Les aérosols troposphériques influencent la composition chimique de l’atmosphère, le bilan radiatif terrestre et le climat. Après formation, les aérosols subissent des processus de vieillissement altérant leurs propriétés microphysiques et chimiques. L’étude de l’impact environnemental des aérosols à différentes échelles spatio-temporelles doit donc tenir compte des transformations physico-chimiques. Les objectifs poursuivis sont : (i) d’étudier par microscopie analytique électronique à balayage et en transmission la composition élémentaire et l'état de mélange des particules atmosphériques prélevées lors d'épisodes de charge élevée en aérosol ; (ii) d’analyser les effets des propriétés microphysiques sur les caractéristiques optiques mesurées et restituées par télédétection ; (iii) de proposer un paramétrage ainsi qu’une représentation de la composition et de la structure des particules dans les algorithmes de télédétection. Ces travaux portent sur des observations dans le Nord de la France et en Afrique de l’Ouest (Sénégal) dans le cadre du Labex CaPPA et des campagnes de terrain SHADOW. Sont inclues des analyses complémentaires de la composition chimique et de la structure de particules individuelles, de mesures in situ et par télédétection de particules urbano-industrielles, désertiques et de biomasse prélevées en surface et à différentes altitudes. Une série de simulations numériques ont été utilisées dans le but d'analyser la sensibilité des observations par télédétection à l’état de mélange des aérosols. Enfin, l'intégration d'un paramétrage de la structure en "core-shell" des particules dans les algorithmes de restitution est présentée en perspective. / Tropospheric aerosols play an important role in atmospheric chemistry, Earth’s radiative budget and climate. After their generation, aerosol can suffer ageing processes and altering their physicochemical properties. An accurate accounting for these processes requires observations of the aerosol properties on different temporal and spatial scales. The current thesis work is dedicated to: (i) study of physicochemical properties and mixing state of individual particles by means of analytical scanning and transmission electron microscopy for aerosols collected during episodes of elevated aerosol loading; (ii) analysis of the effect of microphysical properties on optical characteristics as measured and retrieved by remote sensing; and (iii) investigation of possible parameterization of aerosol composition and structure in remote sensing algorithms. The work presents observations conducted in northern France and western Africa (Senegal) as part of Labex CaPPA project and SHADOW field campaigns. It includes simultaneous analyses of collected individual particles composition and structure, remote sensing and in situ observations of urban/industrial, Saharan dust and biomass burning particles near the surface and on different altitudes. A series of numerical simulation devoted to an analysis of sensitivity of remote sensing observations to aerosol mixing state is conducted. Insights on possible parameterization of aerosol core-shell structure in retrieval algorithms are finally presented.

L'acide nitreux (HONO) est un composé atmosphérique qui influe sur la variation temporelle et l'amplitude de la formation du smog photochimique. Il est la principale source de OH le matin. Les puits et sources de HONO sont encore mal connus. Son importance dans la chimie troposphérique conduit à mieux vouloir connaître les différents processus qui font varier le bilan de l'acide nitreux atmosphérique ainsi que son implication exacte dans la capacité oxydante de l'atmosphère. L'objectif de ce travail impose (i) le développement d'un instrument de mesure de HONO (système NitroMAC), (ii) la caractérisation de l'atmosphère du milieu urbain ciblé, (iii) des campagnes de mesure dédiées à la mesure de HONO dans ces milieux et (iv) la modélisation des différents processus de production/destruction de HONO pour en étudier l'impact sur l'atmosphère. NitroMAC a été développé et calibré et possède une limite de détection entre 1 et quelques pptv. Une campagne de mesure a été lancée afin de caractériser l'atmosphère beyrouthine. Elle présente des concentrations très faibles en HONO. Par contre, la campagne de mesure