated it using the diagnostic data measured on the PEGASES thruster. This validation process covered a range of noble gases and iodine ICP discharges, including argon, krypton, xenon.Noble gas validation showed that the code could reproduce the trends in the electron parameters as the pressure and power evolved. However, its reduced dimensionality and the fluid model hinder its predictive power at low pressure and high power. In iodine, the low-pressure simulations are in good agreement with the experimental data. However, the model struggles to maintain the delicate balance between the numerous species at high pressure.L'industrie de la propulsion spatial électrique est en train de transitionner vers de nouveaux ergols.Jusqu'à récemment, le xénon était privilégié. Il s'agit du plus lourd des gaz nobles stable, caractéristiques qui bénéficient au rapport poussée/puissance des propulseurs électriques.Cependant, l'offre limitée ne peut satisfaire la demande croissante à mesure que l'espace s'industrialise.De nouveaux systèmes de propulsion sont conçus autour de gaz nobles plus légers, sacrifiant l'efficacité pour le prix. D'autres utilisent des ergols moléculaires, notamment l'iode.Bien que réactif, cet élément voisin du xénon dans le tableau périodique peut offrir des performances similaires avec l'avantage d'une plus grande densité de stockage.Le développement des prochains systèmes de propulsion nécessite des outils de conception et de simulation adaptés aux ergols alternatifs. Dans ce travail, nous proposons d'utiliser un code 1D Particle-In-Cell couplé à un modèle de fluide comme moyen rapide de simuler les décharges à basse pression que l'on trouve dans les moteurs électriques. Nous avons mis en œuvre un modèle analytique pour émuler le transport des particules dans les directions non simulées.Cette méthode permet de simuler des géométries simples avec un modèle 1D. En outre, la technique de changement d'échelle de la permittivité du vide permet de simuler rapidement des systèmes complets.Pour garantir la précision de notre modèle, nous l'avons validé de manière approfondie en utilisant les diagnostic mesurées sur le propulseur PEGASES. Ce processus de validation a couvert des décharges inductives avec de l'iode et divers gaz nobles, l'argon, le krypton et le xénon.La validation des gaz rares a montré que le code pouvait reproduire les tendances des variations des paramètres électroniques au fur et à mesure de l'évolution de la pression et de la puissance.Cependant, sa dimensionnalité réduite et le modèle fluide, entravent son pouvoir prédictif aux plus basses pressions et a trop haute puissance. Pour l'iode, les simulations à basse pression sont en bon accord avec les données expérimentales. Cependant, le modèle peine à maintenir l'équilibre délicat entre les nombreuses espèces à haute pression
Un trio au cœur de la régulation de la croissance végétale : la mécanique des tissus, le remodelage de la paroi cellulaire et la détection de l’intégrité.
No full textHow does a plant grow? At the cellular level, the current model states that the cell wall, the stiff extracellular matrix that surrounds every plant cell, is put under tension by the internal hydrostatic pressure, called turgor, which triggers cell wall remodelling leading to stress relaxation and so to growth. This process of remodelling under tension requires strong coordination between remodelling and turgor, otherwise it exposes plants to catastrophes scenarios, such as cell wall rupture. Coordination is partially ensured by sensors of the cell wall integrity. In this thesis, we focus on how these three processes – cell wall mechanics, remodelling and sensing – integrate to regulate growth. We address this question in vegetative propagules of the non-vascular land plant Marchantia polymorpha.A first part is dedicated to growth regulation by cell wall sensors and in particular by a receptor kinase called FERONIA. FERONIA is involved in a broad range of responses to perturbations of the cell wall, but it is unclear which cues are sensed and how this sensing controls growth. We combined culture in microfluidic chips to quantify growth and mechanical properties of propagules, perturbations with osmotic treatments, characterisation of cell wall polysaccharides, and a mathematical model of cell wall expansion that incorporates sensing. We found that FERONIA independently regulates tissue mechanical properties and growth rates, and that possible effectors in the cell wall are xyloglucan-related. We propose that the regulation of growth by the FERONIA pathway relies on both a positive feedback from elastic deformation of the wall and a negative feedback from wall expansion. We find that FERONIA regulates patterning and variability of growth.A second part deals with the analysis of the “stored-growth” phenomenon. Stored-growth describes growth burst as a response to a turgor step down, which compensates area loss during the turgor reduction phase. This phenomenon interrogates current model for cell wall growth, as this behaviour does not fit the prediction that growth rate correlates to instantaneous turgor. Here, we used propagules culture in microfluidic chips to apply osmotic pressure step as well as treatments perturbing cell wall polysaccharides, and analysed responses in relation to mathematical modelling. We demonstrated that stored-growth relies on increased cell wall loosening. We gathered evidence supporting a coupling between a