Les particules émises, dans l’atmosphère, lors de rejets chroniques ou accidentels par les installations peuvent être soumises après dispersion à des flux verticaux par temps sec : le dépôt sec et la remise en suspension. Les flux verticaux par temps sec sont caractérisés par la vitesse de transfert vertical, qui est le rapport entre le flux de particules et la concentration atmosphérique de l'aérosol au voisinage de la surface. Lorsque cette vitesse est positive, c‘est une vitesse de dépôt sec (Vd en m.s-1) et inversement, lorsqu’elle est négative, c’est une vitesse d’émission. Il est important d'étudier leur dépôt sec en milieu prairial. En effet, les produits issus de ce milieu sont une composante de la chaine alimentaire de l’homme via l’élevage. Pour les particules de moins de 1 μm, il y a un manque de données expérimentales, ce qui entraîne une incertitude sur les résultats des modèles, qui peuvent atteindre jusqu'à deux ordres de grandeur. En outre, il n'existe pas de données de mesure de la vitesse de dépôt in situ disponibles pour les particules inférieures à 10 nm. Ces particules sont issues de réaction gaz/particules (nucléation) et peuvent concerner certains radionucléides tels que l’iode (129,131I).Après leur dépôt, ces radionucléides peuvent être remis en suspension sous l’effet de la contrainte soumise par le vent sur le couvert. Un tel phénomène est soupçonné autour de la centrale nucléaire de Fukushima. Les processus de remise en suspension des aérosols, est caractérisée par la vitesse de transfert vertical (m.s-1) mais également par le coefficient de remise en suspension (Ks en m-1) qui est le rapport entre la concentration atmosphérique et la concentration surfacique de particules. Des incertitudes rémanentes de 2 à 3 ordres de grandeurs sur les coefficients de remise en suspension existent. La remise en suspension concerne l’ensemble des particules présentent sur le couvert qu’elles soient inertes ou vivantes (champignons, bactéries, levures…). Contrairement aux particules inertes, ces particules vivantes peuvent assimiler et concentrer les radionucléides. Cependant, il y a très peu de données concernant la remise en suspension des microorganismes et des bactéries en particulier. Dans ce contexte, les objectifs de la thèse sont de quantifier la vitesse de dépôt sec en fonction de la taille des particules et des principaux paramètres micrométéorologique dans la gamme 1,5 nm – 1,2 µm. Le second objectif est de documenter les processus d’émission des bactéries / The particles emitted into the atmosphere during chronic or accidental release by the nuclear plants can be subjected, after dispersion, to vertical flows by dry weather: dry deposition and resuspension. Vertical flows in dry weather are characterized by the vertical transfer rate, which is the ratio between the particle flux and the atmospheric concentration of the aerosol in the vicinity of the surface. When this speed is positive, it is a dry deposition rate (Vd in m.s-1) and conversely, when it is negative, it is a transmission rate. It is important to study their dry deposition in a prairial environment. Indeed, the products resulting from this environment are a component of the human food chain via livestock. For particles less than 1 μm, there is a lack of experimental data, which results in uncertainty about the results of the models, which can reach up to two orders of magnitude. In addition, there are no in situ deposition rate measurement data available for particles less than 10 nm. These particles are derived from the gas / particle conversion (nucleation) and may relate to certain radionuclides such as iodine (129, 131I).After their deposition, these radionuclides can be resuspended under the effect of the stress submitted by the wind on the canopy. Such a phenomenon is suspected around the Fukushima nuclear power plant. The aerosol resuspension processes are characterized by the vertical transfer rate (m.s-1) but also by the re-suspension coefficient (Ks in m-1) which is the ratio of atmospheric concentration to surface concentration of particles. Relative uncertainties of 2 to 3 orders of magnitude on the resuspension coefficients exist. The resuspension concerns all the particles present on the canopy, whether they are inert or living (fungi, bacteria, yeasts, etc.). Unlike inert particles, these living particles can assimilate and concentrate radionuclides. However, there is very little data on the resuspension of microorganisms and bacteria in particular. In this context, the objectives of the thesis are to quantify the dry deposition rate as a function of the particle size and the main micrometeorological parameters in the range 1.5 nm - 1.2 μm. The second objective is to document the processes of emission of the bacteria

