La croissance démographique rapide que connait le continent africain ces dernières décennies ainsi que l'exode rural, tendent de plus en plus à concentrer dans quelques mégapoles (e.g. Abidjan) une grande partie des activités nationales polluantes (transports, industries,...), en plus du développement des activités pétrolières et minières le long des côtes du Golfe de Guinée. De même, les combustions de biofuels sont largement répandues pour les besoins domestiques. Tout ceci contribue à des émissions anthropiques considérables et croissantes d'aérosols de combustion dont les inventaires sont encore très imparfaitement connus sur le continent. L'objectif premier de cette thèse a permis de mettre en évidence et de mieux caractériser les émissions de carbone suie et de carbone organique primaire associées à l'utilisation des véhicules deux roues, un mode essentiel de transport dans certains pays en Afrique de l'Ouest. Par la suite, j'ai développé deux nouveaux inventaires d'émissions de carbone suie et de carbone organique primaire à l'échelle de l'Afrique pour les années 2005 et 2030, afin de réviser et de mettre à jour les données de l'inventaire global de Junker and Liousse (2008) de 2005. Enfin, nous avons simulé les concentrations ambiantes à partir des données de nos nouveaux inventaires 2005 et 2030 à l'aide du modèle global TM5. Ce modèle peut simuler de manière satisfaisante les concentrations en zones rurales, moins bien en zones urbaines. En outre, pour les épaisseurs optiques, le modèle fournit des ordres de grandeur satisfaisants avec un positionnement encore imparfait des maxima en Afrique de l'Ouest et en Afrique Centrale. Pour l'albédo de simple diffusion, nos résultats sont encourageants, sachant que le carbone suie et le carbone organique sont seuls pris en compte dans notre version du modèle global TM5.

Le carbone-suie, ou "black carbon" (BC), est considéré comme le deuxième plus grand contributeur d'origine anthropique au changement climatique, après le dioxyde de carbone, en raison de son importante capacité à absorber la lumière (Bond et al., 2013). Malgré son influence sur le système climatique, les observations pluriannuelles des teneurs atmosphériques de BC demeurent rares, particulièrement en Europe. Cette étude propose une reconstruction nouvelle de la variabilité passée du BC atmosphérique à partir de l'analyse d'une carotte de glace forée au glacier de l'Elbrus (ELB), situé dans le Caucase en Russie. Un analyseur de carbone-suie SP2 (Single Particle Soot Photometer) a été exploité pour l'analyse du BC réfractaire (rBC) sur 153m de carotte de glace couvrant les derniers 140 ans. Un nouveau système analytique couplant un nébuliseur APEX-Q et le SP2, intégré au sein d'un système d'Analyse en Flux Continu, a été développée et a permis d'obtenir un enregistrement unique quasi-continu du rBC. La glace de l'Elbrus révèle une augmentation marquée des teneurs en rBC entre les années 1870 et 1980, suivie d'une diminution des concentrations jusqu'en 2000 environ. Au cours de la dernière décennie, les concentrations en rBC demeurent stables. Parallèlement, une augmentation des niveaux de fond jusqu'en 1980 indique clairement un impact non négligeable des émissions anthropiques sur la charge en BC atmosphérique à des échelles spatiales très larges, et notamment dans la troposphère libre. Une étude fine des inventaires d'émissions de BC disponibles et la modélisation FLEXPART viennent confirmer que l'augmentation forte de rBC depuis 1920 est principalement due aux émissions anthropiques de BC. Une analyse du gradient est-ouest des dépôts de rBC à haute altitude au cours de la dernière décennie a été réalisée, en comparant l'archive récente (10 ans) de l'Elbrus avec deux autres enregistrements provenant du Col du Dôme (CDD, France) et du Colle Gnifetti (CG, Italie). Les concentrations à l'Elbrus se révèlent deux à trois fois supérieures à celles des autres sites, une différence liée à l'intensité plus forte des sources en Europe de l'Est et confirmée par la modélisation FLEXPART. Les combustions de biomasse se trouvent identifiées comme la principale cause de variabilité interannuelle à l'Elbrus en été. Sur les derniers 10 ans, une diminution statistiquement significative des concentrations en rBC dans la neige est détectée au CDD, un résultat qui s'oppose aux observations réalisées à l'Elbrus où une tendance à l'augmentation au cours des périodes estivales est identifiée. Ces tendances, aussi bien CDD et ELB, sont relativement cohérentes avec les inventaires d'émissions de BC anthropiques disponibles. Ces enregistrements nouveaux et continus de rBC dans plusieurs carottes de glace européennes viennent faire progresser notre compréhension des évolutions passées des sources et de la charge atmosphérique du BC en Europe. Ces enregistrements peuvent participer à une meilleure évaluation de l'efficacité des politiques passées et actuelles de réduction des émissions de BC, ainsi qu'à une amélioration des inventaires d'émission. / Black carbon (BC) is considered as the second