effectuée à Vitry-sur-Seine présente des concentrations très élevées de HONO allant à plus de 5 ppbv. Une approche par modélisation 0D a été entreprise à la suite des deux campagnes. Les sorties de modèle montrent une surestimation de la concentration mesurée à Beyrouth. La formation excessive par voie gazeuse a causé cet écart. Tandis que dans le cas de l'agglomération parisienne, le modèle sous-estime les concentrations observées. La combinaison de trois sources supplémentaires ajoutées au schéma chimique est nécessaire pour remonter aux concentrations mesurées. Sur cette base, l'impact de l'acide nitreux sur la capacité oxydante de l'atmosphère a été abordé. Notre étude montre qu'une amélioration de la prise en compte de la concentration de HONO en milieu urbain conduit à une augmentation de la concentration des radicaux OH et de l'ozone de 95% et 12% respectivement. / Nitrous acid (HONO) is an atmospheric pollutant which influences the temporal variation and magnitude of the photochemical smog. HONO is a major precursor of atmospheric hydroxyl radicals in the lowest layer of the troposphere in the morning. Despite its importance in atmospheric chemistry, the mechanisms leading to HONO formation are still not completely understood at present. Therefore, the implication of HONO in the OH budget and the different mechanisms that vary the HONO concentrations in the troposphere are studied. The objective of this work is (i) to develop an instrument for the measurement of HONO (NitroMAC), (ii) to characterize the urban atmosphere of the measurment sites, (iii) to conduct field campaigns to measure HONO and (iv) to study the impact of the different mechanisms responsible of HONO formation by a modelling approach. NitroMAC was developed and calibrated. Its detection limit vaires from 1 to several pptv. A field campaign was conduced to characterize the atmosphere of Beirut. Weak concentrations of HONO were observed. Unlike Beirut, Vitry-sur-Seine (surrounding of Paris) showed high concentrations of nitrous acid (up to 5 ppbv). A box model was used in an attempt to explain the observed HONO concentrations at both sites. The model overestimated the concentrations in Beirut by overestimating the gas phase source. In the Vitry-sur-Seine scenario, the concentrations were underestimated. Three ONO sources were added to the model to counterbalance the underestimation. The impact of HONO over the OH and ozone budget was studied. Results show that by adding these three sources to correctly simulate HONO concentrations, OH and ozone concentrations increased by 95 and 12% (over 24 hours) respectively

L'acide nitreux (HONO) est un composé atmosphérique qui influe sur la variation temporelle et l'amplitude de la formation du smog photochimique. Il est la principale source de OH le matin. Les puits et sources de HONO sont encore mal connus. Son importance dans la chimie troposphérique conduit à mieux vouloir connaître les différents processus qui font varier le bilan de l'acide nitreux atmosphérique ainsi que son implication exacte dans la capacité oxydante de l'atmosphère. L'objectif de ce travail impose (i) le développement d'un instrument de mesure de HONO (système NitroMAC), (ii) la caractérisation de l'atmosphère du milieu urbain ciblé, (iii) des campagnes de mesure dédiées à la mesure de HONO dans ces milieux et (iv) la modélisation des différents processus de production/destruction de HONO pour en étudier l'impact sur l'atmosphère. NitroMAC a été développé et calibré et possède une limite de détection entre 1 et quelques pptv. Une campagne de mesure a été lancée afin de caractériser l'atmosphère beyrouthine. Elle présente des concentrations très faibles en HONO. Par contre, la campagne de mesure effectuée à Vitry-sur-Seine présente des concentrations très élevées de HONO allant à plus de 5 ppbv. Une approche par modélisation 0D a été entreprise à la suite des deux campagnes. Les sorties de modèle montrent une surestimation de la concentration mesurée à Beyrouth. La formation excessive par voie gazeuse a causé cet écart. Tandis que dans le cas de l'agglomération parisienne, le modèle sous-estime les concentrations observées. La combinaison de trois sources supplémentaires ajoutées au schéma chimique est nécessaire pour remonter aux concentrations mesurées. Sur cette base, l'impact de l'acide nitreux sur la capacité oxydante de l'atmosphère a été abordé. Notre étude montre qu'une amélioration de la prise en compte de la concentration de HONO en milieu urbain conduit à une augmentation de la concentration des radicaux OH et de l'ozone de 95% et 12% respectivement

