Les sulfates issus de la pollution industrielle d'Eurasie et transportés à travers la basse troposphère arctique durant l'hiver sont soupçonnés d'altérer les propriétés des nuages au point d'affecter significativement le climat de cette région. Un de leurs effets potentiellement importants est l'inhibition du gel des gouttelettes en cristaux de glace (effet IGIS), qui favoriserait les nuages formés de cristaux à grande taille et déclencherait un mécanisme associé à une anomalie de refroidissement à la surface. Grâce à de récentes données satellitaires, issues des missions CloudSat et CALIPSO, les implications escomptées de l'effet IGIS peuvent être testées à l'échelle de l'Arctique. La superposition des observations quasi-simultanées du radar de CloudSat et du lidar de CALIPSO a permis de développer une nouvelle classification des nuages arctiques centrée sur le rayon effectif des cristaux de glace. Un proxy de la concentration en sulfates dans les parcelles d'air non-nuageuses a aussi été élaboré à partir des mesures du lidar, et validé à partir de mesures in situ. Différents tests de corrélation entre d'une part les propriétés des nuages glacés censés êtres les plus affectés par l'effet IGIS (nommés TIC-2B) et d'autre part le proxy de la concentration en sulfates ont été conduits afin d'approfondir notre compréhension de cet effet. Des limites méthodologiques, entre autres l'impossibilité d'estimer les concentrations en sulfates à l'intérieur des nuages, ont empêché l'atteinte de conclusions définitives. Cependant, les distributions géographiques des TIC-2B el du proxy sont cohérentes avec un effet IGIS ayant lieu durant le transport de la pollution eurasienne vers les mers de Chukchi et de Beaufort. Enfin, les propriétés macrophysiques des nuages stratiformes en phase mixte, potentiellement affectés eux aussi par l'effet IGIS, ont été caractérisées. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : climat arctique, sulfates, nuages, effet indirect des aérosols, données satellitaires.

L'aérosol anthropique peut affecter le cycle de vie des nuages de couche limite, en modifiant l'albédo du nuage et en inhibant la formation des précipitations. Cependant, il est difficile de quantifier ces impacts à partir d'observations. Les interactions aérosol-nuages de couche limite sont donc étudiées à l'aide des modèles numériques à résolution fine (LES), qui disposent de paramétrisations détaillées de la turbulence, du transfert radiatif et de la microphysique nuageuse. Dans cette étude, nous examinons plus spécifiquement les impacts de l'aérosol sur le cycle diurne de stratocumulus marins. Des simulations LES d'un cycle de 36 heures sont réalisées pour des concentrations d'aérosol typiques de masses d'air pures et polluées. Partant d'un même état initial, les simulations divergent rapidement. L'augmentation de la concentration des noyaux de condensation nuageux conduit à une augmentation de la concentration des gouttelettes, à une diminution de leur diamètre, et ainsi à l'inhibition de leur sédimentation et de la précipitation de bruine. Le contenu en eau liquide au sommet nuage augmente et l'entraînement sommital est renforcé. De plus, l'absorption du rayonnement solaire à la base du nuage n'est plus compensée par l'évaporation de la bruine et le découplage de la couche nuageuse est renforcé. Dans l'ensemble, la couche limite polluée est mieux couplée la nuit et plus découplée le jour que la couche limite marine pure. Ces simulations permettent d'identifier des signatures mesurables de l'impact des aérosols sur la dynamique de la couche limite, et ainsi de mieux concevoir les expériences de terrain qui visent à quantifier ces impacts.

Il existe actuellement deux structures nanotubulaires largement étudiées : les nanotubes de carbone (CNTs) possédant un gap de l'ordre de 1 eV et ceux de nitrure de bore (BN-NTs) dont le gap est compris entre 5 et 6 eV. Parvenir à doper ces nanotubes par substitution d'éléments chimiques pouvant introduire des états donneurs ou accepteurs est supposé être une approche prometteuse pour moduler les propriétés électroniques et optiques de ces nanostructures. Les objectifs de cette thèse ont été doubles. D'une part, il s'est agi de développer des procédés de synthèse modulables pour pouvoir produire différents types de tubes hétéroatomiques. La technique CVD assistée par aérosol et la technique de vaporisation laser ont été utilisées à cette fin. D'autre part, une analyse fine à l'échelle macroscopique et sub-nanométrique des échantillons a été réalisée principalement par microscopie électronique en transmission (HRTEM) et spectroscopie de pertes d'énergies des électrons résolue spatialement (SR-EELS).<br />Il a ainsi été mis en évidence dans ce manuscrit la possibilité de réaliser des nanotubes de type CNx et CBxNy mono- et multi-feuillets. Par ailleurs, une forte tendance à la ségrégation en domaines de type C et BN a été observée avec un localisation préférentielle et une taille des domaine spécifique, fonction de la technique de synthèse utilisée.

