Les travaux présentés dans ce manuscrit porte sur le développement d’un modèle microphysique (aérosols et nuages) utilisant un schéma à deux moments. La méthode est développée dans le cas spécifique de Titan et a pour but l’intégration de modèles microphysiques sophistiqués dans les modèles climatiques (GCM). Le premier chapitre présente l’atmosphère du satellite de Saturne et plus particulièrement les aérosols la composant. Les deux chapitres suivant sont consacrés respectivement aux lois microphysiques (coagulation, sédimentation, nucléation et condensation) ainsi que l’adaptation de ces lois à la représentation en moments. Le quatrième chapitre est dédié à la modélisation de ce schéma à deux moments dans le cadre de la microphysique des nuages. Des comparaisons sur les principaux champs d’intérêt (opacité et température) sont effectués entre la représentation « classique » et la représentation en moments. Le dernier chapitre de cette thèse présente différentes études menées avec le Modèle de Climat Global (GCM) de Titan développé à l’IPSL. / This thesis work is devoted to the development of a microphysics model (aerosols and clouds) using a two-moment scheme. The method is developed in the specific case of Titan and its final purpose is the integration of sophisticated microphysics models in climate models (GCM). The first chapter introduces the atmosphere of Saturn’s moon, and especially its aerosols. The next two chapters are devoted respectively to microphysical laws (coagulation, sedimentation, nucleation and condensation) and the adaptation of these laws to the moment scheme. The fourth chapter is dedicated to the modeling of this two-moment scheme for cloud microphysics. Comparisons on specific atmospheric fields (opacity and temperature) are mad between the “classical” scheme and the two-moment scheme. The final chapter of this thesis presents different studies with the Global Climate Model (GCM) of Titan developed at IPSL.

La compréhension du rôle des aérosols atmosphériques dans le fonctionnement du système terre-atmosphère est limitée par les incertitudes sur leur répartition spatiale, leur composition et leurs sources. Si leurs impacts sur le changement climatique et l’environnement peuvent être évalués grâce aux modèles de chimie-transport, ces incertitudes en limitent la précision. Les observations satellitaires ont la capacité de fournir à l’échelle globale des informations précises sur un certain nombre de paramètres « aérosols » mais elles sont limitées par les conditions nuageuses, la périodicité des orbites et par le contenu en information, c’est-à-dire le type de paramètres que l’on peut retrouver suivant la nature de ces observations. Une approche prometteuse consiste à améliorer les champs d’émission des modèles en utilisant le principe de la modélisation inverse. Dans cette étude, nous avons conçu une méthode de restitution simultanée des sources d’émission de poussières désertiques, de carbone suie et de carbone organique à partir des produits satellitaires (POLDER/PARASOL) dérivés en utilisant l’algorithme GRASP, conjointement à une modélisation inverse du modèle GEOS-Chem. Cela nous a permis de créer une base de données d’émissions globales d’aérosols sur la période 2006 – 2011. Des simulations réalisées avec les modèles directs GEOS-Chem et GEOS-5/GOCART utilisant cette base de données montrent bien entendu un bon accord avec des observations POLDER mais aussi une nette amélioration de la modélisation de l’aérosol à l’échelle globale lorsque l’on compare les sorties à des mesures indépendantes du réseau AERONET ou à d’autres mesures spatiales (MODIS, MISR, OMI). / Understanding of the role that atmospheric aerosol play in the Earth-atmosphere system is limited by uncertainties in aerosol distribution, composition and sources. Thus, accurate chemical transport model simulation systems are crucial needed to analyse and predict atmospheric aerosols and their impacts on climate change and environment. Satellite observations have ability to provide an extensive spatial coverage and accurate aerosol products, however, are constrained by clear-sky condition, global coverage orbit cycle and information content. One of the most promising approaches is to reduce model uncertainty by improving the aerosol emission fields (i.e., model input) by means of inverse modeling relying on satellite observations as a constrain. In this study, we designed a method of simultaneous retrievals of desert dust, black carbon and organic carbon aerosol emission sources using aerosol data obtained from GRASP algorithm applied to POLDER/PARASOL satellite observations, and relying on the GEOS-Chem inverse modeling framework. Then, a satellite-based global aerosol emission database (2006-2011) has been developed. This aerosol emission database has been further evaluated by utilization in GEOS-Chem and GEOS-5/GOCART models. The model posterior simulation of aerosol properties employing the retrieved emissions shows a better agreement than the model prior simulation; it is true for not only fitted PARASOL products, but also for completely independent measurements from ground-based AERONET and satellites aerosol products (e.g., MODIS, MISR, OMI). The results suggest that the satellite-based aerosol emission database improves overall global aerosol modeling.