largest man-made contributor to global warming after carbon dioxide due to its highly light-absorbing ability (Bond et al., 2013). Despite its climatic role, multi-year observations of ambient BC concentrations are scarce, in particular over Europe. In this thesis, we reconstructed past variability of atmospheric BC using an ice core from the Elbrus glacier (ELB), Caucasus in Russia. We have used a single particle soot photometer (SP2) to retrieve refractive BC (rBC) along 153 m of ice core covering the last 140 years. We have developed and validated a novel analytical system coupling of APEX-Q nebulization to SP2 in a Continuous-flow Analysis system to derive a unique quasi-continuous record of rBC. Results reveal a substantial rBC increase since 1870s lasting until 1980, followed by a decrease until ~2000. In the last decade, rBC concentrations remained constant. In parallel, an increase in background concentration until 1980 clearly highlights that anthropogenic BC emissions have substantially affected the atmospheric BC loading on a very large spatial scale, particularly in the free troposphere. A comparison with the estimated BC reaching the ELB site using a BC emission inventory/FLEXPART modeling confirms that the strong rBC increase since around 1920 is mainly due to anthropogenic BC emissions. Analysis of the East-West gradient of rBC deposited in snow over the last decade is investigated comparing the recent archive (10-year) at ELB with two other records from Col du Dôme (CDD), France, and Colle Gnifetti (CG), Italy. Concentrations at ELB are 2-3 times higher than at other sites, which is linked to source intensity in the Eastern part of Europe, as confirmed by the FLEXPART modelling. Biomass burning is identified as a main cause of inter-annual variability at ELB during summer time. Over the last decade, a statistically significant reduction of rBC concentration in snow is found at CDD, opposite to what is found at ELB with an increasing trend observed for summer periods. These trends are also fairly consistent with anthropogenic BC emissions inventories. Availability of continuous records of rBC in European ice cores improved our understanding of past evolution of atmospheric BC over Europe. They can be used to assess efficiency of past and current emission reduction policies and improve emission inventories.

Le carbone-suie, ou “black carbon” (BC), contribue au réchauffement climatique avec un forçage positif de l’ordre de +1.1 W m-2 dont l’incertitude reste haute (de l’ordre de 90%). Ce forçage s’effectue à travers l’interaction aérosol-radiation et l’interaction aérosols-nuage. Ces deux mécanismes sont affectés par le degré de mélange des particules du BC avec divers matériaux non-réfractaires et non-absorbants. Cependant, les estimations du forçage radiatif considèrent rarement les effets du mélange interne. Par ailleurs le rôle du BC comme noyau glaçogène qui influence l’interaction aérosol-nuage est largement inconnu. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre les mécanismes par lesquels le degré de mélange interne du BC influence la variabilité des propriétés optiques du BC et les propriétés d’activation des noyaux glaçogènes contenant du BC.Dans le premier chapitre de cette thèse, nous avons exploré la variabilité spatiale et saisonnière du coefficient d’absorption massique -mass absorption cross-section (MAC)- dans l’atmosphère en Europe. Les valeurs de MAC sont déterminées à partir de concentrations de carbone élémentaire et de coefficients d’absorption observée à différentes stations d’observation européenne du réseau ACTRIS (Aerosol, Cloud and Trace gases Research InfraStructure). Les résultats montrent une faible variabilité spatiale du MAC avec une moyenne de 10 ± 2.5 m2 g-1 à 637 nm de longueur d’onde qui peut être considérée comme représentative du BC en Europe. Le cycle saisonnier du MAC est probablement lié à la composition chimique de l’aérosol et son état de mélange, qui provoque une augmentation du MAC.Dans le second chapitre on s’est intéressé au lien entre l’absorption du BC et son état de mélange après transport sur longue-distance. Ce travail se base sur des mesures effectuées dans le cadre du projet CLIMSLIP (CLimate IMpact of Short-Lived Pollutants and methane in the Arctic). Une campagne de mesure a été conduite sur la station de recherche Zeppelin au Svalbard, Norvège en Avril 2012. Les données acquises avec un Single Particle Soot Photometer (SP2) révélaient que le BC est généralement présent en mélange interne dont l’épaisseur moyenne de la couche superficielle de matériel non-absorbant est de 47 nm pour des particules de BC de diamètre compris entre 170 et 280 nm. Ce mélange interne conduit à une augmentation d’absorption de 46%. Elle entraîne cependant une diminution relativement faible de l’albédo de simple diffusion, de l’ordre de 1%.Enfin, la capacité du BC à agir comme noyaux glaçogène pour la formation de cristaux de glace a été étudiée sur le site de haute altitude du Jungfraujoch (Suisse) dans le cadre du “cloud and aerosol