Ce travail de recherche, réalisé dans le cadre du programme IDAF, est une contribution à l'étude des dépôts des constituants majeurs atmosphériques à la surface de la terre, en Afrique tropicale. Il concerne l'étude des concentrations atmosphériques des gaz azotés (ammoniac, dioxyde d'azote, acide nitrique), du dioxyde de soufre (SO2) et de l'ozone (O3) et leur dépôt sec en Afrique de l'Ouest et Centrale. Les gaz ont été mesurés sur une base mensuelle par la technique des capteurs passifs sur une période de dix ans (1998-2007) dans sept sites IDAF représentatifs d'un transect d'écosystèmes : savanes sèches - savanes humides - forêts. La validation et l'analyse de la base de données décennales des " gaz IDAF " a permis d'établir les niveaux de concentrations caractéristiques de chaque écosystème et d'étudier leurs évolutions moyennes mensuelles, saisonnières, annuelles et interannuelles sur le transect d'écosystèmes. Les flux de dépôt sec ont été estimés par la méthode inférentielle à partir des vitesses de dépôt sec calculées en utilisant le modèle " big-leaf " de Zhang et al. (2003b). Dans le modèle de dépôt, les conditions de surface et météorologiques spécifiques aux sites IDAF ont été adaptées puis validées pour être représentatives de ces sites et ont ainsi permis de simuler les vitesses de dépôt sec représentatives des grands écosystèmes. Les variations moyennes mensuelles, saisonnières et annuelles des flux de dépôt sec des gaz (NO2, HNO3, NH3, O3, et SO2) sont analysées dans l'objectif de réaliser un bilan de dépôt atmosphérique total (sec + humide) d'azote à l'échelle des écosystèmes africains. Le dépôt total d'azote est estimé respectivement à 6-9 kgN.ha-1.an-1, 7-10 kgN.ha-1.an-1 et 13 kgN.ha-1.an-1 en savanes sèches, en savane humides et en forêts, avec une contribution relative du dépôt sec sous forme gazeuse au dépôt total d'azote comprise entre 46 et 71% sur l'ensemble des écosystèmes. Un bilan émission-dépôt des composés azotés oxydés et réduits à l'échelle de chaque écosystème a été réalisé et a montré un flux d'émission totale de même ordre de grandeur que le dépôt moyen annuel d'azote pour les écosystèmes de savanes mais plus faible dans l'écosystème forestier. Enfin une analyse comparative entre les mesures IDAF de dépôt d'azote et, d'une part, le dépôt d'azote simulé par une analyse multi-modèle à l'échelle globale et d'autre part, avec les charges critiques d'eutrophisation existantes dans la littérature a permis une première évaluation de l'impact potentiel du dépôt total d'azote sur les écosystèmes tropicaux africains.

La dispersion et le transport atmosphérique d'ammoniac (NH3) émis par les sources agricoles et son dépôt sec sur le sol et la végétation peuvent entraîner la dégradation des écosystèmes sensibles, ainsi que l'acidification des sols. Les concentrations atmosphériques et les dépôts secs de NH3 sont généralement plus élevés à côté des sources d'émission, et les impacts environnementaux sur les écosystèmes sensibles sont souvent les plus importants à ces endroits. Pour mieux évaluer les impacts et leur étendue à l’échelle de paysages agricoles, des revues scientifiques sur les méthodes d'évaluation des impacts de NH3 ont recommandé une comparaison entre différents types de modèles à différentes échelles spatiales. Dans ce contexte, nous avons comparé les flux de NH3 simulés par deux modèles de dispersion, de transport et de dépôt par voie atmosphérique (CHIMERE et OPS-ST), pour différents scénarios théoriques et semi-réels et pour différentes tailles de maille des modèles. Les résultats de simulations montrent que les dépôts secs annuels de NH3, moyennés sur le domaine d’étude, sont comparables pour des tailles de maille correspondant aux tailles pour lesquelles les modèles ont été conçus. Cela implique que les modèles eulériens fonctionnant à des résolutions kilométriques peuvent être utilisés pour simuler l’impact du NH3 sur la composition chimique de l’atmosphère. Les résultats divergent entre les modèles à proximité des sources. Les conditions météorologiques et la taille des mailles sont les facteurs ayant les effets les plus marqués sur les résultats des deux modèles. Enfin, nos résultats montrent que la détection des dépassements de charges critiques à proximité des sources est mieux représentée avec OPS-ST qu’avec CHIMERE, avec lequel on observe une surestimation des surfaces dépassant les charges critiques. / Short-range atmospheric dispersion of ammonia emitted by agricultural sources and its subsequent deposition to soil and vegetation can lead to the degradation of sensitive ecosystems as well as soil acidification. Atmospheric concentrations and dry depositions rates of NH3 are generally higher near the emission source and environmental impacts on sensitive ecosystems are often largest at these locations. To better evaluate the impacts and their extent at the agricultural landscapes scale, scientific reviews of NH3 assessment methods recommended a comparison between different types of models at different spatial scales. In this context, we compared NH3 fluxes simulated by two atmospheric dispersion, transport and deposition models (CHIMERE and OPS-ST) for different theoretical and semi-real scenarios and for different grid cell sizes. The simulation results show that the averaged NH3 dry deposition over the investigated domains is comparable for grid cell sizes for which the models were designed. This implies that eulerian models with a km scale horizontal resolution can be used for studying the larger scale impact of NH3 on atmospheric composition despite an inadequate treatment of near source dry deposition, for which the models diverge. Meteorological conditions and grid cell size are the factors having the strongest effects on the results of the two models. NH3 dry deposition predictions can be used to map critical load exceedances, our results show that the detection of these exceedances near to the sources is better represented with OPS-ST than with CHIMERE, the latter showing an overestimation of the surfaces exceeding critical loads.

