Une source majeure d'incertitude dans l'estimation de l'impact climatique des aérosols est directement liée à notre connaissance des émissions gazeuses et particulaires. Ceci est particulièrement vrai en Asie, où une forte empreinte régionale est observée, avec différents types d'émissions, dépendant de la grande hétérogénéité de végétations et climats (émissions de feux de biomasse) et de l'évolution rapide de la population, de l'urbanisation et de l'industrialisation (émissions de fuels fossiles et de biofuels). <br />Mon travail de thèse a eu pour but, tout d'abord, de développer un inventaire d'émissions de gaz et particules issues des feux de biomasse pour les campagnes ACE-Asia (Aerosol Characterization Experiment) et TRACE-P (Transport and Chemical Evolution over the Pacific), de mars à mai 2001. Pour ce faire, j'ai mis en œuvre une méthodologie la plus adaptée à mon étude, qui repose sur la cartographie des surfaces brûlées (projet GBA2000 (Global Burnt Area 2000) [Tansey et al., 2003]). <br />Les résultats de cette étude, ABBI (Asian Biomass Burning Inventory) [Michel et al., 2005] ont été comparés avec un autre inventaire d'émissions de feux de végétation (ACESS : ACE-Asia and TRACE-P Modelling and Emission Support System) [Streets et al., 2003], construit, non pas à partir des surfaces brûlées, mais à partir des pixels de feux actifs. Cette comparaison illustre les limitations de l'utilisation des pixels de feux dans l'établissement des cartes d'inventaires d'émissions par les feux de biomasse, tout en soulignant l'importance et la pertinence de la méthode retenue dans mon étude. Une comparaison avec les données de l'année 2000, obtenues selon la même procédure, souligne toute l'importance des variations interannuelles. <br />L'inventaire ABBI a été introduit dans le modèle méso-échelle MésoNH-C couplé au module aérosol ORISAM (ORganic and Inorganic Spectral Aerosol Module) [Bessagnet, 2000]. Une attention particulière a porté sur l'étude du transport des émissions de feux de végétation à travers le continent asiatique. Des comparaisons entre les données simulées et les mesures in-situ et aéroportées ont montré des résultats satisfaisants dans certains cas, mais ont également fait encore apparaître certaines limitations. Des tests de sensibilités ont été effectués pour comprendre l'origine de ces différences, avec tout d'abord une deuxième simulation avec MésoNH-C-ORISAM effectuée avec l'inventaire ACESS pour étudier l'impact des émissions de feux. Le module ORISAM dans sa version 0D a été ensuite utilisé pour mettre en évidence de manière détaillée les paramètres contrôlant la formation de l'aérosol secondaire au sein du modèle. <br />Au total, tout en faisant ressortir l'importance majeure des inventaires d'émissions gazeuses et particulaires à l'échelle continentale, ce travail va au delà de ce thème, en montrant notamment l'apport du modèle d'aérosol ORISAM à l'analyse et la compréhension des processus de chimie hétérogène dans les épisodes de pollution affectant l'Asie.

Les feux de végétation émettent de grandes quantités de composés azotés dans l'atmosphère, parmi lesquels l'ammoniac (NH3). Malgré les nombreuses études réalisées au cours des précédentes décennies, ces émissions sont toujours sujettes à de grandes incertitudes. Si les mesures in situ et par avion sont utiles à des échelles locales pour étudier les sources de NH3, elles ne permettent en revanche pas de rendre compte de sa variabilité sur une plus large échelle. Depuis quelques décennies, des sondeurs à haute résolution spectrale embarqués à bord de satellites offrent la possibilité de mesurer directement les concentrations de différents gaz en traces dans l'atmosphère sur des échelles locales à globales. C'est le cas notamment du sondeur Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI) qui fournit une couverture globale bi-journalière de la Terre avec un grand échantillonnage spatial et temporel et dont les mesures sont centrales dans cette thèse.Ce travail a pour objectif l'étude de la contribution des feux de végétation aux émissions atmosphériques de NH3 à partir des mesures du sondeur IASI. Plus précisément, il vise à répondre aux questions suivantes: (1) Quelle est la part des feux dans les émissions de NH3 dans différentes régions du globe et différents biomes? Quelle est la fiabilité des inventaires d'émissions pour celles-ci? (2) Quelle est la variabilité intra- et interannuelle du NH3 d'origine pyrogénique et comment est-elle reliée à celle d'autres composés azotés et carbonés? Peut-on détecter dans les variabilités une dépendance à certains facteurs climatiques? (3) Peut-on isoler un cycle diurne des émissions de NH3 par les feux?Cette étude est rendue possible grâce au développement d'une nouvelle