Student Number :8701745W - MSc research report - Faculty of Science / An air chemistry study over the United Arab Emirates revealed a high concentration of sulphur dioxide. SO2 and its resultant aerosols can have a significant effect on the atmospheric processes. These aerosols could both directly and indirectly affect the climate by scattering solar radiation and increasing the albedo of the atmosphere or by altering the cloud formation processes and characteristics. Sulphur dioxide and the resultant aerosols also have a damaging effect on the environment and on human health. Previous studies reviewed suggest that pollution can be transported for hundreds of kilometres from the source of the emission and affect the air chemistry of the receptor regions. The possibility that long-range transport of pollution to the UAE may have contributed to these high concentrations was also investigated. The possibility that the UAE is a receptor region of pollution transported over long distances is investigated with the intention of identifying the possible source regions of this pollution. In order to examine the import of pollution to the UAE it was important to analyse the background sulphur concentrations of the atmosphere over the UAE.

Les aérosols organiques (AO), issus de nombreuses sources et de différents processus atmosphériques, ont un impact significatif sur la qualité de l’air et le changement climatique. L’objectif de ce travail de thèse était d’acquérir une meilleure connaissance de l’origine des AO par l’utilisation de marqueurs organiques moléculaires au sein de modèles source-récepteur de type positive matrix factorization (PMF). Ce travail expérimental était basé sur deux campagnes de prélèvements réalisées à Grenoble (site urbain) au cours de l’année 2013 et dans la région parisienne (site péri-urbain du SIRTA, 25 km au sud-ouest de Paris) lors d’un intense épisode de pollution aux particules (PM) en Mars 2015. Une caractérisation chimique étendue (de 139 à 216 espèces quantifiées) a été réalisée et l’utilisation de marqueurs moléculaires primaires et secondaires clés dans la PMF a permis de déconvoluer de 9 à 11 sources différentes de PM10 (Grenoble et SIRTA, de façon respective) incluant aussi bien des sources classiques (combustion de biomasse, trafic, poussières, sels de mer, nitrate et espèces inorganiques secondaires) que des sources non communément résolues telles que AO biogéniques primaires (spores fongiques et débris de plantes), AO secondaires (AOS) biogéniques (marin, oxydation de l’isoprène) et AOS anthropiques (oxydation des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et/ou des composés phénoliques). En outre, le jeu de données obtenu pour la région parisienne à partir de prélèvements sur des pas de temps courts (4h) a permis d’obtenir une meilleure compréhension des profils diurnes et des processus chimiques impliquées. Ces résultats ont été comparés à ceux issus d’autres techniques de mesures (en temps réel, ACSM (aerosol chemical speciation monitor) et analyse AMS (aerosol mass spectrometer) en différée) et/ou d’autres méthodes de traitement de données (méthodes traceur EC (elemental carbon) et traceur AOS). Un bon accord a été obtenu entre toutes les méthodes en termes de séparation des fractions primaires et secondaires. Cependant, et quelle que soit l’approche utilisée, la moitié de la masse d’AOS n’était toujours pas complètement décrite. Ainsi, une nouvelle approche d’étude des sources de l’AO a été développée en combinant les mesures en temps réel (ACSM) et celles sur filtres (marqueurs moléculaires organiques) et en utilisant un script de synchronisation des données. L’analyse PMF combinée a été réalisée sur la matrice de données unifiée. 10 facteurs AO, incluant 4 profils chimiques différents en lien avec la combustion de biomasse, ont été mis en évidence. Par rapport aux approches conventionnelles, cette nouvelle méthodologie a permis d’obtenir une meilleure compréhension des processus atmosphériques liés aux différentes sources d’AO. / Organic aerosols (OAs), originating from a wide variety of sources and atmospheric processes, have strong impacts on air quality and climate change. The present PhD thesis aimed to get a better understanding of OA origins using specific organic molecular markers together with their input into source-receptor model such as positive matrix factorization (PMF). This experimental work was based on two field campaigns, conducted in Grenoble (urban site) over the 2013 year and in the Paris region (suburban site of SIRTA, 25 km southwest of Paris) during an intense PM pollution event in March 2015. Following an extended chemical characterization (from 139 to 216 species quantified), the use of key primary and secondary organic molecular markers within the standard filter-based PMF model allowed to deconvolve 9 and 11 PM10 sources (Grenoble and SIRTA, respectively). These included common ones (biomass burning, traffic, dust, sea salt, secondary inorganics and nitrate), as well as uncommon resolved sources such as primary biogenic OA (fungal spores and plant debris), biogenic secondary AO (SOA) (marine, isoprene oxidation) and anthropogenic SOA (polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and/or phenolic compounds oxidation). In addition, high time-resolution filter dataset (4h-timebase) available for the Paris region also illustrated a better understanding of the diurnal profiles and the involved chemical processes. These results could be compared to outputs from other measurement techniques (online ACSM (aerosol chemical speciation monitor), offline AMS (aerosol mass spectrometer) analyses), and/or to other data treatment methodologies (EC (elemental carbon) tracer method and SOA tracer method). A good agreement was obtained between all the methods in terms of separation between primary and secondary OA fractions. Nevertheless, and whatever the method used, still about half of the SOA mass was not fully described. Therefore, a novel OA source apportionment approach has finally been developed by combining online (ACSM) and offline (organic molecular markers) measurements and using a time synchronization script. This combined PMF analysis was performed on the unified matrix. It revealed 10 OA factors, including 4 different biomass burning-related chemical profiles. Compared to conventional approaches, this new methodology provided a more comprehensive description of the atmospheric processes related to the different OA sources.