Actuellement, le dépôt sec d'aérosols en milieu urbain est peu connu du fait d'un manque de données.Ces connaissances sont pourtant indispensables pour comprendre les flux de polluants dans les villes et estimer l'exposition d'habitants à des rayonnements ionisants dans le cas d'aérosols radioactifs. Un apport de données permettrait en outre d'améliorer la modélisation du dépôt dans ce milieu. Une approche expérimentale originale est employée pour étudier le dépôt sec d'aérosols submicroniques sur des surfaces urbaines. L'association d'expérimentations en soufflerie et in situ et l'utilisation de traceurs permettent de mesurer des vitesses de dépôt sec et d'étudier les différents phénomènes physiques qui régissent ce dépôt en milieu urbain. Ces données sont associées à des conditions de météorologie et de turbulence quantifiées par des mesures. Cet ensemble permet de hiérarchiser l'influence des principaux phénomènes physiques pour chaque type d'expérimentation. Notamment,des phénomènes différents doivent être considérés prépondérants dans le cas d'expositions chroniques ou aigües des surfaces urbaines aux particules atmosphériques.

Actuellement, le dépôt sec d’aérosols en milieu urbain est peu connu du fait d’un manque de données.Ces connaissances sont pourtant indispensables pour comprendre les flux de polluants dans les villes et estimer l’exposition d’habitants à des rayonnements ionisants dans le cas d’aérosols radioactifs. Un apport de données permettrait en outre d’améliorer la modélisation du dépôt dans ce milieu. Une approche expérimentale originale est employée pour étudier le dépôt sec d’aérosols submicroniques sur des surfaces urbaines. L’association d’expérimentations en soufflerie et in situ et l’utilisation de traceurs permettent de mesurer des vitesses de dépôt sec et d’étudier les différents phénomènes physiques qui régissent ce dépôt en milieu urbain. Ces données sont associées à des conditions de météorologie et de turbulence quantifiées par des mesures. Cet ensemble permet de hiérarchiser l’influence des principaux phénomènes physiques pour chaque type d’expérimentation. Notamment,des phénomènes différents doivent être considérés prépondérants dans le cas d’expositions chroniques ou aigües des surfaces urbaines aux particules atmosphériques. / Aerosol dry deposition is not much known for urban areas due to the lack of data. Knowledge on this phenomenon is necessary to understand pollutant fluxes in cities and to estimate inhabitant exposition to ionizing radiation of radioactive aerosols. A data providing could enable to enhance dry deposition models for these areas. An original experimental approach is performed to study submicron aerosol dry deposition on urban surfaces. Wind tunnel coupled to in situ experiments give results to study different physical phenomen on governing dry deposition. Dry deposition velocities are measured using aerosol tracers. These data are associated to turbulent and meteorological measured conditions. This database permits to classify the principal physical phenomenon for each experiment type. Finally, different phenomenon must be considered for chronic and acute exposition of urban surfaces to atmospheric particles.