méthode de restitution des colonnes de NH3 particulièrement sensible, reposant sur le calcul d'un indice spectral HRI (représentatif de la force du signal de NH3 dans le spectre IASI) et sur sa conversion en une valeur de colonne à partir d'un réseau de neurones. La grande force d'un réseau de neurones réside dans sa capacité à intégrer plusieurs centaines de paramètres en entrée sans toutefois nécessiter une importante puissance de calcul. Ceci nous permet, notamment, de considérer l'état complet de l'atmosphère pour la restitution, réduisant ainsi les dépendances résiduelles sur le HRI.Pour notre étude, nous nous focalisons tout d'abord sur les mesures de NH3 au-dessus de larges régions tropicales. L'analyse de longues séries temporelles des colonnes de NH3 montre une bonne correspondance générale avec la puissance radiative dégagée par les feux, en particulier pour la région du centre de l'Amérique du Sud où une grande variabilité interannuelle est observée, mettant en évidence l'influence du phénomène El Niño sur l'activité des feux et les émissions de NH3 dans cette région. Nous dérivons ensuite, pour ces régions tropicales, les émissions de NH3 à l'aide d'un modèle simple "boite" que nous comparons aux émissions données par les inventaires d'émissions pyrogéniques "bottom-up" GFASv1.2 et GFEDv4.1. Si la correspondance temporelle des maxima d'émission est généralement bonne, les émissions dérivées des mesures IASI sont en revanche nettement supérieures à celles des deux inventaires. Nous calculons également pour les régions tropicales des rapports d'émission de NH3 par rapport à CO (également mesuré par IASI) (ER_{NH3/CO}) pour plusieurs biomes et nous analysons leurs variabilités spatiale et temporelle. Nous observons de grandes différences dans les ER_{NH3/CO}, d'une part, entre les biomes étudiés et, d'autre part, au sein d'un biome donné pour les différentes régions et années (2008-2015). Ces différences sont attribuées à des différences dans le type de combustible et dans les conditions de combustion. La comparaison avec les rapports d'émission rapportés dans la littérature, généralement à partir de mesures in situ ou par avion, montre quant à elle une assez bonne correspondance pour les différents biomes étudiés.Nous poursuivons notre analyse en nous intéressant à deux cas de feux particulièrement intenses s'étant produits en Indonésie en 2015 et dans le Nord canadien en 2014. Pour ces deux événements, nous calculons des ER_{NH3/CO} et nous dérivons un temps de vie pour NH3 à partir de l'analyse de panaches de feux transportés. Nous trouvons un temps de vie moyen de 21.5h pour les feux d'Indonésie de 2015, environ deux fois supérieur à celui calculé pour les feux de 2014 au Canada. Pour les feux d'Indonésie, nous dérivons également des facteurs d'émission de NH3 (EF_NH3) à partir d'une estimation des émissions totales de NH3 pour cet événement. Ceux-ci se révèlent largement inférieurs à ceux utilisés dans l'inventaire GFASv1.2 et expliquent l'importante surestimation des émissions de NH3 dans GFASv1.2 comparé à celles dérivées de IASI. Finalement, nous terminons ce travail par la présentation de résultats préliminaires suggérant la mise en évidence d'un cycle diurne dans les émissions de NH3 par les feux. / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les émissions anthropiques (industrielles, agricoles, de combustion) et naturelles (biogéniques, feux de biomasse, poussières désertiques) sont autant de sources qui affectent notre atmosphère. D'un impact rapide et quantifiable sur la qualité de l'air à une probable modification climatique, leur action est variée en termes d'espèces chimiques émises et de conséquences sur l'environnement et la santé humaine. En plus d'un impact direct localement, les panaches de gaz traces et de particules émis peuvent subir un transport à longue distance. Ce transport induit des modifications de leurs caractéristiques et donc de leur impact. Une mesure locale n'est alors pas suffisante pour comprendre le problème dans son ensemble. Les missions satellitaires apportent alors une information complémentaire déterminante puisqu'elles permettent une observation à l'échelle globale pour de nombreuses espèces. Cette vision globale de la troposphère a en particulier mis en évidence l'importance du transport intercontinental de la pollution et les fortes incertitudes dans sa représentation par les modèles de chimie et transport. Ce travail de thèse a permis d'améliorer la caractérisation et la quantification de l'impact relatif des émissions locales et des espèces transportées à longue distance sur la pollution régionale en se basant sur le couplage entre observations satellitaires et modélisation. Les observations utilisées sont les mesures des réseaux de surface