L’objectif de cette thèse est l’étude des caractéristiques d’émission des aérosols terrigènes ou poussières minérales avec les conditions aérodynamiques en zone source. Ces particules de poussière sont produites par érosion mécanique des sols sous l’action du vent dans les environnements désertiques et semi-désertiques. Ils sont un vecteur important de nutriments (N, P, Fer..) entre les écosystèmes terrestres et marins et influencent le bilan climatique global de par leur aptitude à diffuser et/ou absorber les rayonnements solaires et telluriques lorsqu’ils sont en suspension dans l’atmosphère. Ce travail s’est déroulé en deux étapes avec dans un premier temps des mesures expérimentales en conditions naturelles dans un champ de mil au Niger lors de deux campagnes du programme de l’Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine (AMMA) en été 2006 et 2007. Dans un second temps ces mesures ont été confrontées au modèle de production de poussière minérale le DPM (Dust Production Model) développé au LISA à partir de considérations théoriques et d’études en soufflerie. Durant les deux campagnes de mesures, trois événements érosifs dont deux modérés de type ‘mousson’ et un très énergique de type système convectif, contraints au maximum ont pu être étudiés de manière détaillée. Les mesures expérimentales confirment d’une part que le sandblasting est bien le moteur de la génération des aérosols terrigènes. Et, d’autre part comme cela avait été montré par les études en soufflerie, les flux d’émission d’aérosols terrigènes sont enrichis en particules de plus en plus fines lorsque la contrainte exercée par le vent au niveau du sol augmente. Nos résultats expérimentaux ont par la suite été comparés aux prédictions du DPM qui reproduit d’une manière plutôt satisfaisante les flux totaux en masse à condition de réduire les énergies de cohésions, déduites des mesures en soufflerie, et liant les particules fines entre elles. En revanche, lorsqu’on regarde les flux résolu en tailles, le modèle a tendance à surestimer les populations de particules les plus grossières. Ceci a nécessité de développer une nouvelle paramétrisation des flux d’émission avec les conditions aérodynamiques. Cette dernière a été testée avec satisfaction sur un événement d’érosion indépendant de ceux utilisés pour établir la paramétrisation / The aim of this work is to link quantitatively the characteristics (intensity and sizedistribution) of the flux of fine mineral particles produced by wind-erosion in a Sahelian zone with the aerodynamic conditions prevailing during the erosion events. Achieving this goal is a prerequisite for quantifying accurately 1) the transfer of soil nutrients (N, P, Fe…) from the source areas to the deposition zones located downwind, and 2) the impact on climate of air-suspended mineral particles which are able to scatter and absorb solar and terrestrial radiation. An important part of this work has been dedicated to the collection of experimental data during the 2006 and 2007 summer campaigns of the « Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine » (AMMA) experiment. Measurements were carried out at Banizoumbou (60km east of Niamey, Niger) on a sandy agricultural field representative of the Sahelian wind erodible surfaces. After describing the original experimental set-up and associated methodology, a complete study of all the types of events monitored during the field campaigns is made. Very few transport cases accompanied by significant deposition were observed (only two over the whole measuring period), but many erosion cases were recorded. The latter could result either from the temporal strengthening of the south western monsoon winds prevailing in this season (‘monsoon events’) or to the passage of convective systems accompanied by strong surface winds and often followed by rain (‘convective events’). After rigorous cross examination of the quality of the data set 2 events of the monsoon type and one of the convective type are retained for the rest of the study. In good agreement with previous wind tunnel experiments, comparing the size distributions measured during the events confirms that the emission flux is richer in very fine particles during the energetic convective event than during the less violent monsoon ones. Then, these results are compared with the predictions of the Dust Production Model (DPM) based on the previous wind-tunnel studies. It is found that the DPM is able to simulate correctly the intensity of the emission mass flux provided adequate values are selected for the binding energies of the fine particle populations identified in the laboratory experiments. However, a more detailed analysis of the size-resolved fluxes reveals that the DPM tends to overestimate the production of particles larger than 10µm and underestimate the flux of particles with sizes between 2 and 8µm. This leads us to propose a new parameterization based on a detailed study of the 3 events selected previously. This parameterization allows prediction of the changes in emission flux intensity and sizedistribution with aerodynamic conditions. In a final step, the parameterization is tested successfully on an independent erosion event