characterization experiment” (CLACE) en 2013. Les différents éléments du nuage étaient séparé à partir d’une prise d’entrée type ice-CVI connectée au SP2. Ce dispositif permet de sélectionner uniquement les cristaux de glace et quantifier la fraction de BC activée. Une réduction de la présence de BC dans les résidus de glace a été observée. Des mesures de l’épaisseur de la couche de mélange interne des particules contentant du BC ont montré que les résidus de cristaux de glace présentaient des enrobages bien plus épais comparée à l’aérosol total.Les résultats obtenus au cours de ce travail ont permis de mieux comprendre l’impact du degré de mélange interne sur les propriétés optiques du BC et sur son rôle dans la formation de cristaux de glace. Les propriétés optiques du BC évoluent en fonction de la saison, tandis que la formation d’une couche superficielle amplifie sa capacité d’absorption du rayonnement solaire. De plus, cette étude souligne l’importance du vieillissement atmosphérique du BC sur sa capacité à servir de noyau de nucléation de la glace. Enfin, il fournit une avancée au sujet des propriétés sensibles mesurées dans l’atmosphère avec des techniques innovantes qui permettront la simulation plus précise du forçage radiatif. / Black carbon (BC) induces a warming effect (RFBC = +1.1 W m-2 ± 90%) through two main pathways: aerosol-radiation interaction (RFari) and aerosol-cloud interaction (RFaci). Both BC-radiation and BC-cloud interaction are affected by the mixing of black carbon with other non-refractory and non-absorbing matter present in the atmosphere. An estimation of the global radiative forcing of BC rarely accounts for internal mixing of BC while the net global cloud radiative forcing is sensitive to assumptions in the initiation of cloud glaciation, which is mostly unknown for black carbon particles. Within this thesis we investigated the variability of the light absorbing properties of black carbon, the mixing of black carbon, and the impact on light absorption and ice activation.In the first part of this thesis we investigated the spatial and seasonal variability of the mass absorption cross section (MAC) over Europe. MAC values were determined from ambient observations of elemental carbon mass concentrations (mEC) and absorption coefficients (σap). The data had been acquired during several years at different background ACTRIS supersites spread over Europe. Site specific MAC values were found to be spatially homogeneous, suggesting that the overall MAC average 9.5 ± 1.9 m2 g-1 at a wavelength of 637 nm might be representative of BC at European background locations. The MAC values showed a distinct seasonal cycle at every station. This seasonality might be related to chemical composition and aging. We observed that the MAC value has a linear and positive proportionality with the non-absorbing matter mass fraction.The second part of the work focuses on the coating acquisition of BC and the induced absorption enhancement after long-range transport. Within the CLIMSLIP (climate impact of short-lived pollutants and methane in the Arctic) project field experiments were conducted at the Zeppelin research site in Svalbard, Norway, during the Arctic spring. SP2 data were used to characterize the BC size distribution and mixing. BC containing particles having a core diameter between 170 and 280 nm were found to have a median coating thickness of 47 nm. The relationship between coating thickness and BC absorption was simulated. The observed coating thickness enhanced the mass absorption cross section by 46%, which led to a decrease of less than 1% in the single scattering albedo.In the final part of this work, the role of black carbon as ice nuclei in mixed phase clouds was investigated at the high elevation measuring site Jungfraujoch (Switzerland) during the cloud and aerosol characterization experiment (CLACE) held in 2013. The ice-CVI inlet and a single particle soot photometer were used to select and quantify the ice activated BC particles. According to the observations, BC containing particles were depleted in the ice residuals. The activation efficiency showed a size dependency, with larger BC containing particles being activated more efficiently compared to smaller ones. Activated BC cores having a diameter between 170 and 240 nm showed a larger coating thickness (median = 53 nm) compared to the total aerosol (median = 16 nm).The results obtained in this thesis shed new light on the effect of the mixing state on the optical properties and cloud activation of black carbon particles. Absorbing properties of BC showed a distinct seasonal pattern, while aging was found to consistently increase its absorption behavior. However, black carbon was found not to act as ice nuclei in low tropospheric mixed-phase clouds, where the coating thickness might play a role in the activation efficiency. This work provides freshly determined physical properties derived from ambient observations that will improve the accuracy of future aerosol and cloud radiative forcing estimations.