AIRBASE et AERONET pour concentrations et les épaisseurs optiques, des satellites MODIS et PARASOL pour les propriétés optiques des aérosols, du lidar CALIOP pour la structure verticale des panaches. La modélisation a été réalisée avec le modèle météorologique WRF et le modèle de chimie-transport CHIMERE. Afin de comparer directement les résultats des simulations aux mesures, un nouvel outil a été développé. La valeur ajoutée de cet outil par rapport aux outils de calculs de propriétés optiques déjà existants est la simulation de données lidar de niveau 1. Ainsi, ce travail illustre également l'information supplémentaire qui peut être attendue de l'utilisation des observations lidar pour l'analyse des événements de pollution particulaire. Les comparaisons entre modèle et observations ont été réalisées sur la région Euro-Méditerranéen et pendant l'été 2007, période pendant laquelle neuf évènements intenses de transport d'aérosols minéraux venant d'Afrique et de feux de forêts sur l'ensemble de la région sont venus s'ajouter aux sources anthropiques et biogéniques. Les principaux résultats montrent une contribution significative de ces sources aux dépassements du seuil de pollution tant au niveau local que régional. Spécifiquement pour les feux, nous avons pu montrer que cette source particulière de particules dans l'atmosphère était responsable à elle seule de 40 à 55% des jours de dépassements cumulés pendant tout l'été et observés en Europe de l'Est. Les informations obtenues ont aussi permis de mettre en évidence les points critiques pour la simulation des aérosols liés aux paramétrisations considérées (distribution en taille des aérosols, hauteur d'injection, diffusion verticale), aux émissions et au transport.

Bien que les émissions de gaz à effet de serre et d'aérosols carbonés par les feux tropicaux, étroitement liées aux conditions de sécheresse et à l'action anthropique, aient un impact significatif sur le cycle du carbone et sur le climat global, la dynamique passée de ces émissions reste encore peu documentée. Cette étude a pour but de caractériser les produits de combustion carbonés piégés dans les sédiments lacustres et marins, afin d'établir des enregistrements fiables de la variabilité des feux tropicaux. L'analyse du comportement de standards carbonés sur des matrices synthétiques et naturelles à l'aide de différentes techniques d'extraction a permis de discriminer, selon un degré croissant de résistance à l'oxydation : le charbon, le carbone réfractaire, et le Black Carbon (BC). Bien que l'analyse de mélanges expérimentaux présente des pertes de masse d'environ 20% dans le cas du graphite mélangé à des poudres synthétiques, la méthode d'extraction et de mesure du BC s'avère reproductible et fiable pour reconstituer les changements de concentration enregistrés dans la plupart des sédiments. L'analyse du carbone élémentaire résistant aux traitements chimiques et/ou thermique, combinée au comptage automatisé des microcharbons, a ensuite été appliquée à une séquence pélagique du Pacifique Ouest (WPWP) couvrant les derniers 360 ka, et à un enregistrement lacustre Tanzanien couvrant les derniers 4 ka. L'enregistrement marin (carotte MD972140) montre que les émissions de BC sont fortement contraintes par les variations d'insolation en région intertropicale et équatoriale (cycles de précession et semi-précession). Elles sont également associées à la variabilité (pluri)millénaire du climat de l'hémisphère nord et de la mousson d'hiver est-asiatique, et suggèrent un couplage entre le gradient zonal des précipitations dans le Pacifique Equatorial et le climat des hautes latitudes. De plus, les aérosols carbonés enregistrent clairement l'action de l'homme sur le régime des feux dans la région Indo-Pacifique, avec une forte augmentation des apports de BC et de microcharbons entre 53-43 ka et 12-10 kyr. Au lac Masoko (carotte MM8), l'abondance et la nature des assemblages de particules de charbon reflètent en partie les apports détritiques liés au ruissellement des sols forestiers ou à l'érosion lors de bas niveaux lacustres. De plus, l'augmentation rapide des aérosols carbonés (microcharbons <1µm et BC) entre 1,8 et 1,6 ka BP suggère une intensification des incendies régionaux, contemporaine de l'expansion de la métallurgie et de l'agriculture dans le Rift Est Africain. L'identification et la quantification du carbone réfractaire piégé dans le réservoir sédimentaire montre ainsi que la dynamique des feux a été fortement contrainte par la variabilité du cycle hydrologique saisonnier et pluriannuel, et par l'action anthropique. Depuis plusieurs dizaines de milliers d'années, cette dernière est probablement déterminante vis-à-vis des quantités de carbone réfractaire émises dans l'environnement.

