Cette thèse présente un nouveau modèle SCRAM (Size and Composition Resolved Aerosol Model) pour simuler la dynamique des particules dans l'atmosphère (nucléation, coagulation, condensation / évaporation) en prenant en compte leur état de mélange, et elle évalue la performance de SCRAM dans des simulations 3D de qualité de l'air. Le travail peut être divisé en quatre parties. Premièrement, la notion de mélange externe est introduite, ainsi que la modélisation de la dynamique des aérosols. Ensuite, le développement du modèle SCRAM est présenté avec des tests de validation. Dans SCRAM, pour définir les compositions, on discrétise d'abord en sections les fractions massiques des composés chimiques des particules ou d'ensembles de composés chimiques. Les compositions des particules sont ensuite définies par les combinaisons des sections de fractions massiques. Les trois processus principaux impliqués dans la dynamique des aérosols (la coagulation, la condensation / évaporation et la nucléation) sont inclus dans SCRAM. SCRAM est validé par comparaison avec des simulations « académiques » publiées dans la littérature de coagulation et condensation/évaporation pour des particules en mélange interne. L'impact de l'hypothèse de mélange externe pour ces simulations est notamment étudié. L'impact du degré de mélange sur les concentrations de particules est ensuite étudié dans une simulation 0-D en utilisant des données représentatives d'un site trafic en Ile de France. L'influence relative sur l'état de mélange des différents processus influençant la dynamique des particules (condensation / évaporation, coagulation) et de l'algorithme utilisé pour modéliser la condensation / évaporation (hypothèse d'équilibre entre les phases gazeuse et particulaire, ou bien modélisation dynamique des échanges gaz/particules) est étudiée. Ensuite, SCRAM est intégré dans la plate-forme de qualité de l'air Polyphemus et utilisé pour effectuer des simulations sur l'Ile de France pendant l'été 2009. Une évaluation par comparaison à des observations a montré que SCRAM donne des résultats satisfaisants pour les concentrations de PM2.5/PM10 et l'épaisseur optique des aérosols. Le modèle est utilisé pour analyser l'état de mélange des particules, ainsi que l'impact des différentes hypothèses de mélange (mélange interne MI ou mélange externe ME) sur la formation des particules et leurs propriétés. Enfin, deux simulations, une avec l'hypothèse de MI et une autre avec l'hypothèse de ME, sont effectuées entre le 15 janvier et le 11 février 2010, pendant la campagne hiver MEGAPOLI (Megacities : Emissions, urban, regional and Global Atmospheric POLlution and climate effects, and Integrated tools for assessment and mitigation) durant laquelle les compositions des particules individuelles ont été mesurées. Les concentrations simulées de composés chimiques (concentration massique totale de différents composés) et les concentrations des classes de particules individuelles (une classe est définie par sa taille et sa composition chimique) sont comparées avec les observations à un site urbain parisien. Un indicateur de la diversité des particules et de l'état de mélange est calculé à partir des simulations et comparé à celui calculé à partir des mesures. Le modèle se compare bien aux observations avec un état de mélange moyen simulé de 69% contre 59% dans les observations, indiquant que les particules ne sont pas en mélange interne sur Paris / This thesis present a newly developed size-composition resolved aerosol model (SCRAM), which is able to simulate the dynamics of externally-mixed particles in the atmosphere, and it evaluates its performance in three-dimensional air-quality simulations. The main work is split into four parts. First, the research context of external mixing and aerosol modelling is introduced. Secondly, the development of the SCRAM box model is presented along with validation tests. Each particle composition is defined by the combination of mass-fraction sections of its chemical components or aggregates of components. The three main processes involved in aerosol dynamic (nucleation, coagulation, condensation/evaporation) are included in SCRAM. The model is first validated by comparisons with published reference solutions for coagulation and condensation/evaporation of internally-mixed particles. The particle mixing state is investigated in a 0-D simulation using data representative of air pollution at a traffic site in Paris. The relative influence on the mixing state of the different aerosol processes and of the algorithm used to model condensation/evaporation (dynamic evolution or bulk equilibrium between particles and gas) is studied. Then, SCRAM is integrated into the Polyphemus air quality platform and used to conduct simulations over Greater Paris during the summer period of 2009. This evaluation showed that SCRAM gives satisfactory results for both PM2.5/PM10 concentrations and aerosol optical depths, as assessed from comparisons to observations. Besides, the model allows us to analyze the particle mixing state, as well as the impact of the mixing state assumption made in the modelling on particle formation, aerosols optical properties, and cloud condensation nuclei activation. Finally, two simulations are conducted during the winter campaign of MEGAPOLI (Megacities : Emissions, urban, regional and Global Atmospheric POLlution and climate effects, and Integrated tools for assessment and mitigation) in January 2010 where the composition of individual particles was measured. One simulation assumes that particles are internally mixed, while the other explicitly models the mixing state with SCRAM. The simulation results of both bulk concentrations of chemical species and concentrations of individual particle classes are compared with the measurements. Then, the single particle diversity and the mixing-state index are computed using a quantification approach based on information-theoretic entropy, and they are compared to those derived from the measurements at a urban site in Paris: the simulated mixing-state index is equal to 69% against 59% from the measurements, indicating that particles are not internally mixed over Paris