La pollution atmosphérique en milieu urbain a été identifiée comme une cause importante d’impacts sanitaires, y compris de décès prématurés. En particulier, les concentrations ambiantes de polluants gazeux tels que le dioxyde d’azote (NO2) et de particules (PM10 et PM2,5) sont réglementées, ce qui implique que des stratégies de réductions d’émissions doivent être mises en place pour diminuer ces concentrations dans les lieux où la réglementation correspondante n’est pas respectée. Par ailleurs, la pollution atmosphérique peut contribuer à la contamination d’autres milieux, par exemple à travers la contribution des dépôts atmosphériques à la contamination des eaux de ruissellement.Les aspects multifactoriels et multiéchelle de la pollution en ville rendent l’identification des sources difficile. En effet, le milieu urbain est un espace hétérogène caractérisé par des structures architecturales complexes (bâti ancien côtoyant un bâti plus moderne, zones résidentielles, commerciales, industrielles, axes routiers…), des émissions de polluants atmosphériques non uniformes et par conséquent une exposition de la population à la pollution qui est variable dans l’espace et le temps.La modélisation de la pollution atmosphérique urbaine a pour vocation de comprendre l’origine des polluants, leur étendue spatiale et leur niveau de concentrations/dépôt. Certains polluants ont des temps de résidence long et peuvent séjourner plusieurs semaines dans l’atmosphère (PM2,5) et donc être transportés sur de longues distances, d’autres au contraire, sont plus locaux (NOx en proximité du trafic). La répartition spatiale d’un polluant dépendra alors de plusieurs facteurs et notamment des surfaces rencontrées. La qualité de l’air, elle, dépend fortement des conditions météorologiques, du bâti (rue-canyon) et des émissions.L’objectif de cette thèse est de traiter certains de ces aspects en modélisant : (1) la pollution urbaine de fond avec un modèle de chimie-transport (Polyphemus/POLAIR3D), qui permet d’estimer les dépôts de polluants atmosphériques par type de surfaces urbaines (toits, murs et chaussées), (2) la pollution à l’échelle de la rue en intégrant explicitement les effets du bâti de manière tridimensionnelle avec d’une part un modèle multiéchelle de chimie-transport (SinG) et d’autre part un modèle de mécanique des fluides (Code_Saturne) et (3) un processus de micro-échelle qui est la réémission des particules présentes sur la chaussée par le trafic routier avec trois formulations différentes (déterministe, semi-empirique et empirique). L’intérêt de cette thèse est de pouvoir comparer et évaluer l’opérabilité et la performance de plusieurs modèles de qualité de l’air à plusieurs échelles (région, quartier et rue) afin de mieux appréhender la caractérisation de la qualité de l’air en milieu urbain / Urban air pollution has been identified as an important cause of health impacts, including premature deaths. In particular, ambient concentrations of gaseous pollutants such as nitrogen dioxide (NO2) and particulate matter (PM10 and PM2.5) are regulated, which means that emission reduction strategies must be put in place to reduce these concentrations in places where the corresponding regulations are not respected. Besides, air pollution can contribute to the contamination of other media, for example through the contribution of atmospheric deposition to runoff contamination.The multifactorial and multiscale aspects of urban make the pollution sources difficult to identify. Indeed, the urban environment is a heterogeneous space characterized by complex architectural structures (old buildings alongside a more modern building, residential, commercial, industrial zones, roads, etc.), non-uniform atmospheric pollutant emissions and therefore the population exposure to pollution is variable in space and time.The modeling of urban air pollution aims to understand the origin of pollutants, their spatial extent and their concentration/deposition