Le régime des feux du dernier cycle climatique en Europe de l'Ouest a été étudié en analysant les microcharbons préservés dans deux carottes prélevées sur les marges du sudouest ibérique et de l'Ouest de la France. L'analyse d'image automatique à lumière transmise des microcharbons combinée à une analyse pétrographique a révélé une variabilité millénaire dans le régime des feux, caractérisée par un régime plus élevé pendant les interstadiaires (réchauffements) que pendant les stadiaires (refroidissements). Cette variabilité a été mise en relation avec la biomasse et la quantité de combustible, en particulier en Ibérie avec l'alternance de forêt méditerranéenne-bruyères (interstadiaires) et de végétation semidésertique (stadiaires). Trois phases du régime des feux de l'Ouest de la France ont été détectées au cours des évènements d'Heinrich, reliés à des changements de biomasse et de conditions environnementales. La comparaison du régime des feux de l'Ouest de l'Europe avec les occupations humaines Paléolithiques suggère que l'homme moderne n'a pas utilisé le feu de manière intensive comme outil d'aménagement de son territoire lors de son arrivée dans cette région.

Ce travail est consacré à l’étude expérimentale et numérique de la propagation des feux de végétation à l’échelle du laboratoire. Une méthode de suivi de front de flamme par caméras visibles a été développée pour reconstruire et mesurer les propriétés du front au cours du temps. Les données recueillies comprennent la vitesse de propagation (Rate Of Spread), l’épaisseur du front, les longueurs du contour du front, les profils de hauteur et la puissance du feu. Une campagne expérimentale de 105 expériences de propagation sur de la frisure de bois a été réalisée sur la plateforme PROMETHEI (Plateforme de Recherche Opérationnelle en Métrologie Thermique dédiée aux Essais Incendies) du laboratoire LEMTA. Elle contient notamment une étude de l’effet de la largeur et de la charge sur la dynamique de propagation (sur la vitesse et l’épaisseur). Une base de données (en libre accès sur internet) dédiée aux feux de végétation a été créée et fournit les positions du front de flamme (avant et arrière) pour 85 expériences. Un modèle de propagation Petit Monde à réseau de cellules hexagonales a été également développé en parallèle. Plusieurs approches sont proposées pour déterminer l’évolution de l’état des cellules : la première modélise le transfert radiatif alors que la deuxième se base sur une fonction de distribution identifiée. Un algorithme d’optimisation par essaims particulaires (PSO) est employé pour estimer les différents paramètres du modèle à l’aide des résultats expérimentaux. Le modèle Petit Monde est ensuite comparé à des expériences de propagation comprenant des coupures de combustible ou des rétrécissements/élargissements de la largeur du lit / This work is devoted to the experimental and numerical study of wildland fire spread at laboratory scale. A tracking fire front method using visible cameras was used in order to follow the fire front positions during the propagation and to evaluate some fire front properties. The data include the Rate Of Spread (ROS), the fire front width, the length of fire, the profile of flames and the Heat Release Rate. An experimental campaign of 105 fire spread tests with wood shaving as fuel was conducted on the PROMETHEI plateform (Plateforme de Recherche Opérationnelle en Métrologie Thermique dédiée aux Essais Incendies) of the laboratory LEMTA. This campaign was essentially focused on the effect of the fuel bed width and the fuel loading on the fire dynamics (particularly on the ROS and fire width). An open-source data base provides the positions of the front and backing fire as a function of time. A fire spread model based on the small world concept with a hexagonal cell network was developed. Two approaches were studied: the first one is based on a radiative transfer model for the definition of the cell states and the other one is based on an estimated distribution function. A particle swarm optimization (PSO) algorithm was used for the identification of the different parameters of the model using the experimental results. Then, the model was compared to other experiments included fuel breaks or narrowing/widening of the fuel bed width

Avec son échantillonnage spatial élevé, IASI (Interféromètre de sondage atmosphérique dans l'infrarouge) embarqué sur la plateforme MetOp, fournit 1.300.000 spectres par jour et une couverture globale bi-journalière. Cette spécificité du sondeur, qui offre la possibilité de suivre l'évolution des concentrations des espèces présentes en faible quantité dans l'atmosphère, est déterminante pour notre étude de la chimie dans les panaches de feux. Elle s'appuie<p>sur les premières observations des feux par IASI, qui ont révélé la possibilité de mesurer, en plus du CO habituellement utilisé comme traceur, plusieurs espèces chimiquement actives dans les panaches, dont NH3 et divers composés organiques. Via une analyse approfondie des spectres, nous montrons dans notre travail qu'au total 24 espèces gazeuses sont détectées dans les spectres IASI, ce qui représente une avancée majeure dans la détection par les sondeurs infrarouges au nadir.