L'objectif de cette thèse est de réaliser un bilan des aérosols atmosphériques sur le bassin méditerranéen et de caractériser la qualité de l'air de cette région en se focalisant sur des indicateurs d'exposition à long terme. Basés sur des simulations du modèle de chimie-transport MOCAGE, (MOdèle de Chimie Atmosphérique à Grande Échelle), les travaux portent dans un premier temps sur le développement d'un module permettant de prendre en compte les aérosols inorganiques secondaires. Ce module a été validé à différentes échelles et avec différents types de données. Le modèle MOCAGE a ensuite servi à simuler la composition chimique de l'atmosphère sur le bassin méditerranéen pour l'année 2013. Nous avons ainsi pu montrer que le bassin méditerranéen est une région exportatrice d'aérosols. Nous avons également étudié l'impact des émissions anthropiques maritimes et côtières sur le bilan des aérosols et la qualité de l'air dans la région méditerranéenne. / The objective of this thesis are to establish a budget of the atmospheric aerosols on the Mediterranean basin and to characterize air quality over this region based on long term exposition indicators. Based on simulations made with the chemical transport model MOCAGE (Modèle de Chimie Atmosphérique à Grande Échelle), the first part of this work is devoted to the development of a secondary inorganic aerosols module. This module was validated at different scales using a large variety of types of data. The MOCAGE model has then been used to simulate the chemical composition on the Mediterranean basin over the year 2013. We were able to show that the Mediterranean area is an export zone for aerosols. We also studied the impact of marine and coastal anthropogenic emissions on the aerosol budget and the air quality in the basin.

Atmospheric aerosols have adverse effects on human health, air quality, and visibility and frequently result in severe pollution events, particularly in urban areas. However, the sources of aerosols and the processes governing their behaviour in the atmosphere, including those which lead to high concentrations, are not well understood thus limit our ability to accurately assess and forecast air quality. Presented here are the first long-term chemical composition measurements from an urban environment using an Aerodyne compact Time-of-Flight Aerosol Mass Spectrometer (cToF-AMS). Organic aerosols (OA) were observed to account for a significant fraction (44%) of the total non-refractory submicron mass during 2012 at the urban background site in North Kensington, London, followed by nitrate (28%), sulphate (14%), ammonium (13%), and chloride (1%). The sources and components of OA were determined using Positive Matrix Factorisation (PMF) and attributed as hydrocarbon-like OA (HOA), cooking OA (COA), solid fuel OA (SFOA), type 1 oxygenated OA (OOA1), and type 2 oxygenated OA (OOA2), where HOA, COA, and SFOA were observed to be of equal importance across the year. The concentration of secondary OA increased during the summer yet the extent of oxidation, as defined by the oxygen content, showed no variability during the year. The main factors governing the diurnal, monthly, and seasonal trends observed in all organic and inorganic species were meteorological conditions, specific nature of the sources, and availability of precursors. Regional and transboundary pollution influenced total aerosol concentrations and high concentration events were observed to be governed by different factors depending on season. High-Resolution ToF-AMS measurements were used to further probe OA behaviour, where two SFOA factors were derived from PMF analysis in winter, which likely represent differences in burn conditions. In the summer an OA factor was identified, likely of primary origin, which was observed to be strongly associated with organic nitrates and anthropogenic emissions. This work uses instruments and techniques that have not previously been used in this way in an urban environment, where the results further the understanding of the chemical components of urban aerosols. Aerosol sources are likely to change in the future with increases in solid fuel burning as vehicular emissions decrease, with significant implications on air quality and health. Thus it is important to understand aerosol sources and behaviour in order to develop effective pollution abatement strategies.

Lors de leur séjour dans l’atmosphère, les aérosols sont soumis, entre autres, à des processus d’agrégation, ainsi que de condensation sur leurs surfaces. Ces processus, dit de vieillissement, dépendent du temps de résidence des particules dans l’atmosphère, des conditions météorologiques et de l’environnement chimique rencontré. Cette étude vise à caractériser l’aérosol inorganique et étudier son évolution physico-chimique sur quelques dizaines de milliers de mètres, dans les panaches industriels et urbains où les concentrations atmosphériques en particules fines (PM₁₀) sont relativement élevées. Il s’agit notamment de rendre compte de l’évolution des particules d’aérosol primaire lors d’épisodes de formation d’aérosols secondaires inorganiques.Dans ce cadre, dans un premier temps, une nouvelle méthodologie d’analyse des aérosols inorganiques, à basse température, par cryo-microscopie électronique (cryo-TSEM-EDX) a été mise au point. L’enjeu était notamment de rendre compte de l’état de mélange des composés atmosphériques d’origine secondaire (composés semi-volatils), avec l’aérosol primaire. Ces développements analytiques ont tout d’abord été réalisés à l’aide de composés modèles, avant d’être validés sur particules environnementales. Dans un second temps, l’étude des processus physico-chimiques mis en jeu lors du vieillissement des aérosols, à l’échelle locale (quelques kilomètres), a été réalisée au cours d’une campagne intensive de terrain sur le dunkerquois, visant à étudier plus particulièrement l’évolution des émissions industrielles en milieu urbain. Des prélèvements ont ainsi été réalisés en bordure de zone industrielle et sur de sites "récepteurs" sous l’influence potentielle des émissions industrielles. Les analyses réalisées sur ces particules par cryo-SEM-EDX ont notamment montré qu’en zone péri-urbaine, à quelques kilomètres de la zone industrielle, des particules émises par la sidérurgie, comme les oxydes de fer, évoluaient rapidement, pour se retrouver, en mélange interne, associés à de la matière organique particulaire. En parallèle, nous avons pu caractériser, sur ces sites récepteurs, la présence d’aérosols inorganiques secondaires absents de la zone source et donc formés au sein de l’air ambiant, lors du survol de l’agglomération dunkerquoise. / During their transport in the atmosphere, aerosols are subject, for example, to aggregation and condensation processes on their surfaces. These processes, so-called aging, depend on particle residence time in the atmosphere, meteorological conditions and chemical environment. This study aims to characterize inorganic aerosols and to highlight their physico-chemical evolution on a few tens of thousands meters, from an industrial area to the urban environment of Dunkirk (Northern France), in which PM₁₀ concentrations are quite important. It notably includes reporting on the evolution of primary particles during the formation of secondary inorganic aerosols. First, a new analytical methodology of inorganic aerosols, at low temperature, with cryo-electronic microscopy (cryo-TSEM-EDX) has been developed. Our goal was to characterize the mixing state of secondary atmospheric components (semi-volatile components) with primary aerosols. These analytical developments have been realized with model particles, before validation on real atmospheric particles. In a second time, the study of physico-chemical processes involved in the aging of industrial inorganic aerosols has been undertaken through an intensive field campaign. The objective is to describe the particles evolution between the industrial zone and receptor sites located in the suburb of Dunkirk. Our main results show that Fe-rich particles (Fe oxides), released in the atmosphere by steelworks, incorporate particulate organic matter in a few kilometers, between the source and receptor sites. In addition, the formation of secondary inorganic aerosols (SIA), not present at the source, has been evidenced. Clearly, these SIA have been formed during the transport of air masses over the urban area.