L’industrialisation du secteur porcin canadien a menée à une diminution du nombre de fermes et une augmentation de porc par bâtiment avec comme conséquence, un risque accru d’épidémies. Les mesures de biosécurité appliquées n’incluent pas d’exigences pour le contrôle des bioaérosols (voies de transmission confirmée ou suspectée pour plusieurs maladies). Certains pathogènes bactériens et viraux peuvent parcourir de longues distances dans l’air et garder leur potentiel infectieux. La recherche de méthodes visant à contrôler les bioaérosols est active et l’utilisation de technologies fiables et abordables de traitement de l’air amélioreraient le bien-être animal et pourraient réduire l’incidence des épidémies et les coûts conséquents pour l’industrie. Lors de ce programme doctoral, quatre types de traitement de l’air ont été examinés, un biofiltre percolateur, l’ozone dans un tunnel, des filtres mécaniques et des filtres antimicrobiens. Différents modèles d’exposition aux bioaérosols ont été testés comme une aérosolisation sèche ou liquide, d’origine naturelle ou artificielle. En outre, une méthode de production de poussière contaminée par des virus infectieux a été développée. Dans la première étude, un tunnel de vent a été utilisé pour aérosoliser et exposer le phage PhiX174 à l’ozone à des concentrations variables et deux conditions humidités relatives (40% et 80%). L’ozone a été généré à 0,3 à 1,8 ppm en comparaison avec des expériences sans ozone pour évaluer la perte des phages aérosolisés dans le tunnel. Les phages ont été collectés en solution liquide par deux collecteurs simultanément avec un point de référence en amont de l’ajout d’ozone (ou temps de référence zéro). Les phages ont été quantifiés par qPCR et par culture pour établir les ratios infectieux. À chaque point de prélèvement, le ratio total/infectieux a été comparé à celui au temps zéro. Les résultats de l’étude ont été difficiles à interpréter à cause d’un effet de l’ozone sur les phages dans les récipients de collecte. Ce phénomène a mené à l’application d’un facteur de correction dans les résultats observés. Après correction, une diminution significative entre les ratios a été observée entre 0, 0,3 et 0,6 ppm à 80% d’humidité relative tandis qu’aucune différence n’a été observée entre les concentrations à 40% d’humidité. iii Dans un deuxième temps, des bioaérosols artificiels ont été produits par aérosolisation sèche pour étudier leur utilité dans l’évaluation de l’efficacité de réduction des filtres mécaniques et antimicrobiens. Aucune étude à ce jour ne proposait de protocole afin de produire des aérosols viraux secs de distribution granulométrique similaire à celle rencontrée dans le milieu porcin. Un tel aérosol permettrait l’obtention de conditions expérimentales plus représentatives de l’environnement étudié car les aérosols liquides créés en laboratoire sont habituellement plus petits. Nous avons produit des bioaérosols secs de phages infectieux agrégés sur une poussière standard de diamètre aérodynamique médian en masse de 12 μm. Le protocole a permis la préparation de poussière standard contenant des phages (PhiX174 ou MS2) mais seul MS2 a montré une concentration assez élevée pour être détectée après filtration mécanique et antimicrobienne (PhiX174 a été réduit en-dessous de la limite de détection). Cette méthode pourra être appliquée à d’autres types de filtres. Finalement, un biofiltre percolateur traitant l’air d’une salle d’engraissement d’une porcherie a été évalué pour la réduction des bactéries, archées, et virus émis par les systèmes de ventilation du bâtiment. Ce projet a évalué l’impact du taux de ventilation et des températures extérieures sur l’efficacité du système percolateur grâce à une série d’échantillonnages échelonnés sur une période de 10 mois. L’effet potentiel du biofiltre percolateur comme source d’émission de bioaérosols a été étudié par analyse de biodiversité par séquençage à haut débit tandis que l’efficacité de la réduction microbienne des filtres a été testée par qPCR. Cette étude a montré que le contenu de l’air émis par le biofiltre percolateur était différent en composition de celle des échantillons d’air en amont. Les résultats de qPCR ont montré des efficacités de réduction des bioaérosols modérées à élevées pour les bactéries et les archées. Les coliphages, seuls virus aéroportés détectés dans l’air sortant de la porcherie, n’ont été réduits que faiblement, tout comme les bactéries cultivables. Aucun effet de la température extérieure n’a été identifié au niveau de l’efficacité de la réduction microbienne.