<p>Ces observations inattendues ouvrent la voie à un examen approfondi de la réactivité dans les panaches, au cours de leur transport et en fonction des conditions météorologiques locales. Nous nous sommes attachés à cette étude en ciblant principalement deux événements intenses et isolés. Le premier événement est celui des feux d'Australie de Février 2009, qui était particulier de par la hauteur d'injection du panache (haute troposphère voire basse stratosphère) mais aussi suite à la forte quantité d'aérosols émise. Le second événement est celui des feux de Russie centrale de l'été 2010, qui se caractérisent par la durée de l'épisode (d'environ un mois) mais aussi par sa très large étendue.<p>Nous avons déterminé, pour le premier événement, les masses totales d'une série d'espèces émises dans les panaches et nous les avons confrontées à celles issues du modèle de chimie-transport CHIMERE et à d'autres valeurs de la littérature. Nous montrons une évolution temporelle fortement différente pour les espèces plus réactives et supposons pour certains composés, dont HCOOH,<p>une vraisemblable source secondaire au sein du panache.<p>Pour les feux en Russie, nous avons déterminé les rapports d'enrichissement ∆X/∆CO (où X est l'espèce réactive), particulièrement utiles pour suivre la<p>chimie. Nous les comparons aux valeurs publiées dans la littérature en fonction du type de végétation brûlée. Certains aspects de la réactivité dans le panache sont mis en évidence, notamment la formation secondaire de HCOOH. Nous<p>avons également estimé les masses totales et les flux d'émission de chacune des 3 espèces émises (CO, NH3, et HCOOH), et les comparons à d'autres<p>estimations publiées dans la littérature scientifique.<p>Sur base de ces résultats, pour des événements locaux, nous menons une brève première analyse de la variabilité des émissions de gaz réactifs par les feux à l'échelle globale, en utilisant plus particulièrement les distributions de concentration de CO, NH3, et HCOOH. Nos résultats pour HCOOH/CO suggèrent une grande variabilité des rapports tant spatialement que temporellement. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La quantification des impacts sanitaires et climatiques des aérosols nécessite de pouvoir quantifier précisément leur concentration, leur composition chimique et leur distribution en taille. Parmi les nombreux aérosols émis par les activités anthropiques et naturelles, les émissions de feux de végétation et leur transport sont encore très incertains. Ce travail de thèse vise à améliorer la caractérisation de ces feux, afin de mieux les représenter par modélisation. Afin de couvrir différents types de feux, l’étude portera à la fois sur des analyses de cas en Euro-Méditerranée et en Australie. L’analyse porte tout d’abord sur les informations nécessaires afin de calculer un flux d’émissions de feux : les surfaces brulées et les hauteurs d’injection sont quantifiées par analyse d’observations satellitaires. Les observations MODIS permettent de montrer que la végétation brûlée en Europe est principalement constituée et en moyenne de surfaces agricoles (70%), tandis que les feux de savane et de maquis dominent en Australie (50% et 40%). Au sein de cette moyenne, de très fortes hétérogénéités spatiales sont relevées, avec, par exemple, des feux de forêt représentant 13% au Portugal et 65% au Sud-Est de l’Australie du total observé. A partir d’observations MISR et CALIOP, il est montré que les hauteurs d’injection sont principalement près de la surface et vers 2000 m d’altitude pour les deux régions. Les plus grandes différences d’injection sont relevées au delà de 4000 m avec 4,6-6,4% des émissions en Europe et 8,9-11% en Australie... / To determine the health and climatic impacts of aerosols, the quantification of their precise concentrations, their chemical composition and their size distribution is needed. Among the several aerosols emitted from anthropogenic and natural activities, fire emissions and their transport are still a concern. This work aims to improve the characterization of these fires, to allow a better representation in models. To cover different types of fires, the study focuses on case studies in the Euro-Mediterranean region and in Australia. First, the information needed to compute fire emission fluxes is analyzed: the burnt area and injection heights are quantified using satellite observations. MODIS observations shows that the burnt area in Europe is mainly composed, on average, of cropland (70%), whereas savannah and shrubland fires are preponderant in Australia (50% and 40%). However, strong spatial heterogeneities are noticed, with by example forest fires representing 13% of the total observed burned area in Portugal and 65% in South-West of Australia. Using MISR and CALIOP observations of plume heights, it is shown that injection heights are mainly concentrated near the surface and at about 2000 m of altitude for the two regions. The highest differences are noticed above 4000 m, with 4,6-6,4% of emissions in Europe and 8,9-11% in Australia...