La combustion de bois, ou plus largement de la biomasse, est une source de pollution très importante en particules atmosphériques en hiver, particulièrement en France. Si les émissions primaires ont été étudiées depuis de nombreuses années, il existe de grandes incertitudes sur le devenir de ces émissions dans l’atmosphère. Le travail de thèse a donc porté sur l’étude du vieillissement en chambre de simulation atmosphérique de l’aérosol émis par 3 appareillages pour le chauffage au bois (conçus entre 2000 et 2010 et représentatifs de la politique de renouvellement mis en place par l’ADEME), avec un intérêt particulier pour le potentiel de formation d’aérosol organique secondaire (SOA) et la modification de l’empreinte chimique à l’échelle moléculaire au cours du transport atmosphérique. Les expériences ont montré un potentiel de formation de SOA très important. La concentration en OA peut ainsi être multipliée par 7 (1.5 – 7.1) entre l’émission et après un temps de résidence atmosphérique équivalent à 5 h. Cette étude met également en évidence l’impact de l’efficacité de combustion sur les facteurs d’émission et par conséquent le rôle crucial de l’opérateur. L’étude à l’échelle moléculaire a mis en évidence la formation de composés susceptibles de servir de marqueurs de combustion de biomasse âgée, principalement des nitrocatéchols. Enfin, cette étude démontre le rôle clé de la volatilisation du lévoglucosan, principal marqueur organique de la combustion de biomasse, au cours du processus de dilution dans l’atmosphère, et pose clairement la question de la pertinence des constantes cinétiques de dégradation préalablement calculées en chambre de simulation atmosphérique. / Biomass burning is in winter a main source of air pollution by particulate matter, especially in France. While primary emissions have been characterized extensively before, few studies have addressed the aging of these emissions in the atmosphere and large uncertainties remain. Therefore, the objectives of this thesis was to study in a smog chamber the aging of the aerosol emitted by 3 different woodstoves used for residential heating (fabricated from between 2000 and 2010, and representative of the policy engaged by the French environmental agency to renew the appliances across the country), with a specific focus on the Secondary Organic Aerosol (SOA) production potential and the modification of the chemical fingerprint of the emissions at the molecular level during their transport in the atmosphere. The experiments showed the SOA production potential can be significant. The OA concentration can be increased by up to a factor of 7 (1.5 – 7.1) after being aged in the smog chamber with a time equivalent to 5 hours in the atmosphere. The study also further demonstrated the influence of the combustion efficiency on the emissions and implicitly the role of the operator. The study of the composition of the aerosol at the molecular level showed the formation of compounds, likely to serve as markers for aged biomass burning, mainly nitrocatechols. Finally, the work also illustrates the influence of the volatilization of levoglucosan, main marker of biomass burning, during the dilution process occurring in the atmosphere, and challenge the pertinence of the degradation rate constant determined previously in smog chamber.