Le relief Alpin modifie de manière importante la circulation de l'atmosphère. Grâce à l'étude de différentes configurations, en période hivernale et estivale, et différentes régions des Alpes, ce travail expose comment se réalisent le mélange et le transport des polluants gazeux et particulaires depuis leurs sources d'émissions jusque dans la troposphère libre. Grâce à des résultats d'observation réalisés dans le Y grenoblois ces dernières années et des simulations numériques provenant d'une chaîne de modèles eulériens, ce travail explicite les mécanismes mis en jeu dans un cas de pollution photochimique estivale et un cas de pollution hivernale par les particules fines et par le benzène. Après la validation des modèles en utilisant des données expérimentales des campagnes POVA, GRENOPHOT 99 et ESCOMPTE, la chaîne de modèles est utilisée pour simuler deux périodes très polluées dans la région de Grenoble : la canicule d'août 2003 et un long épisode d'inversion thermique en février 2005. Après coup, les incertitudes sur les résultats du modèle sont calculées. En appliquant la chaîne de modèles sur un événement très particulier faisant intervenir de l'ozone provenant de la stratosphère on montre comment les différentes échelles de temps et d'espace de l'atmosphère sont intimement couplées dans le relief complexe des Alpes.

Dans le cadre de la campagne POLARCAT-France, ayant eu lieu au nord de la Suède en avril 2008, plusieurs observations de panaches d'aérosols furent analysées. L'étude des panaches d'aérosols repose sur les mesures d'un lidar à rétrodiffusion émettant à 355, 532 et 1064 nm et équipé d'un canal pour mesurer la dépolarisation à 355 nm. Trois paramètres optiques (les rapports de diffusion, le pseudo rapport de couleur (CR*), et de dépolarisation) fournissent des informations sur l'épaisseur optique, le rapport entre fraction fine et fraction grossière, et la présence d'aérosols minéraux. Une climatologie sur les propriétés optiques de l'aérosol a été réalisée pour établir les gradients méridiens, l'évolution temporelle pendant la campagne et leur dépendance avec l'origine des masses d'air. Le lidar spatial CALIOP calcule les mêmes paramètres optiques que le lidar aéroporté. L'intercomparaison entre les deux instruments a montré une différence importante sur les valeurs absolues de CR*, qui est dû à des différences de méthode d'étalonnage entre les deux instruments. Néanmoins, les variations relatives des paramètres optiques restent cohérentes. Pour identifier les sources d'aérosols, une étude lagrangienne a été menée avec des simulations du modèle de transport, FLEXPART, combiné aux mesures CALIOP. Cette analyse montre que l'aérosol résulte d'un mélange de trois sources : pollution transportés du nord-est de l'Asie et d'Europe, des feux de forêt et agricoles de Sibérie et des poussières désertiques d'Asie Centrale. Enfin, une étude sur les propriétés optiques de l'aérosol a été effectuée sur les incendies de l'été 2010 en Russie et a permis une comparaison de l'impact de cet épisode d'été avec les observations de 2008.

En atmosphère naturelle, l'eau est l'un des facteurs contribuant fortement à la masse des particules d'aérosol. Ceci va fortement modifier les propriétés optiques et radiatives des aérosols. Cet impact a été calculé à partir de plus de 2 ans de mesures sur le site ACTRIS/GAW du Puy de Dôme (PdD, 1565m). La distribution en taille, l'extinction et l'hygroscopicité mesurées au PdD ont été combinées pour calculer les propriétés optiques et radiatives, sèches ou humides. Pour chaque propriété, le facteur d'accroissement hygroscopique (f) a été estimé à l'aide d'un code de Mie. La longue série temporelle a permis de paramétrer l'évolution en fonction de l'humidité des propriétés optiques de différents types d'aérosols. Pour un aérosol d'origine océanique qui s'est mélangé avec des aérosols anthropiques, le coefficient de diffusion augmente plus de 4.4 fois si il est placé à 90% d'humidité. Le forçage radiatif va évoluer en conséquence et sera 2.8 fois plus élevé à 90% d'humidité que pour une atmosphère sèche (1.8 à humidité ambiante). Cette longue série de mesures a également permis de montrer, pour la première fois à notre connaissance, la forte variation saisonnière de ce paramètre. Ce manuscrit présente également une méthode originale pour calculer la masse d'aérosols volcaniques à partir de mesures LIDAR et in situ. Lors de l'éruption du volcan Islandais Eyjafjalla en Mai 2010, la masse d'aérosols volcaniques au dessus de Clermont a été estimée de 655±23μg.m-3.