Streptococcus suis est un agent pathogène porcin causant des pneumonies, des septicémies et des méningites. Il est aussi un agent de zoonose responsable de plusieurs éclosions en Asie. Les souches de S. suis sont classifiées en 35 sérotypes basés sur la composition de leur capsule polysaccharidique. S. suis sérotype 2 cause la majorité des infections sévères et est sous-divisé en séquence types (ST). Le ST1 est associé avec des souches hautement virulentes. En Amérique du Nord, les souches communément isolées appartiennent aux ST25 et ST28, respectivement modérément et faiblement virulentes dans un modèle animal. La présence de S. suis sous forme de bioaérosols dans l’air des bâtiments porcins a été démontré. Le but de ce projet est d’étudier l’aérosolisation préférentielle de différentes souches de S. suis en utilisant une chambre expérimentale et un nébuliseur développés pour ce projet. Bien qu’un nombre supérieur de souches doivent être étudiées, les résultats du projet suggèrent que les souches hautement virulentes du sérotype 2 de ST1 semblent être préférentiellement aérosolisées et que l’aérosolisation préférentielle de S. suis semble être un processus souche dépendant. Cette étude est une preuve de concept et améliore nos connaissances sur la potentielle transmission de S. suis via les bioaérosols. / Streptococcus suis is a swine pathogen that causes pneumonia, septicaemia and meningitis. It is also a zoonotic agent responsible for outbreaks in Asia. S. suis strains are classified into 35 serotypes based on the composition of their polysaccharide capsule. S. suis serotype 2 causes the majority of severe infections and it is subdivided into sequence types (STs). The ST1 is associated with highly virulent strains. In North America, the strains most commonly isolated belong to ST25 and ST28, which are respectively moderately and weakly virulent in animal model. The presence of S. suis bioaerosols in the air of swine confinement buildings has been demonstrated. The aim of this study was to better understand the aerosolization behaviour of S. suis by investigating preferential aerosolization of different S. suis strains using in-house developed environmental chamber and nebulizer. Although more strains should be studied, the results suggest that the highly virulent serotype 2 ST1 strains seem to be preferentially aerosolized and that the S. suis preferential aerosolization is a strain-dependant process. This study is a proof of concept and increases our knowledge on the potential aerosol transmission of S. suis.

Plusieurs environnements de travail sont hautement contaminés par des bioaérosols qui sont souvent associés à l’induction de diverses pathologies respiratoires. Il est donc important de mieux définir l’impact des composantes des bioaérosols sur l’immunité mucosale pulmonaire. La cellule dendritique est à l’interface de l’individu et de son environnement et aurait un rôle dans l’initiation de réponses immunopathologiques induites par les bioaérosols. Le but de ce projet était donc de comparer comment divers agents, combinaisons d’agents, ou des échantillons issus d’environnements hautement contaminés par des bioaérosols modulaient l’activation des cellules dendritiques in vitro. Nos résultats montrent que le degré d’activation des cellules dendritiques dérivées de la moelle osseuse in vitro discriminent un agent fortement immunogène, les endotoxines, d’agents faiblement immunogènes tels les β-D glucanes et les archées Methanosphaera stadtmanae et Methanobrevibacter smithii. Nous montrons également qu’une stimulation combinée de ces agents active de façon additive les cellules dendritiques, confirmant ainsi l’importance d’étudier l’impact des bioaérosols comme un ensemble, et non pas seulement certaines composantes individuellement. De plus, la cinétique d’activation des cellules dendritiques est modulée par la nature de la stimulation, ce qui confirme l’hypothèse d’interaction entre les composantes des bioaérosols sur la réponse immune. Enfin, l’activation des cellules dendritiques permet de stratifier par classe divers environnements de travail, ce qui est corroboré par un modèle d’inflammation pulmonaire in vivo. Ce projet élargit donc notre connaissance des mécanismes sous-jacents à l’induction de réactions immunes pathologiques par les bioaérosols complexes / Several occupational settings are highly