L'objectif de cette thèse est le développement et la validation d'un modèle numérique de la dynamique des particules en mélange externe et résolu en taille. Afin de suivre plusieurs compositions chimiques par classe de tailles, une nouvelle approche est présentée dans laquelle la composition chimique des particules est elle-même discrétisée suivant la fraction d'un ou plusieurs des constituants chimiques (e.g. suie, sulfate). Cette approche a pour but de mieux simuler l'évolution d'une population de particules à l'échelle locale et de particulariser des compositions chimiques typiques de certaines sources. Dans l'atmosphère, les particules interagissent essentiellement entre elles et avec les polluants gazeux par coagulation et condensation/évaporation. La première partie de la thèse a été consacrée à l'élaboration du modèle pour la coagulation, processus physique qui s'avère le plus complexe à modéliser selon notre approche du mélange externe. Dans un premier temps, les équations de la coagulation en mélange externe sont présentées et discrétisées suivant un nombre arbitraire de classe de tailles et de compositions chimiques. Plusieurs simulations numériques ont ensuite été effectuées avec ce modèle sur un même cas d'étude, en utilisant deux, trois et quatre composants chimiques. On vérifie à chaque fois que les résultats de la simulation numérique en mélange externe sont cohérents avec ceux du mélange interne du cas d'étude. Les résultats de ces simulations permettent d'apprécier l'effet de mélange de la coagulation qui produit, à partir de particules monocomposées, des particules bicomposées et tricomposées. Étant donné la complexité croissante d'un tel modèle, une attention toute particulière a été portée à l'implémentation numérique et à l'optimisation des algorithmes choisis. L'extension de cette approche à la condensation/évaporation constitue le prochain développement de ce modèle, nous en posons les bases théoriques en annexe. S'il existe aujourd'hui des données de mesure résolues en taille (SMPS), il n'y en a pas encore qui puissent être réellement validantes pour ce modèle de mélange externe, c'est-à-dire qui distinguent quantitativement plusieurs compositions chimiques par classe de taille. Aussi, dans la seconde partie de la thèse, nous avons envisagé le protocole d'une expérience en chambre permettant de mettre en évidence le mélange par coagulation de deux populations de particules de compositions différentes et d'apporter des données validantes pour le modèle développé. Deux séries d'expériences ont été menées, la première dans la chambre de grand volume CESAM et la seconde, dans le réacteur de petit volume de l'INERIS. La première série a mis en évidence l'homococagulation de chaque distribution polydispersée prise séparément et dans une moindre mesure, l'hétérocoagulation des deux distributions de nature différentes (NaBr et KBr) entre elles. La seconde série a montré la possibilité d'observer simultanément deux distributions monodispersées de particules de compositions différentes (CaSO4 et KBr), prérequis pour ce cas. Au final, les résultats de mesure se sont avérés insuffisants pour produire des données validantes pour le modèle, à cause du trop grand écart-type des distributions polydispersées dans la chambre de grand volume et à cause du dépôt au paroi qui domine dans le réacteur de petit volume. Des analyses au microscope électronique ont cependant attesté de la présence de particules issues de la coagulation entre les deux natures. A la suite des différentes expériences menées, nous revenons sur le protocole envisagé et proposons quelques pistes d'améliorations / The objective of this thesis is the development and validation of a numerical size resolved and externally mixed model of the particle dynamics. In order to trace several chemical compositions for each size class, a new approach is presented in which the particle chemical composition is itself discretized according to the mass fraction of one or several of its components (e.g. soot, sulfate). This approach aims to improve the simulation of the particle population evolution at local scale and to emphasize chemical compositions which are specific to some sources. In atmosphere, particles interacts essentially between themselves and gaseous pollutants through coagulation and condensation/evaporation. The first part of this thesis is dedicated to the model development for the coagulation process, which happens to be the most complex to model with our external mixing approach. First, coagulation equations in external mixing were set up and discretized with an arbitrary number of size and chemical composition classes. Several numerical simulations were then performed with this model according to the same case 6 study, using two, three and four chemical components. We checked each time that the simulation results in external mixing agreed well with those of the case study internal mixing. The results of these simulations are useful to understand how coagulation mix particles and produces, from monocomposed ones, bicomposed and tricomposed particles. Given the growing complexity of such a model, the numerical implementation has been carried out with carefullness and algorithms have been optimized. The extension of this approach to condensation/evaporation is the next development step of this model, the theoretical basis are adressed in appendix. Size resolved particle measurements (SMPS) do exist nowadays, but truely suitable data to validate the external mixing model still lack, that is to say measurements which would quantitatively distinguish several chemical compositions per size class. That is why, in the second part of this thesis, we considered the protocol of a chamber experiment allowing to highlight the mixing by coagulation of two particle populations with distinct compositions and to bring validating data for the model developed. Two series of experiments were conducted, the first one with the CESAM large volume chamber and the second, with the small reactor of INERIS. The first serie underlined the homocoagulation of each polydispersed distribution taken separately and to a lower extent, the heterocoagulation of the two distributions of different kinds (NaBr et KBr) between themselves. The second serie showed the possibility to observe simultaneously two monodispersed distributions of particles with different compositions (CaSO4 et KBr), which was required in this case. Finally, measurement results happened to be insufficiant to produce validating data for the model, because of the great deviation of polydispersed distributions in the large volume chamber and because of the dominating wall losses in the small reactor. However, some microscope electronic analysis showed evidences of particles produced from coagulation between both kind of particles. Further to these experiments, we come back to the planed protocol and propose some improvements