Les médias fibreux nontissés sont des structures textiles très répandues dans le cadre de la filtration de l'air et plus particulièrement pour des particules fines de taille inférieure à 1 µm. Dans cette application, on recherche toujours un compromis entre l'efficacité de filtration (capture des particules) et la perte de charge (écoulement du fluide). Les caractéristiques structurelles des nontissés sont des facteurs primordiaux quant aux propriétés finales de filtration recherchées. L'approche est ici originale, car nous proposons de développer nos propres nontissés filtrants à l'aide d'outils de productions proches de l'industrie. Nous pouvons ainsi sélectionner des critères de structures (épaisseur, masse surfacique, type de fibres, diamètre des fibres etc.) adaptés aux propriétés de filtration de l'air que nous souhaitons étudier. Sur l'ensemble des caractéristiques structurelles étudiées nous avons montré que le paramètre le plus significatif sur les propriétés de filtration est le diamètre des fibres. Lorsqu'il diminue, nous augmentons l'efficacité mais au détriment de la perte de charge. L'expression de la longueur surfacique de fibres a été définie et est apparue comme un paramètre pertinent pour rendre compte des propriétés de filtration. Nous avons par ailleurs mis en évidence que la compacité augmentait fortement l'efficacité et la perte de charge. Notre étude sur des échantillons à base d'un mélange de diamètres de fibres montre que l'efficacité de filtration devait être assurée dans de tels mélanges par une longueur surfacique de fibres fines suffisante, alors que la quantité de fibres de diamètre plus élevé permet une structuration du média fibreux garantissant une perte de charge faible. La production de nanofibres par le procédé electrospinning nous a permis d'obtenir des échantillons avec des fibres de 250 nm de diamètre. L'amélioration du compromis efficacité/perte de charge observée est due à des nombres de Knudsen de fibres plus élevés que pour des échantillons microfibres. La modélisation des propriétés de filtration montre dans le cas d'échantillons idéalisés (fibres cylindriques, diamètre de l'ordre de 10 µm etc.) que la théorie est plutôt conforme avec les expérimentations. Cependant nous avons montré qu'en utilisant des mélanges de fibres ou des formes de section de fibres spéciales, ces modèles présentent certaines limites. Nous avons proposé des pistes avec notamment la prise en compte de nombreuses caractéristiques de la structure fibreuse afin d'obtenir des résultats plus proches des expérimentations.

Ce travail est une contribution à une meilleure connaissance des facteurs influençant la composition de l'atmosphère. La specificité de notre étude est de coupler, sur un ensemble de sites (puy de Dôme, Opme et Cézeaux), des observations sur la composition chimique et l'activité des radionucléides dans les différents compartiments nuage/pluie/aérosol. Nous observons, dans la phase aérosol, des concentrations ioniques et carbonées et une activité de radionucléides plus élevées l'été que l'hiver au puy de Dôme. L'étude des pluies indique que l'activation et le lessivage des particules sont des facteurs prépondérants dans la composition de la pluie. Ceci est confirmé par une étude des facteurs environnementaux et structurels des pluies qui ne semblent pas influencer de façon significative les rapports de lessivage. Notre travail met en avant le rôle de transport longue distance de polluants particulaires dans la composition de la phase liquide atmosphérique.

Les particules d'aérosols jouent un rôle prépondérant sur le climat de la Terre, notamment à travers l'absorption et la diffusion du rayonnement solaire. L'hygroscopicité de ces particules est un paramètre important qui décrit leur capacité à augmenter leurs diamètres par condensation de vapeur d'eau en fonction de l'humidité relative. Ce travail a pour but d'étudier l'hygroscopicité des particules atmosphériques grâce à un système HTDMA développé au laboratoire. Notre travail s'articule autour de mesures réalisées en zone source (Marseille, Grenoble) et en zone de fond (puy de Dôme, 1465m). L'hygroscopicité mesurée sur ces sites est globalement plus importante en zone de fond qu'en zone source. Cette information, appuyée par nos mesures en laboratoire, met en évidence l'impact du phénomène de "vieillissement de l'aérosol sur son hygroscopicité par condensation de composés volatils à sa surface ou par formation de composés secondaires par réaction en phase aqueuse en nuage. La spécificité de cette étude est également due au couplage des propriétés hygroscopiques avec la composition chimique des aérosols mesurés par AMS. Ce couplage nous a permis de montrer, grâce à la théorie ZSR, que l'hygroscopicité de l'aérosol pouvait être calculée à partir de la connaissance de sa composition chimique, avec une précision de 5% en moyenne, en prenant en compte l'état de mélange de l'aérosol. Enfin, nos résultats montrent que l'aérosol est toujours présent sous forme de mélange externe, ce qui constitue une information importante pour évaluer l'impact radiatif (direct ou indirect) de l'aérosol