pressure-independent accumulation of cell wall polysaccharides and a pressure-dependent expansion mechanism. Analysis of cell wall composition, along with data on gene expression, under osmotic stress highlighted the role of cell wall remodelling and in particular of pectins methylesterification. We suggest that regulation of growth by turgor also act through regulation of pectin methylesterases.Altogether, we challenged classical models for plant growth, advocating for the relevance of mechanical feedbacks in the regulation of cell expansion. More generally, we highlighted how cell wall biology, in terms of mechanics, biochemistry and signals, could be considered to quantitatively understand the regulation of larger scale morphogenesis.Comment une plante croît-elle ? À l’échelle cellulaire, le modèle actuel stipule que la paroi cellulaire, qui est la matrice extracellulaire rigide entourant chacune des cellules végétales, est mise sous tension par la pression hydrostatique interne, appelée turgescence. Ceci provoque le remodelage de la paroi, qui mène à la relaxation des contraintes et par conséquent à la croissance. Ce processus de remodelage sous tension requiert une coordination importante entre le remodelage et la turgescence, sans laquelle les plantes seraient exposées à des catastrophes, telles que la rupture de la paroi. La coordination est en partie assurée par des senseurs détectant l’intégrité de la paroi. Dans cette thèse, nous nous consacrons à la façon dont ces trois processus, la mécanique de la paroi, son arrangement et sa détection, sont intégrés pour réguler la croissance. Nous abordons cette question dans le contexte des propagules végétatives de la plante terrestre non vasculaire Marchantia polymorpha.Une première partie est dédiée à la régulation de la croissance par des senseurs de la paroi et en particulier par un récepteur kinase nommé FERONIA. FERONIA est impliquée dans une vaste gamme de réponses aux perturbations de la paroi, bien que la nature des signaux détectés et la manière dont cette détection contrôle la croissance ne soient pas établies. Nous avons associé la culture dans des puces microfluidiques permettant de quantifier la croissance et les propriétés mécaniques des propagules, les perturbations par des traitements osmotiques, la caractérisation des polysaccharides pariétaux, à un modèle mathématique de l’expansion de la paroi, qui inclut la détection de l’intégrité. Nous avons découvert que FERONIA régule indépendamment les propriétés mécaniques des tissus et la croissance, et que des effecteurs potentiels dans la paroi sont liés aux xyloglucanes. Nous proposons que la régulation de la croissance par la voie FERONIA découle à la fois d’une rétroaction positive de la déformation élastique et d’une rétroaction négative de l’expansion de la paroi. Nous avons montré que FERONIA régule l’organisation spatiale et la variabilité de la croissance.Une deuxième partie traite de l’analyse du phénomène de « croissance stockée ». Ce phénomène décrit l’accélération de la croissance en réponse à une réduction momentanée de la turgescence, qui permet de compenser la perte d’aire pendant la phase de turgescence réduite. Ce phénomène questionne les modèles actuels de croissance car ce comportement ne correspond pas à la prédiction que le taux de croissance corrèle avec la turgescence instantanée. Pour cette partie, nous avons utilisé la culture de propagules dans des puces afin de les soumettre à des sauts de pression osmotique ainsi qu’à des traitements perturbant les polysaccharides et avons analysé les réponses au regard de modèles mathématiques. Nous avons démontré que le phénomène de croissance stockée est lié à une augmentation de l’assouplissement de la paroi. Nous avons rassemblé des preuves étayant un lien entre une accumulation de polysaccharides indépendamment de la pression et un mécanisme d’expansion dépendant de la pression. L’analyse de la composition de la paroi, accompagnée de données d’expression génétique, lors d’un stress osmotique, permet de souligner le rôle du remodelage de la paroi et en particulier de la méthylestérification des pectines. Nous suggérons que la régulation des pectines méthylestérases contribue également à la régulation de la croissance par la turgescence.En conclusion, nous revisitons les modèles classiques de croissance végétale, en mettant en évidence la pertinence des rétroactions mécaniques dans la régulation de l’expansion cellulaire. Plus généralement, nous avons montré que la biologie de la paroi, d’un point de vue tant mécanique que de sa biochimie ou de la signalisation, pouvait permettre de comprendre quantitativement la régulation de la morphogenèse à de plus grandes échelles
Revisiter le noyau sliced Wasserstein pour les diagrammes de persistance : une approche à la Figalli--Gigli