L'ammoniac atmosphérique (NH3) est émis en majeure partie par l'agriculture. Etant très soluble, il se dépose rapidement sur la végétation par absorption foliaire et dépôt sur les surfaces (dépôt cuticulaire). Ces dépôts constituent une source de pollution importante pour les écosystèmes dits sensibles. Afin d'étudier la variabilité des dépôts secs d'ammoniac à proximité des sources agricoles, en réponse aux conditions climatiques et au type d'écosystème, un modèle mécaniste de dispersion et de dépôt d'NH3 a été développé. Il repose sur le couplage d'un modèle de dispersion de gaz-traces, de type marche aléatoire, et d'un modèle d'échange à l'échelle foliaire prenant en compte les voies stomatiques et cuticulaires, et incluant le point de compensation stomatique. Le modèle a été validé à partir de données expérimentales mesurées sur un couvert de maïs et de deux autres jeux de données sur prairie. Le modèle simule bien les concentrations dans le cas de la prairie mais il est biaisé dans le cas du maïs. Le biais semble provenir de l'orientation moyenne de la direction du vent et met en avant la nécessité d'utiliser un modèle en 3 dimensions pour l'étude de la dispersion à l'échelle locale. L'application du modèle montre que les dépôts secs cumulés peuvent varier entre quelques dixièmes de % et quasiment 20% de la quantité émise à 400 m en aval d'une source ligne. Le modèle indique que les facteurs les plus influents sur le dépôt sont la hauteur de la source par rapport au couvert, la vitesse du vent et la stratification thermique, ainsi que les résistances stomatiques et cuticulaires. Sous un climat chaud et sec, le dépôt sec local d'ammoniac emprunte prioritairement la voie stomatique, tandis que sous un climat tempéré et humide, il se fait par voie cuticulaire. Il en ressort que pour améliorer les estimations du dépôt sec local, il sera nécessaire de mieux comprendre et paramétrer le dépôt cuticulaire, et le point de compensation stomatique.

Que ce soit par rejets chroniques ou accidentels, l’impact d’une installation nucléaire sur l'environnement dépend essentiellement des transferts atmosphériques qui, comme le montre l'accident de Fukushima, impacts sur l’environnement et les populations. Ce travail s’intéresse à la caractérisation et à la modélisation du dépôt sec des aérosols submicroniques sur des surfaces liquides en mouvement telles que des rivières. Compte tenu de l’inexistence de données sur le dépôt sec des aérosols submicroniques sur une surface liquide en mouvement, la démarche s’est appuyée sur : 1) l’acquisition expérimentale de vitesses de dépôt et 2) l’analyse et l’interprétation des résultats au moyen d’un travail de modélisation. Les expérimentations de dépôts ont été réalisées avec des aérosols d’uranine injectés dans la maquette de la soufflerie IOA-IRPHE. Ces expérimentations ont permis d’obtenir de nombreuses vitesses de dépôt sec pour différentes configurations caractérisées en fonction des conditions de vent, de courant, d’ambiance, de déformations de la surface liquide (mesures des vagues) et de distribution granulométrique des aérosols injectés. La partie modélisation a consisté à adapter le modèle à résistance de Slinn et Slinn (1980). Les principales adaptations apportées par ce travail ont consisté à prendre spécifiquement en compte les différentes classes de particules du spectre granulométrique du champ aérosolique, à évaluer les évolutions de ce spectre en fonction des mécanismes d’hygroscopicité et d’agrégation et à intégrer les mécanismes de diffusiophorèse et de thermophorèse. / Whether by chronic or accidental releases, the impact of a nuclear installation on the environment mainly depends on atmospheric transfers; and as the accidents at Chernobyl and Fukushima show, affect the contamination of surfaces and impacts on the environment and the population. This work focuses on the characterization and modeling of dry deposition of submicronic aerosols on liquid surfaces in motion such as rivers. The evaluation of dry deposition is based on the estimation of flux modeling as the product of particle concentration and deposition velocity. Due to the lack of data on the dry deposition of submicronic aerosols on a liquid surface in motion, the approach was based on two axes: 1) the acquisition of experimental deposition velocities and 2) the analysis and interpretation of results through modeling. The experiments were performed with uranine aerosols released into the IOA-IRPHE wind tunnel. These experiments have given many dry deposition velocities for different configurations characterized according to wind, current, ambient temperature and relative humidity, the liquid surface deformations (measured significant wave height) and size distribution of aerosols released. The modeling part was to adapt the model to resistance. Slinn and Slinn (1980). The main adjustments made by this work have been to take specific account of the different classes of particle size distribution, the spectrum variation as a function of hygroscopicity, and mechanisms of aggregation. It is integrated mechanisms of diffusiophoresis and thermophoresis, respectively produced by the evaporation of water and the temperature gradient at the air-water interface.