L'étude des flux et du devenir du fer atmosphérique dans l'eau de mer est essentielle pour estimer sa contribution au stock de fer dans l'océan de surface et donc sa contribution dans les cycles biogéochimiques. Pour de larges zones océaniques de l'hémisphère Sud, inexplorées en ce qui concerne les aérosols, ce travail montre que les apports de fer atmosphérique sont liés à de très faibles concentrations de particules d'origine lithogénique ayant voyagé sur de très longues distances. Les flux de fer vers l'océan, déterminés au cours de ce travail, sont largement inférieurs (de 1 à 2 ordres de grandeur) aux estimations récentes par des modèles globaux de poussières minérales, qui sont largement utilisés dans les modèles biogéochimiques. En ce qui concerne le devenir du fer atmosphérique dans l'eau de mer, ce travail propose de considérer le processus de dissolution comme la combinaison d'un processus rapide (considéré instantané) et d'un processus lent (à l'échelle de plusieurs jours). Le processus instantané est contrôlé par des paramètres physico-chimiques des particules qui dépendent à la fois de la nature (source) et de l'histoire (transport dans l'atmosphère des particules) des aérosols à l'interface océan-atmosphère. Le processus « lent » dépend de la quantité de ligands libres dans l'eau de mer et est proportionnel à la quantité de matière organique dissoute. La dissolution du fer transporté par les particules atmosphériques est donc liée à la fois aux sources, au transport et à la nature de l'eau de mer où elles se déposent, illustrant l'impossibilité de considérer une valeur unique de dissolution du fer atmosphérique à l'échelle globale. Une paramétrisation intégrant ces différents forçages est proposée. Ce travail, en estimant à la fois les flux et la dissolution, montre que pour certaines zones océaniques, la connaissance des flux présente une incertitude au moins aussi importante que celle de la dissolution.

Le dernier rapport du GIEC (2007) souligne que la compréhension du changement climatique en cours est encore incomplète. Le rôle de la stratosphère est notamment mal connu. C'est pourquoi il est important d'étudier sa composition et les processus physicochimiques s'y déroulant. Les mesures d'occultation solaire telles celles de l'instrument satellitaire SAGE III et les mesures in situ sont particulièrement bien adaptées à l'étude de la stratosphère. J'ai étudié dans cette thèse la cohérence entre les mesures existantes.<br />Mon travail a consisté à inverser les transmissions atmosphériques de SAGE III pour obtenir les profils verticaux des concentrations en ozone et en dioxyde d'azote ainsi que des coefficients d'extinction des aérosols dans neuf canaux entre 385 et 1545 nm. Dans les canaux situés autour de 450 nm, un lissage vertical a été effectué sur les transmissions tangentes pour pallier un défaut de neutralité spectrale de l'atténuateur. Dans le canal à 1545 nm, la prise en compte de l'absorption du CO2 a été effectuée avec le modèle MODTRAN 5. Les incertitudes ont été évaluées par une méthode de Monte Carlo. Nous avons alors validé nos produits à l'aide des produits SAGE III officiels (NASA), ceux d'un troisième algorithme d´eveloppé par une équipe de Saint Petersbourg et à l'aide de mesures coïncidentes des instruments SAGE II et POAM III. Ces comparaisons montrent que les produits LOA sont de bonne qualité. Cependant, une étude effectuée à l'aide des mesures in situ de l'instrument sous ballon SPIRALE aux abords du vortex polaire a montré un bon accord pour O3 et un désaccord pour NO2. Ce désaccord montre que la méthode d'occultation solaire pour la mesure d'espèces réactives (tel NO2) dans des conditions dynamiques complexes n'est pas bien adaptée. De plus, les variations diurnes de NO2 rendent les comparaisons directes entre mesures à distance et in situ difficiles.