No full textThe Sliced Wasserstein Kernel (SWK) for persistence diagrams was introduced in (Carrière et al. 2017) as a powerful tool to implicitly embed persistence diagrams in a Hilbert space with reasonable distortion. This kernel is built on the intuition that the Figalli-Gigli distance-that is the partial matching distance routinely used to compare persistence diagrams-resembles the Wasserstein distance used in the optimal transport literature, and that the later could be sliced to define a positive definite kernel on the space of persistence diagrams. This efficient construction nonetheless relies on ad-hoc tweaks on the Wasserstein distance to account for the peculiar geometry of the space of persistence diagrams. In this work, we propose to revisit this idea by directly using the Figalli-Gigli distance instead of the Wasserstein one as the building block of our kernel. On the theoretical side, our sliced Figalli-Gigli kernel (SFGK) shares most of the important properties of the SWK of Carrière et al., including distortion results on the induced embedding and its ease of computation, while being more faithful to the natural geometry of persistence diagrams. In particular, it can be directly used to handle infinite persistence diagrams and persistence measures. On the numerical side, we show that the SFGK performs as well as the SWK on benchmark applications
Réflexions sur la puissance motrice du Soleil
No full textInternational audienceA quintessential source of heat, the Sun radiates toward the Earth a power ten thousand times greater than humanity's energy needs. Harnessing this energy bounty, however, requires capturing and converting sunlight. Today, this conversion can be achieved through several families of technologies at varying stages of maturity: photovoltaic solar, thermal, concentrated solar power, and more. While their applications differ, all these technologies must meet common fundamental constraints, and as Carnot proposed, one can 'consider in all its generality the principle of producing motion through heat' from the Sun. However, unlike traditional 'heat engines,' the coupling with the hot source here is radiative, introducing specific constraints that must be accounted for. In this presentation dedicated to radiative machines, you will encounter familiar terms as well as particular expressions that will provide the keys to understanding solar technologiesSource de chaleur par excellence, le Soleil rayonne vers la Terre une puissance dix mille fois supérieure aux besoins d'énergie de l'humanité. Tirer parti de cette manne énergétique nécessite cependant de parvenir à capter et à convertir la lumière. Cette conversion peut aujourd'hui être réalisée par plusieurs familles de technologies, à différents degrés de maturité : solaire photovoltaïque, thermique, à concentration… Si leurs applications sont différentes, toutes ces technologies doivent répondre à des contraintes fondamentales communes, et on peut comme Carnot « envisager dans toute sa généralité le principe de la production du mouvement par la chaleur » du Soleil. Mais contrairement aux « machines à feu », le couplage avec la source chaude est ici radiatif, ce qui ajoute des contraintes particulières dont il faut tenir compte. Dans cet exposé consacré aux machines radiatives, on retrouvera donc des termes familiers, mais aussi des expressions particulières qui donneront les clés de compréhension des technologies solaires
Paramétrisation du soulèvement de poussières au Sahel par les poches froides
No full textThis thesis aims to improve the representation of desert dust in General Circulation Models (GCMs), which are essential tools for understanding climate and anticipating climate change. We propose a gust parametrization to represent, within GCMs, the dust emissions associated with the spreading of cold pools generated beneath thunderstorms by precipitation evaporation—processes that remain absent from most of these models. To achieve this, we rely on two approaches recently adopted by the scientific community to enhance the reliability of climate simulations: Large Eddy Simulations (LES), which enable the development of more realistic physical parametrizations, and the automatic calibration tool HighTune Explorer, which adjusts free parameters while preserving the physical consistency of the model. We began with a detailed evaluation of the existing cold pool scheme in the LMDZ climate model, developed at the Laboratoire de Météorologie Dynamique, which our gust scheme is designed to complement. This evaluation, based on sampling internal variables of the cold pool scheme from LES, confirmed the validity of its underlying assumptions and the properties of the simulated cold pools. However, biases were identified and subsequently corrected through substantial modifications to the scheme and parameter adjustments using HighTune Explorer. Remaining biases could be resolved by implementing a more physical representation of the number of cold pools, which has so far been prescribed. The gust parametrization developed in this thesis employs a Monte Carlo approach to calculate wind distributions within cold pools, avoiding the use of analytical probability density functions as is traditionally done. Since it provides only the winds inside cold pools, it is combined with the gust scheme developed in parallel by Adriana Sima, which describes winds outside cold pools, in order to obtain a complete distribution within the grid cell. The Monte Carlo approach once again facilitates this combination by avoiding complex analytical calculations. This represents a significant advantage for modelers, allowing them to focus on physical processes rather than mathematical complexity.Implemented in LMDZ, the gust scheme enables the climate model to simulate cold pool-driven dust emissions. It reproduces dust emissions realistically in the dry season, but tends to overestimate them during the wet season, mainly due to the absence of limiting processes related to soil moisture and vegetation. Incorporating these processes would improve the results. A parametrization developed by