Les aérosols carbonés, qui incluent les aérosols organiques (AO) et le carbone suie (BC), jouent un rôle majeur sur la qualité de l’air et sur le climat. Il est donc primordial de pouvoir quantifier leurs sources, ainsi que celles de leurs précurseurs gazeux, pour la mise en œuvre de plans d’action appropriés. Les études de tendance sur la composition chimique de l’atmosphère sont également nécessaires afin d’améliorer les connaissances de l’impact des particules sur le réchauffement climatique, actuel et à venir. Ce travail de thèse a permis d’exploiter les mesures automatiques et in situ des aérosols carbonés réalisées au SIRTA (Site de Recherche par Télédétection Atmosphérique) depuis plus de 6 ans. Cet observatoire appartient au programme européen ACTRIS (infrastructure de recherche européenne sur les aérosols, nuages, et espèces gazeuses réactives). Il est situé à 25 km au sud-ouest de Paris et est représentatif de la pollution de fond en région Ile de France. Les principales sources d’AO ont été discriminées à l’aide de l’outil Positive Matrix Factorization appliqué aux données issus d’un Aerosol Chemical Speciation Monitor (ACSM). Les propriétés d’absorption de la lumière de BC et du brown carbon (BrC) ont été mesurées à l’aide d’un aethalomètre multi-longueurs d’onde. L’ensemble des résultats obtenus indiquent des cycles saisonniers, hebdomadaires et journaliers spécifiques aux différentes fractions des aérosols primaires et secondaires. Ils ont confirmé que l’AO primaire (AOP), provenant essentiellement de la combustion de biomasse et du transport routier, est prépondérant sur la période froide (de novembre à février), alors que le reste de l’année est dominé par des aérosols organiques oxygénés. Parmi ces derniers, une fraction moins oxydée, provenant probablement de façon majeure de précurseurs biogéniques, est prépondérante en été (60% de l’AO en moyenne estivale). Les études de tendance ont montré une légère diminution des concentrations (de l’ordre de 0.05-0.20 µg/m3 par an) de toutes les fractions d’AO identifiées au cours de la période étudiée, hormis pour cette fraction d’AO moins oxydée qui ne présente pas de tendance significative. Concernant les propriétés optiques, une contribution moyenne globalement équivalente à celle de BC a été observée pour le BrC dans le proche ultraviolet en hiver. Par ailleurs, il a été mis en évidence une augmentation significative des propriétés d’absorption du BC liée à des interactions avec les aérosols secondaires en mélange interne, en particulier en été (avec une valeur moyenne de 1.6 pour le paramètre Eabs). La fraction organique la plus oxydée a pu être identifiée comme principale responsable de ce phénomène, faisant des aérosols organiques secondaires l’une des fractions des particules les plus importants à considérer par les modèles climatiques. / Carbonaceous aerosols, including organic aerosols (OA) and black carbon (BC), are playing important roles on air quality and climate change. Therefore, quantifying contribution of their emission sources, as well as the sources of their gaseous precursors, is needed to implement efficient mitigation measures. Investigating trends in atmospheric composition is also essential to a better knowledge of present and future impacts of airborne particles on global warming. This work aimed at investigating on-line and in situ carbonaceous aerosol measurements performed for more than 6 years at the SIRTA facility (Site Instrumental de Recherche par Télédétection Atmosphérique). This observatory platform is part of the ACTRIS (Aerosols, Clouds, Trace gases Research InfraStructure). It is located 25 km southwest of Paris city center and is representative of background air quality in the Ile de France region. The main sources of submicron OA were discriminated through Positive Matrix Factorization applied to Aerosol Chemical Speciation Monitor (ACSM) data. Light absorption properties of BC and brown carbon (BrC) were obtained from multi-wavelength