<br />Une étude spécifique sur les aérosols des feux de forêt de l'ouest du Canada (août 2003) a été menée avec les produits SAGE III officiels. Des intrusions d'aérosols issus des feux de forêt dans la basse stratosphère par pyroconvection sont suspectées d'être à l'origine des pics d'extinction observés par SAGE III. Nous avons déduit des mesures SAGE III les propriétés microphysiques de ces aérosols et montré que ces coefficients d'extinction anormalement élevés étaient dus à une augmentation du nombre de particules dans la basse stratosphère. Cependant, la nature chimique de ces aérosols n'a pu être déterminée car les mesures d'extinction ne sont pas assez sensibles à l'indice de réfraction.<br />Depuis la fin des missions SAGE II, SAGE III et POAM III, les instruments satellitaires de la mission ACE-SCISAT sont les seuls instruments d'occultation solaire (hormis SOFIE) fournissant des informations sur la stratosphère. Nous nous sommes ainsi intéressés à la validation de leurs mesures à l'aide des données de SAGE II, SAGE III et SPIRALE. Ce travail s'inscrit dans le cadre de la campagne de validation internationale. Nous avons montré que les coefficients d'extinction des aérosols déduits des mesures de IMAGER sont en désaccord avec ceux de SAGE II et SAGE III et que les rapports de mélange en ozone et en dioxyde d'azote de FTS et de MAESTRO sont en bon accord avec les produits SAGE III. Cependant, nous obtenons également un désaccord concernant NO2 en comparaison avec SPIRALE bien que les autres espèces (CH4, N2O, HNO3, O3, HCl) déduites de FTS ainsi que l'ozone MAESTRO sont en bon accord avec les données SPIRALE.

Une source majeure d'incertitude dans l'estimation de l'impact climatique des aérosols est directement liée à notre connaissance des émissions gazeuses et particulaires. Ceci est particulièrement vrai en Asie, où une forte empreinte régionale est observée, avec différents types d'émissions, dépendant de la grande hétérogénéité de végétations et climats (émissions de feux de biomasse) et de l'évolution rapide de la population, de l'urbanisation et de l'industrialisation (émissions de fuels fossiles et de biofuels). <br />Mon travail de thèse a eu pour but, tout d'abord, de développer un inventaire d'émissions de gaz et particules issues des feux de biomasse pour les campagnes ACE-Asia (Aerosol Characterization Experiment) et TRACE-P (Transport and Chemical Evolution over the Pacific), de mars à mai 2001. Pour ce faire, j'ai mis en œuvre une méthodologie la plus adaptée à mon étude, qui repose sur la cartographie des surfaces brûlées (projet GBA2000 (Global Burnt Area 2000) [Tansey et al., 2003]). <br />Les résultats de cette étude, ABBI (Asian Biomass Burning Inventory) [Michel et al., 2005] ont été comparés avec un autre inventaire d'émissions de feux de végétation (ACESS : ACE-Asia and TRACE-P Modelling and Emission Support System) [Streets et al., 2003], construit, non pas à partir des surfaces brûlées, mais à partir des pixels de feux actifs. Cette comparaison illustre les limitations de l'utilisation des pixels de feux dans l'établissement des cartes d'inventaires d'émissions par les feux de biomasse, tout en soulignant l'importance et la pertinence de la méthode retenue dans mon étude. Une comparaison avec les données de l'année 2000, obtenues selon la même procédure, souligne toute l'importance des variations interannuelles. <br />L'inventaire ABBI a été introduit dans le modèle méso-échelle MésoNH-C couplé au module aérosol ORISAM (ORganic and Inorganic Spectral Aerosol Module) [Bessagnet, 2000]. Une attention particulière a porté sur l'étude du transport des émissions de feux de végétation à travers le continent asiatique. Des comparaisons entre les données simulées et les mesures in-situ et aéroportées ont montré des résultats satisfaisants dans certains cas, mais ont également fait encore apparaître certaines limitations. Des tests de sensibilités ont été effectués pour comprendre l'origine de ces différences, avec tout d'abord une deuxième simulation avec MésoNH-C-ORISAM effectuée avec l'inventaire ACESS pour étudier l'impact des émissions de feux. Le module ORISAM dans sa version 0D a été ensuite utilisé pour mettre en évidence de manière détaillée les paramètres contrôlant la formation de l'aérosol secondaire au sein du modèle. <br />Au total, tout en faisant ressortir l'importance majeure des inventaires d'émissions gazeuses et particulaires à l'échelle continentale, ce travail va au delà de ce thème, en montrant notamment l'apport du modèle d'aérosol ORISAM à l'analyse et la compréhension des processus de chimie hétérogène dans les épisodes de pollution affectant l'Asie.