L'objectif de ce travail était de contribuer à une meilleure compréhension du devenir atmosphérique des Composés Organiques Volatils d'origine Biogénique (COVB), émis par la végétation. La dégradation d'une série de COVB (myrcène, ocimène, a-farnesène, linalool, 6-méthyl-5-heptène-2-ol et 3-méthyl-1-pentène-3-ol), par les oxydants atmosphériques (OH, O3 et NO2), a été étudiée en utilisant différentes installations expérimentales (chambres de simulation atmosphérique et réacteur à écoulement à aérosol). Les paramètres cinétiques et mécanistiques qui ont été obtenus pour l'ensemble des réactions étudiées ont permis d'estimer les durées de vie atmosphérique des COVB (de quelques minutes à quelques heures). Des produits d'oxydation ont été identifiés et quantifiés, mais le bilan total en carbone en fin de réaction reste incomplet indiquant que d'autres produits sont formés mais non-identifiés. Les rendements de formation des aérosols organiques secondaires (AOS) ont été également mesurés pour les réactions avec OH et O3. L'analyse chimique des AOS (issus de la réaction avec O3) a mis en évidence la présence d'acides dicarboxyliques et de composés oligomères, démontrant l'implication des intermédiaires de Criegee dans la formation des AOS. Le réacteur à écoulement à aérosols, développé dans le cadre de ce travail, a permis de préciser les seuils de nucléation des AOS formés à partir de l'ozonolyse de certains monoterpènes. Enfin, la réactivité des COVB (principalement les diènes conjugués) avec NO2, a été trouvée assez lente et ne représente qu'un puits mineur de ces composés dans l'atmosphère. Toutefois, la mise en évidence de la formation de HONO comme produit de réaction pourrait rendre l'implication atmosphérique de ce processus non négligeable. Les résultats obtenus ont permis de discuter de l'impact de la dégradation de ces COVB dans l'atmosphère.

Les aérosols atmosphériques jouent un rôle important à la surface de la Terre. Ils influencent les propriétés radiatives de l'atmosphère et représentent des composés importants pour les questions de qualité de l'air et de santé publique dans les régions polluées. Suite à la forte diminution de la pollution soufrée survenue au cours des trois dernières décennies, l'aérosol organique représente maintenant une part importante de l'aérosol atmosphérique. Cette fraction a une nature complexe et jusqu'à présent, moins de la moitié de ses constituants chimiques ont été identifiés. La fraction soluble des HUmic LIke Substances (HULISWS) représente une des familles importantes de l'aérosol organique soluble avec une contribution en masse comprise entre 20 et 50%. L'objectif de cette thèse est de développer une méthode de mesure des HULISWS dans la glace. L'étude de ces archives environnementales, ici une carotte de glace extraite au col du Dôme (4250 m, massif du Mont-Blanc, France), permet de remonter aux concentrations en HULISWS en Europe au cours de la période 1920-1988. L'étude des concentrations et de l'absorbance spécifique des HULISWS dans la carotte de glace a permis d'identifier deux sources distinctes suivant la saison et de suivre leur évolution au cours du XXème siècle. Les HULISWS sont issus de la combustion du bois en hiver, leur absorbance est forte et leurs concentrations sont faibles et stables tout au long du XXème siècle. En été, les HULISWS sont formés par des processus secondaires ayant pour précurseurs des espèces biogéniques organiques, leur absorbance spécifique est plus faible qu'en hiver et leurs concentrations plus fortes. Les teneurs estivales en HULISWS montrent une stabilité entre 1920 et 1950 puis une tendance à l'augmentation entre 1951 et 1970 associée vraisemblablement à une augmentation des émissions de composés organiques volatils depuis la biosphère.