contaminated with bioaerosols, which are often associated with the induction of various respiratory pathologies. It is therefore important to define the impact of the components of bioaerosols on mucosal immunity. Dendritic cells are at the interface of the individual and his environment and play a role in the initiation of immunopathological responses induced by bioaerosols. The purpose of this project was to compare how various agents, agent combinations, or samples from environments highly contaminated with bioaerosols modulated dendritic cell activation in vitro. Our results show that the degree of activation of dendritic cells derived from the bone marrow differentiates between a highly immunogenic agent, endotoxins, from weakly immunogenic agents such as β-D glucans and archaea Methanosphaera stadtmanae and Methanobrevibacter smithii. We also show that combined stimulation of these agents additively activates dendritic cells, thus confirming the importance of studying the impact of bioaerosols as a whole, and not just individual components. In addition, the kinetics of activation of dendritic cells is modulated by the nature of the stimulation, which confirms the hypothesis of interaction between the components of bioaerosols on the immune response. Finally, the activation of dendritic cells stratifies various working environments by class, which is corroborated by an in vivo lung inflammation model. This project therefore broadens our understanding of the mechanisms underlying the induction of immunopathological reactions by complex bioaerosols.

Déposés en Antarctique de l'Est au cours des 4 derniers cycles climatiques, les aérosols volcaniques (5-50 )um) et continentaux (2-3 )um) de la carotte de Vostok constituent des traceurs de circulations atmosphériques passées. Pour reconstruire leurs trajectoires troposphériques, il est nécessaire d'identifier les sources (volcans ou régions désertiques) à l'origine des émissions des cendres et des poussières continentales. Pour cela, on compare les caractéristiques géochimiques des aérosols avec les caractéristiques des sources potentielles répertoriées. Ces analyses reposent sur les concentrations en éléments majeurs (obtenues par microsonde électronique), en éléments traces (ICPMS), et sur les compositions isotopiques en Strontium et Néodyme (TIMS). Nous avons dû adapter ces méthodes analytiques à la petite taille des aérosols et à leur très faible quantité. Les caractéristiques géochimiques des volcans sources potentiels (latitude>30oS, activité<-500 ka) sont basées sur une synthèse bibliographique. On montre que les cendres des horizons volcaniques analysés proviennent essentiellement de l'arc volcanique des îles Sandwichs (situé dans l'Atlantique Sud, à 5000 km), mais aussi d'Antarctique de l'Ouest et d'Amérique du Sud. De plus, certains horizons peuvent être utilisés comme marqueurs stratigraphiques pour dater (e.g. 141 ka) et corréler les carottes. Les caractéristiques isotopiques (Sr et Nd) des régions désertiques d'Afrique du Sud, d'Australie, du Sud de l'Amérique du Sud, d'Antarctique et de Nouvelle Zélande sont mesurées sur des échantillons prélevés in situ. On remarque qu'il est nécessaire d'utiliser, pour la comparaison avec les aérosols, la fraction granulométrique inférieure à 5 um. Il est ainsi montré que les poussières continentales déposées à Vostok au cours des 4 derniers cycles climatiques proviennent de la Patagonie en période interglaciaire (flux -1,5 mg/m2/an) comme en période glaciaire (flux -20 mg/m2/an). Une partie de cette augmentation de flux peut être expliquée par la présence de vastes épandages de particules détritiques fluvio-glaciaires qui recouvrent, en période glaciaire, la Patagonie et le plateau continental argentin émergé. L'ensemble des sources des aérosols volcaniques et continentaux est donc localisé, quelle que soit la période climatique, dans une région située du côté Atlantique de l'Antarctique, aux moyennes et hautes latitudes. Le transport des particules semble quant à lui être assuré par un courant d'ouest circumpolaire convergent versl'Antarctique. Ce travail montre donc que, à partir des aérosols volcaniques et continentaux, on peut obtenir des paléo-informations dynamiques qui, au travers des corrélations, des datations, ou des modèles de circulation atmosphérique globaux, seront utiles aux reconstitutions des climats du passé.