Dans le contexte de la radio-protection de l'homme et de l'environnement, la bonne estimation du devenir d'une contamination d'aérosols au sein d'un couvert végétal et de son transfert éventuel aux espèces animales (dont l'homme par voie trophique) dépend d'emblée de la qualité de la prévision des dépôts aériens. En l'absence de précipitations, l'évaluation de l'importance des dépôts, dits secs, est incertaine, notamment ceux des particules fines sur les couverts rugueux, pour lesquels des écarts subsistent entre les résultats expérimentaux et des modèles de la littérature.<br />L'objectif de cette étude est d'améliorer la modélisation du dépôt sec d'aérosols sur les couverts végétaux. Cette amélioration passe par une description plus fine de la captation des aérosols par la végétation. Cela requiert une caractérisation des surfaces sur lesquelles le dépôt est réalisé (en termes de forme, d'orientation et de répartition spatiale) ainsi que des grandeurs aérodynamiques de l'écoulement porteur. Les mécanismes de dépôt pris en compte sont la diffusion brownienne, l'impaction inertielle, l'impaction turbulente, la sédimentation et l'interception. L'approche proposée s'appuie sur la description mécanique des dépôts sur chaque élément foliaire, la captation à une échelle supérieure d'organisation (rameau ou couvert) étant déduite par l'introduction d'une méthode statistique. Cette démarche est appliquée aux processus de dépôt et des expressions pratiques des taux de captation sont déduites. Le modèle est appliqué à des campagnes de mesures de la littérature, d'abord à l'échelle de rameau, puis à celle d'un couvert végétal. Dans la configuration d'un rameau de conifère, il est montré que l'ensemble des processus de dépôt est correctement pris en compte par le modèle, à l'exception de l'interception dans les conditions particulières de vitesse amont faible et de granulométrie entre 0,5 et 2 microns environ. Dans la configuration plus générale d'un couvert entier, le modèle n'est pas mis en défaut par les mesures lorsque les informations concernant le couvert et la granulométrie de l'aérosol sont accessibles. En particulier, le modèle reproduit de façon très satisfaisante les mesures de dépôt sur couvert artificiel, faiblement rugueux et collant, et ce pour des tailles de particules très variées (entre 0,1 et 20 microns environ). L'accord sur couvert d'herbes naturelles, dont les caractéristiques sont peu décrites, reste acceptable, même s'il semble que la non prise en compte du rebond par le modèle induise pour les particules les plus massives une sur-estimation du dépôt calculé. En forêt, le modèle reproduit de façon qualitativement correcte le dépôt de gouttelettes de brouillard. Dans le cas du dépôt d'un aérosol d'accumulation, la comparaison des résultats expérimentaux et de modélisation ne permet pas de conclure quant à la pertinence du modèle, la granulométrie de l'aérosol n'étant pas connue de façon assez précise. D'autres essais sont souhaitables afin d'étendre la validation du modèle sur forêt.