levels. Some pollutants have long residence times and can stay several weeks in the atmosphere (PM2.5) and therefore be transported over long distances, while others are more local (NOx in the vicinity of traffic). The spatial distribution of a pollutant will therefore depend on several factors, and in particular on the surfaces encountered. Air quality depends strongly on weather, buildings (canyon-street) and emissions.The aim of this thesis is to address some of these aspects by modeling: (1) urban background pollution with a transport-chemical model (Polyphemus / POLAIR3D), which makes it possible to estimate atmospheric pollutants by type of urban surfaces (roofs, walls and roadways), (2) street-level pollution by explicitly integrating the effects of the building in a three-dimensional way with a multi-scale model of transport chemistry (SinG) and (3) a microscale process which is the traffic-related resuspension of the particles present on the road surface with three different formulations (deterministic, semi-empirical and empirical).The interest of this thesis is to compare and evaluate the operability and performance of several air quality models at different scales (region, neighborhood and street) in order to better understand the characterization of air quality in an urban environment

Les populations humaines sont exposées à de très nombreux polluants. Il apparaît donc essentiel d'évaluer la toxicité de ces molécules au sein des compartiments récepteurs. En milieu urbain, de nombreux polluants (principalement hydrocarbures et métaux lourds) s'accumulent sur les surfaces imperméables (routes, toitures, parkings, bâtiments…). Ils sont remis en suspension et drainés par les eaux de pluie jusque dans les bassins d'infiltration. Ces structures ont été construites afin de réinfiltrer les eaux de ruissellement dans les nappes phréatiques sous-jacentes et de les détoxifier. Ces molécules toxiques sont capturées et accumulées au niveau des sédiments fins constitutifs des bassins, où elles peuvent atteindre des concentrations très élevées. Malgré cette forte contrainte, quelques rares invertébrés vivent dans les sédiments pollués des bassins d'infiltration, ce qui sous-entend des adaptations métaboliques, physiologiques et/ou comportementales spécifiques. L'un des plus répandus est l'oligochète aquatique Limnodrilus hoffmeisteri. Ce ver tubificidé construit des galeries (activité de bioturbation) dans les sédiments où il favorise l'activité des microorganismes sur la minéralisation de la matière organique et le recyclage des nutriments. Cette espèce présente donc un rôle essentiel dans le fonctionnement des bassins d'infiltration, et donc sur la qualité de l'eau des nappes phréatiques. Elle est aujourd'hui considérée à la fois comme une espèce sentinelle de l'état de santé de son biotope et comme un ingénieur des écosystèmes. Le premier objectif de ce travail de thèse a été de mettre en évidence les réponses écophysiologiques permettant à L. hoffmeisteri de survivre dans ces biotopes particulièrement anthropisés. Pour cela, nous avons exposé/élevé cet organisme pendant 1, 3 ou 6 mois dans des sédiments pollués issus de 3 bassins d'infiltration et un sédiment issu d'un milieu non urbanisé (sédiment témoin très peu pollué), en laboratoire. Nous avons ensuite analysé sur ce ver la survie, la consommation d'oxygène, l'état des réserves énergétiques, les concentrations de métaux lourds bioaccumulés, le stress oxydant engendré par les polluants (niveau de peroxydation lipidique) et enfin les mécanismes de protection associés (activités des principales enzymes antioxydantes). Le deuxième objectif a été de déterminer l'impact des polluants urbains sur les métabolismes aérobie et anaérobie chez L. hoffmeisteri. Pour cela, nous avons mesuré différents paramètres témoignant de l'activité mitochondriale (activités de la chaîne respiratoire mitochondriale et de l'ATP synthétase) ainsi que les concentrations des principaux produits terminaux du métabolisme anaérobie chez des vers exposés aux mêmes sédiments (4) pollués ou témoin. Cette étude a démontré que les contaminants induisent une transition partielle du métabolisme aérobie vers les voies anaérobies suite à un dysfonctionnement mitochondrial, et a aussi révélé que certains produits terminaux