La composition isotopique de l’eau (dO18 et dD) est couramment utilisée pour étudier le cycle de l’eau actuel et passé ainsi que ses variations. Alors que dans les zones polaires, cet outil géochimique représente les fondements de la reconstitution des climats polaires passés, de multiples questions demeurent quant aux facteurs pilotant la composition isotopique de l’eau dans les tropiques.Afin de répondre à ces questions, le présent travail de thèse a porté sur la réalisation de mesures en continu de la composition isotopique de la vapeur d’eau sur l’île de La Réunion (océan Indien), ainsi que sur l’évaluation du potentiel de ces mesures pour la compréhension des processus atmosphériques humides prévalant sur cette zone géographique. L’implantation d’un spectromètre laser à l’Observatoire Atmosphérique du Maïdo nous a permis d’obtenir une chronique de trois ans de mesures.Dans un premier temps, les différentes variabilités temporelles que présentent nos mesures ont été étudiées. Les enregistrements ne montrent aucune cyclicité saisonnière sur la composition isotopique de la vapeur d’eau. Elles indiquent en revanche une forte cyclicité diurne, ainsi qu’une variabilité synoptique associée à des évènements cycloniques.Dans un second temps, nous montrons que cette cyclicité diurne résulte de phénomènes de mouvement de couche limite atmosphérique, avec une vapeur marine qui atteint l’Observatoire durant la journée, alors que des masses d’air en provenance de la troposphère libre y parviennent durant la nuit. La présence de certaines nuits significativement plus appauvries en dO18 et dD reflète (1) une modification de la circulation atmosphérique régionale avec un renforcement des subsidences au niveau de La Réunion, lié à la position du Jet Subtropical durant l’hiver austral, et (2) tantôt une intensification de la subsidence au niveau de La Réunion, tantôt des processus de condensation locaux ou régionaux durant l’été austral.Enfin, l’étude des phénomènes cycloniques indique qu’au cours de ces périodes, un fort appauvrissement de la composition isotopique de la vapeur est observé. Celui-ci survient 2 à 3 jours avant et perdure jusqu’à 3 jours après le passage du système. Durant cette période, l’évolution de la composition isotopique de la vapeur d’eau présente une sous-structure. On note (1) un appauvrissement isotopique qui est fonction de la distance au centre du système, (2) un enrichissement isotopique au niveau du mur du système, et (3) des évolutions abruptes de la composition isotopique de la vapeur d’eau dans les bandes précipitantes dues à des processus de mélange, de condensation et/ou de recharge. / The isotopic composition of water vapor (dO18 and dD) is commonly used to study present and past water cycle and its varations. If this geochemical tool has been widely used to study past polar climates, many questions remain about the factors governing the isotopic composition of water in the tropics.The goal of this thesis is (1) to monitor the isotopic composition of water vapor in Reunion island (Indian Ocean), and (2) to evaluate the potential of theses measurements for understanding humid climate processes. We have set up a laser spectrometer at the Maïdo Atmospheric Observatory, allowing us to obtain a three-year chronicle of measurements.First, we analyze the temporal variability in our measurements. The isotopic composition of water vapor does not record any seasonal cyclicity. On the other hand, a strong diurnal cycle is visible, as well as a synoptic variability associated with cyclonic events.We then focus on the diurnal cycle. We show that it results from atmospheric boundary layer motions, with a marine vapor reaching the Observatory during the day, and air masses originating from the free troposphere reaching the Observatory during the night. During some nights, vapor is significantly more depleted in dO18 and dD. During the austral winter, this phenomenon is due to a modification of the regional atmospheric circulation causing a reinforcement of subsidences at Reunion Island, related to the position of the Subtropical Jet. During the austral summer, this phenomenon is sometimes due to an intensification of the subsidence at Reunion Island, and at other times to local or regional condensation processes.Finally, we focus on cyclonic events. During these periods, a strong isotopic depletion of the vapor is observed. We show that this depletion occurs 2 to 3 days before the system and continues until 3 days after. During this period, the evolution of the isotopic composition of the water vapor has a substructure. We note (1) an isotopic depletion that is a function of the distance to the center of the system, (2) an isotopic enrichment at the system wall, and (3) an abrupt evolutions of the isotopic composition of the water vapor in the rainbands due to mixing, condensation and/or recycling processes.