Aethalometer measurements. Converging results illustrated well-marked seasonal, weekly, and diel cycles of the various primary and secondary carbonaceous aerosol fractions. Primary OA (POA), mainly from wood burning and traffic emissions, were confirmed to dominate submicron OA concentrations during the coldest months (November to February), while Oxygenated OA (OOA) were shown as the major contributors during the rest of the year. Less Oxidized OOA (LO-OOA), possibly with predominant biogenic origins, were found to contribute up to about 60% of total submicron OA on average in summer. Trend analyses indicated slight decreasing features (in the range of 0.05-0.20 µg m-3 yr-1) for every OA fractions over the 6+-year investigated period, except for this LO-OOA factor which showed no significant trend. Regarding absorption properties, BrC - with overwhelming biomass burning origin - was found to have equivalent light absorption impact than BC at near-ultraviolet wavelengths during the winter season. In summer, a mean value of 1.6 was obtained for BC absorption enhancement (Eabs) due to secondary aerosol lensing effect, supporting possible higher BC-related radiative impact than currently expected. Last but not least, More Oxidized OOA (MO-OOA) were shown as the main agent for this Eabs and then appeared as one of the most critical aerosol fraction to be considered within near-future climate models.

Ma thèse s'inscrit dans le cadre du programme POLCA (Pollution des Capitales Africaines). Elle a pour principal objectif de caractériser la pollution particulaire sur des sites " trafic " de deux capitales africaines Dakar (Sénégal) et Bamako (Mali) et d'étudier son impact toxicologique sur l'appareil respiratoire. La pollution particulaire urbaine, bien supérieure aux normes imposées par l'organisation mondiale de la santé, est mise en exergue en lien avec un trafic automobile anarchique et d'intenses combustions domestiques. Dans ce contexte, les questionnements scientifiques suivants ont pu être abordés : - Quelle est la spéciation chimique par classes de tailles des aérosols de combustion (carbone suie, carbone organique, inorganiques, métaux traces...) pour les sites " trafic " de Dakar et Bamako ? - Quelles sont les sources prédominantes agissant sur la composition chimique en aérosols ? Quelle est la toxicité de ces aérosols et le niveau de stress oxydant ? - Quels sont les liens entre composition des aérosols différenciés en tailles et marqueurs d'inflammation pour chaque type de source ? - Quels sont les liens entre expositions aux aérosols et doses dans l'appareil respiratoire ? - Pour traiter ces questions, je me suis attaché à l'étude des résultats des campagnes intensives de 2009 à Dakar et à Bamako auxquelles j'ai participé, principalement à l'analyse chimique complète des aérosols par classes de tailles, à la caractérisation physico-chimique complète de l'aérosol pour chaque site mais également à la détermination de ses différentes sources par des modèles multivariés (ACP et PMF). Ces études ont été associées à des mesures toxicologiques in vitro effectuées sur les aérosols prélevés sur ces mêmes sites. Ce croisement mesures physcico-chimique/mesure santé a permis d'approfondir les liens sources d'émissions/chimie de l'aérosol/granulométrie et impacts biologiques associés. Enfin, en parallèle aux mesures expérimentales développées dans POLCA, la thèse a permis la mise en œuvre du modèle DEPCLUNG (DEPosition, Clearance, LUNG) afin de convertir spéciation de l'aérosol par classe de taille ou EXPOSITIONS en concentrations d'espèces par classe de taille ou DOSES dans les divers compartiments de l'appareil respiratoire (trachée, bronches, bronchioles, alvéoles). C'est la conjonction des trois thèmes, caractérisation de la pollution urbaine particulaire en Afrique de l'Ouest et ses sources, son impact toxicologique et la modélisation des doses dans l'appareil respiratoire, qui constitue le caractère pluridisciplinaire innovant de la thèse.