Le travail de thèse s'est organisé autour de l'application de l'algorithme de télédétection des aérosols au-dessus des terres émergées développé pour le capteur ENVISAT/MERIS sur une base de données du capteur SeaSTAR/SeaWiFS. La télédétection des aérosols au-dessus des terres émergées est basée sur la détection des cibles de végétation sombre dans le bleu et le rouge (DDV) à l'aide d'un seuil sur l'ARVI. Le point critique de l'algorithme est la faible couverture du produit aérosol (inférieure à 2% des terres émergées). Pour remédier à cette faible couverture, le concept de DDV a été étendu à des surfaces plus brillantes appelées LARS. La réflectance des LARS est modélisée grâce à la linéarité de la réflectance de surface en fonction de l'ARVI. Une étude statistique sur les données SeaWiFS basée sur l'homogénéité spatiale des aérosols sur ces petites sous scènes a permis de confirmer le nouveau modèle établi par HYGEOS sur les données MERIS. La comparaison des produits aérosols SeaWiFS avec les données photométriques du réseau AERONET montre une bonne inversion des épaisseurs optiques des aérosols dans le bleu et une surestimation des épaisseurs optiques des aérosols dans le rouge. Nous avons maintenant un produit aérosol opérationnel sur les données SeaWiFS. Dans le cadre de deux projets européens, nous avons été amenés à appliquer l'algorithme de télédétection des aérosols au-dessus des terres émergées. Le projet EXPER/PF porte sur la qualité de l'air et la possibilité de conversion des épaisseurs optiques des aérosols en mesure de « Particulate Matter » à l'aide d'une large base de données sur les particules et des données auxiliaires. Le projet SISCAL concerne la « couleur de l'eau » et l'application de la télédétection des aérosols au-dessus des terres émergées dans une approche innovante des corrections atmosphériques au-dessus des eaux intérieures.

Les aérosols atmosphériques jouent un rôle important dans le système climatique de la terre. Ils sont aussi à l'origine de certains problèmes de pollution atmosphérique en zone urbaine. Toutefois, leur influence sur le changement climatique global, de même que leur propriétés chimiques en zone urbaine, sont encore très mal connues. L'une des principales raisons à cela est que l'un des constituants majeurs de cet aérosol, la matière carbonée, est à ce jour très peu renseignée. Ce travail s'inscrit donc dans la problématique d'une meilleure connaissance de la matière carbonée particulaire. Cette étude présente des résultats de mesures de matière carbonée (OC et EC) contenue dans l'aérosol (PM10), et réalisées dans le cadre du programme POVA, entre février 2001 et juin 2003 à Chamonix et St Jean de Maurienne (Alpes françaises). Cette série constitue l'une des premières de ce type pour des sites de fond de vallées alpines, caractérisés par des émissions localisées en fond de vallées et de fortes inversions de température en hiver, limitant la dispersion des polluants. Le programme POVA, axé sur l'étude de la pollution atmosphérique dans ces vallées, a été proposé suite à la fermeture du tunnel du Mont-Blanc, en 1999. L'un des principaux objectifs était d'établir les sources de pollution par les particules, en particulier la part due au trafic poids lourds international. Nous avons pu établir que, sur les deux sites et alors que le trafic poids lourds international n'était pas rétabli en vallée de Chamonix, cette source représentait environ un tiers de la masse des particules observées, et était à l'origine d'une plus faible fraction de la masse de matière carbonée. Le caractère extrêmement primaire de la matière carbonée est une spécificité remarquable de notre site. La source de matière carbonée constituée par les véhicules légers n'a pas pu être étudiée. Il apparaît par contre que les combustions de biomasse (probablement les feux de cheminées) jouent un rôle important, et accru en cas de faibles températures, sur les niveaux de pollution par les particules. Enfin, l'impact potentiel de la condensation de matière semi-volatile aux faibles températures reste une hypothèse à tester. Sur le plan plus général de l'étude de la matière organique, il apparaît plusieurs résultats : 1. Le facteur de conversion de masse de carbone organique à masse de matière organique est sans doute très variable pour un site donné (en particulier, sa variabilité est probablement largement supérieure à 0,2). 2. Les hypothèses généralement admises pour le calcul de la fraction secondaire de OC se sont révélées fausses dans le cas de notre étude, et la méthode semble dans le cas générale très incertaine. 3. La fraction soluble de OC (WSOC) est très importante sur nos sites, et la source primaire de combustion de biomasse est une source primaire importante. Ce résultat est en désaccord avec l'hypothèse générale que WSOC est secondaire.