du métabolisme anaérobie (succinate et propionate) constituent des marqueurs pertinents de la pollution urbaine. Enfin, le troisième objectif de cette thèse a été d'évaluer l'impact d'une pollution d'origine anthropique sur l'activité d'ingénierie de L. hoffmeisteri (i.e. sur son rôle dans le fonctionnement des bassins d'infiltration). Pour cela, nous avons mesuré pendant 1 mois le comportement de fouissage de ce ver bioturbateur par tomographie aux rayons X dans des microcosmes contenant des sédiments pollués ou non. De plus, des mesures régulières des flux de nutriments, d'oxygène dissous, de CO2 et de CH4 au cours de l'expérimentation ont permis d'évaluer l'influence du taux de contamination sur le recyclage des nutriments dans nos systèmes expérimentaux. Ces mesures ont été effectuées à la fois dans des systèmes colonisés par L. hoffmeisteri, mais aussi dans des systèmes sans faune, afin de quantifier précisément le rôle de ces organismes ingénieurs / Human populations are exposed to numerous pollutants. It is now necessary to evaluate the toxicity of urban contaminants in receptor ecosystems. In anthropized areas, many pollutants (mainly hydrocarbons and heavy metals) accumulate on the impervious surfaces (roads, parks, buildings, rooftops…). During a rainfall event, these compounds are re-suspended and drained up to stormwater infiltration basins. These structures were built to detoxify and to infiltrate runoff water to underlying groundwater. Toxic compounds are captured and accumulated in the fine sediment layer of the infiltration basins, where their concentrations may achieve important concentrations. Despite this harsh constraint, a few invertebrates inhabit stormwater basin sediments and have developed specific metabolic, physiological and/or behavioural adaptations. One of the most spread is the oligochaeta Limnodrilus hoffmeisteri. This tubificid worm burrows galleries (bioturbation activity) in sediments where it enhances the organic matter mineralization and the nutrients recycling. This species has an essential role in the infiltration basin functioning and on groundwater quality. L. hoffmeisteri is considered both as a sentinel species of ecosystem health and an engineer species. The first aim of this work was to highlight the ecophysiological responses that allow L. hoffmeisteri to survive in these harsh conditions. We exposed this organism during 1, 3 or 6 months to polluted sediments (from 3 infiltration basins), under laboratory conditions. Then, we measured the survival, the oxygen consumption, the energy body stores, the oxidative stress induced by urban pollutants (through the lipid peroxidation level), and the antioxidant defence mechanisms (the activity of the antioxidant enzymes) in L. hoffmeisteri. The same analyses were realized on worms incubated 1 to 6 months in a sediment from a non-urbanized environment (considered as a low-polluted/control sediment). The second objective of the present work was to determine the impact of urban pollutants on aerobic and anaerobic metabolisms in L. hoffmeisteri. We measured several mitochondrial parameters (the mitochondrial respiratory chain activity and the ATP production rate) and anaerobic end product concentrations in worms exposed to the 4 same sediments (polluted or not). This study demonstrated that urban pollutants induced a shift from aerobic to the anaerobic metabolism, linked to a mitochondrial dysfunctioning. Moreover, this study also showed that two anaerobic end products (succinate and propionate) constitute relevant biomarkers of urban pollution. Lastly, the third goal of this thesis was to evaluate the impact of an anthropic pollution on the engineering activity of L. hoffmeisteri (i.e. its role in the infiltration basin functioning). To this end, we measured during 1 month the burrowing activity of this tubificid worm using X-ray tomography, in microcosms containing slightly or highly polluted sediments. We measured nutrients fluxes, dissolved oxygen, CO2 and CH4 concentrations during the experiment to determine the influence of the pollution rate on nutrients recycling. These measurements were also realized in microcosms with or without worms, to quantify the functional role of engineer organisms

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.