Ces travaux de thèse, réalisés à l’Institut Lumière Matière, traitent de la rétrodiffusion optique des particules de l’atmosphère d’origine désertique, dont l’impact sur le bilan radiatif terrestre reste à quantifier, en raison de leur grande diversité de taille, de forme et de composition chimique. La thèse repose essentiellement sur un polarimètre de laboratoire (UV, VIS) adressant la géométrie de rétrodiffusion avec précision (180.0 +/- 0.2°). Le rapport des éléments de la matrice de rétrodiffusion a ainsi été évalué avec précision (< 1 %) et la réponse spectrale (UV, VIS) de ce rapport a ainsi pu être étudiée, ce qui a permis de discuter de l’applicabilité du modèle mathématique des sphéroïdes, décrit par le code T-matrix, pour décrire la rétrodiffusion optique de ces particules dans la géométrie d’exacte rétrodiffusion, comme publié dans JQSRT en 2016. Puis, l’utilisation de ce Pi-Polarimètre dans la troposphère libre de Lyon par lidar a permis d’évaluer la concentration en masse des particules désertiques. Cette évaluation a été réalisée pour différents modèles de forme (sphéroïdes, particules de surface lisse, rugueuse) obtenus par simulation numérique en coopération avec l’équipe de T. Nousiainen (Finlande). Un résultat majeur est que la concentration en masse peut différer de 30 % selon le modèle de forme choisi, comme publié dans Atmospheric Research en 2018. Enfin, la sensibilité et la précision du Pi-Polarimètre (UV, VIS) ont été utilisées pour révéler les principales caractéristiques du processus photo-catalytique de nucléation en présence de particules désertiques via des observations systématiques de ce processus, réalisées sur une durée de deux années / These thesis studies, carried out at the Institute of Light and Matter (ILM), deal with the optical backscattering of atmospheric particles of desert origin, whose impact on the terrestrial radiative budget remains to be quantified, due to their great diversity of size, shape and chemical composition. The thesis is essentially based on a laboratory polarimeter (UV, VIS) addressing the backscattering geometry with accuracy (180.0 +/- 0.2 °). The report of the backscattering matrix elements was thus accurately evaluated (<1%) and the spectral response (UV, VIS) of this report was thus studied, which made it possible to discuss the applicability of the spheroidal mathematical model, described by the T-matrix numerical code, to describe the optical backscattering of these particles in the exact backscattering geometry, as published in JQSRT in 2016. Then, the use of this Pi-Polarimeter in the troposphere free of Lyon by lidar made it possible to evaluate the mass concentration of desert dust particles. This evaluation was carried out for different shape models (spheroids, smooth particles, rough particles) obtained by numerical simulation in cooperation with T. Nousiainen’s group (Finland). A major result is that the mass concentration may differ by 30 % depending on the chosen dust shape model, as published in Atmospheric Research in 2018. Finally, the sensitivity and accuracy of the Pi-Polarimeter (UV, VIS) have been used to reveal the main characteristics of the photo-catalytic process of nucleation in the presence of desert dust particles via systematic observations of this process, carried out over a two years period

Dans le cadre du développement des réacteurs nucléaires à neutrons rapides refroidis au sodium, des études sont menées sur les conséquences d’un feu de sodium, et sur l'impact toxicologique de rejets éventuels d’aérosols vers l’atmosphère. La carbonatation des aérosols issus d’un feu de sodium entraîne une diminution de leur toxicité, à partir de leur rejet sous forme d'hydroxyde de sodium (NaOH). L’objectif est de développer et de valider expérimentalement un modèle cinétique de carbonatation des aérosols de NaOH. L’adaptation d’un modèle cinétique basé sur l'absorption réactive du CO2 atmosphérique et par la théorie du double film permet de décrire la carbonatation des aérosols de NaOH, initialement sous forme de gouttelettes de soude. Ce modèle définit les caractéristiques initiales des aérosols de soude en équilibre avec l'atmosphère. Il a été appliqué en considérant l'absorption du CO2 à la surface externe des particules. L’ensemble des variables du modèle ont été décrites et leurs équations explicitées. La validation du modèle cinétique a motivé la mise en place d’un dispositif expérimental dédié au suivi du comportement chimique d’aérosols issus d’un feu de sodium, dans des conditions contrôlées d’atmosphère réactive et de prélèvement d’aérosols. L’exploitation des nouvelles données expérimentales montre la compétition entre l’influence de la température, de la pression partielle en eau et en CO2. La confrontation des résultats expérimentaux avec le modèle développé a permis de le valider pour des humidités relatives supérieures à 30%. Enfin, le modèle cinétique a été explicité sous la forme d’une expression analytique pour une utilisation associée aux calculs de dispersion atmosphérique. / As part of the development of 4th generation Sodium cooled Fast Reactors, studies are conducted on the consequences of a sodium fire, including the toxicological impact of possible releases of aerosols into the atmosphere. The carbonation of aerosols from a sodium fire results in a decreased toxicity, from their release point in sodium hydroxide (NaOH). The objective is to develop and experimentally validate a kinetics model of NaOH aerosols carbonation. The kinetic model based on the reactive absorption of atmospheric CO2 and using the double film theory enables to describe the carbonation of NaOH aerosols, initially formed as soda droplets. This model defines the initial aerosol characteristics of soda in equilibrium with the atmosphere. It is applied by considering the absorption of CO2 at the particle’s external surface. All the model variables are described and their equations explained. The validation of this kinetic model has motivated the development of an experimental device dedicated to the monitoring of physicochemical behavior of aerosols from a sodium fire with a better control of conditions of reactive atmosphere and of aerosols sampling. The new experimental data show the competition between the influence of temperature, partial pressure of water and of CO2. The comparison between the experimental results validates the kinetic model based on reactive absorption for relative humidity over 30%. Finally, the kinetic model was adapted into the form of an analytic expression for its use in association with the atmospheric dispersion calculation.