Jean-Yves Grandpeix to calculate the number of cold pools was also evaluated against LES. The results are promising, although further improvements to the model physics are still needed. The gust schemes, together with the improvements made to the cold pool scheme, will be integrated into the 3D version of LMDZ as part of climate simulations for the next report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).Cette thèse vise à améliorer la représentation des poussières désertiques dans les Modèles de Circulation Générale (GCM), utilisés pour la compréhension du climat et l'anticipation des changements climatiques. Nous proposons une paramétrisation des rafales de vent pour représenter, dans les GCM, les émissions de poussières liées à l'étalement des poches froides créées sous les orages par l'évaporation des précipitations, encore absentes de la plupart de ces modèles. Pour cela, nous mobilisons deux approches récemment adoptés par la communauté pour améliorer la fiabilité des simulations climatiques : les LES (Large Eddy Simulations), qui permettent de développer des paramétrisations physiques plus réalistes, et l'outil de calibration automatique HighTune Explorer, qui ajuste les paramètres libres tout en tenant compte du réalisme physique du modèle. Nous avons commencé par une évaluation détaillée du schéma des poches existant dans le modèle climatique LMDZ, développé au Laboratoire de Météorologie Dynamique, et avec lequel notre schéma de rafales doit être couplé. Cette évaluation, basée sur un échantillonnage des variables internes du schéma des poches dans les LES, a permis de valider les hypothèses de base du schéma et les propriétés des poches qu'il simule. Des biais ont cependant été identifiés puis corrigés grâce à des modifications substantielles du schéma et un réajustement de paramètres libres utilisant l'outil HighTune Explorer. Les biais restants pourraient être corrigés par une représentation plus physique du nombre de poches, jusque-là imposée. La paramétrisation des rafales des poches, développée dans cette thèse, utilise une approche Monte Carlo pour calculer les distributions de vent dans les poches, sans recourir à des formules analytiques de la densité de probabilité, comme ça se fait classiquement. Comme elle ne fournit que le vent à l'intérieur des poches, elle est combinée au schéma de rafales développée en parallèle par Adriana Sima, décrivant le vent à l'extérieur des poches, afin d'obtenir une distribution complète dans la maille. L'approche Monte Carlo facilite à nouveau cette combinaison en évitant les calculs complexes. Elle constitue ainsi un atout majeur pour les modélisateurs, permettant de contourner les calculs mathématiques complexes et se concentrer sur l'aspect physique. Intégré dans LMDZ, le schéma des rafales permet à ce modèle de climat de reproduire désormais les émissions liées aux poches. Il reproduit aussi bien les poussières en saison sèche, mais les surestime en saison des pluies, en raison notamment de l'absence de processus limitants liés à l'humidité du sol et à la végétation. Leur intégration améliorerait les résultats. Une paramétrisation développée par Jean-Yves Grandpeix, pour calculer le nombre de poches, a été évaluée face aux LES. Les résultats sont prometteurs malgré des améliorations encore nécessaires sur la physique du modèle. Les schémas des rafales, ainsi que les améliorations apportées sur le schéma des poches, seront intégrés à la version 3D de LMDZ, dans le cadre des simulations climatiques du prochain rapport du Groupe d'Expert Intergouvernemental sur l'Évolution du Climat
Broadband mid-infrared spectroscopy in a CH4 + O2 plasma glow discharge
No full textInternational audienc
Modeling the formation of N2 and CH4 frost on the Pluto slopes
No full textInternational audienceContext . The equatorial region of Cthulhu as revealed by New Horizons appears to be generally dark and largely devoid of volatiles because its surface albedo is low. Localized bright patches, however, which are interpreted as CH4 frost, are observed on crater rims and slopes. Aims . Previous studies suggested that these frosts might result from the peculiar insolation driven by the geometry of these slopes, but this has never been tested quantitatively. We investigated the origin, stability, and potential role of these localized frost deposits in the volatile cycle of Pluto. Methods . We implemented a new subgrid-scale slope parameterization in the volatile transport model for Pluto, which accounts for the specific solar irradiation and the resulting surface and subsurface temperatures on sloped terrains. This parameterization also allows the condensation and sublimation of volatiles (either N2 or CH4 ) on slopes, including the effect of large-scale transport of these species. This is key to determining the amount of frost that forms or disappears. Results . Our simulations reproduce the observed CH4 frost on north-facing slopes as seasonal deposits that currently sublimate, predict perennial CH4 frost on south-facing slopes, and show that the slope microclimates are not expected to alter global volatile cycles. Conclusions . Seasonal and perennial N2 and CH4 frosts can form on the Pluto slopes, even in its darkest and warmest regions, because the locally sunlight received on inclined terrain is reduced. Despite the abundance of sloped surfaces on Pluto, the slope microclimates still only appear to have a minor effect on the global volatile cycles of the planet