Un réacteur à écoulement stationnaire muni d’une tête d’injection mobile a été développé au Département Chimie et Environnement de l’École des Mines de Douai afin de mieux comprendre les processus de formation d’aérosols organiques secondaires (AOS) suite à l’oxydation en phase gazeuse de certaines espèces particulièrement réactives et/ou abondantes dans l’atmosphère. Il permet d'observer la formation des produits dans les premières étapes de la réaction à pression et température ambiantes, et en conditions stationnaires, contrairement aux chambres de simulation atmosphérique. Une première partie de ce travail a consisté à caractériser l’écoulement dans le réacteur, et à développer et optimiser les méthodes utilisées pour l’analyse de la phase gazeuse. Dans un second temps, le système a été validé du point de vue cinétique par l’étude de l’ozonolyse de pentènes méthylés et de l’α-pinène. Les coefficients de vitesse ont été déterminés en excès d’alcène et ont montré un bon accord avec les valeurs de la littérature. Pour l’un des alcènes, les deux voies réactionnelles attendues de dégradation ont été identifiées et quantifiées (en bon accord avec la seule étude existante), et un intermédiaire non oxydé, provenant du réarrangement d’un biradical Criegee, a pu être mis en évidence aux faibles temps de réaction. Enfin, la formation d’AOS par ozonolyse de l’α-pinène a été investiguée, avec caractérisation simultanée des concentrations en réactifs et produits en phase gazeuse (par analyseur d’ozone et TD/GC/FID-MS), de la distribution granulométrique des particules formées (par SMPS et HR-ToF-AMS), et de la composition chimique moyenne des particules (HR-ToF-AMS). / A steady flow reactor equipped with a mobile injection head was developed at the Chemistry and Environment Department, Ecole des Mines de Douai, to better understand the formation processes of secondary organic aerosols (SOA) following the gas phase oxidation of certain species particularly reactive and/or abundant in the atmosphere. In contrast to atmospheric simulation chambers the flow reactor allows to observe in stationary conditions the product formation in the early stages of the reaction at ambient pressure and temperature.The foremost part of this work was to characterize the reactor flow, and to develop and optimize the methods used for the gas phase analysis. In a second stage a kinetic study of the ozonolysis of methylated pentenes and α-pinene was performed to validate the system. The rate coefficients were determined in pseudo first order conditions with excess alkene and showed a good agreement with literature values. The expected oxidation pathways were identified and quantified for one alkene (in good agreement with the only study available), and a nonoxidized intermediate coming from the rearrangement of a Criegee biradical, has been found for short reaction times. Finally, the SOA formation from α-pinene ozonolysis was investigated with simultaneous characterization of the gas phase concentrations of reactants and products (by ozone analyzer and TD/GC/FID-MS), of the particle size distribution (by SMPS and HR-ToF-AMS), and of the average chemical composition of particles (HR-ToF-AMS).

Le but de cette thèse est de comprendre les origines et les processus de formation des aérosols organiques (AO) et inorganiques (AI)en Méditerranée durant différentes saisons en utilisant le modèle de chimie-transport de la plateforme de la modélisation de la qualité de l'air Polyphemus. Dans le cadre du projet de recherche ChArMEx (Chemistry Aerosol Mediterranean Experiment), des mesures des concentrations des aérosols et de leurs propriétés ont été conduites à la station ERSA du Cap Corse (île de la Corse, France) dans le bassin ouest de la Méditerranée pendant les étés 2012 et 2013 et l'hiver2014. Ce travail de thèse a également bénéficié de mesures effectuées durant des vols avions au-dessus de la Méditerranée pendant l'été 2014.Le modèle est évalué pendant les différentes périodes simulées et des processus/paramétrisations ont été ajoutés ou modifiés afin d'avoir de bonnes comparaisons modèle/mesures pour les concentrations et les propriétés des aérosols. Des études de sensitivité à la météorologie, aux émissions anthropiques et aux émissions marines, en plus des différents paramètres d’entrée du modèle sont conduites pour comprendre les origines des aérosols. La paramétrisation des émissions de sels marins est choisie de manière à avoir de bonnes comparaisons aux mesures de sodium, qui est un composé non volatil émis principalement par les sels marins. Grâce à une paramétrisation qui estime la fraction organique des émissions marines à partir de la chlorophylle-a montre que les organiques marins contribuent à moins de 2% des AO. L'évaluation du modèle montre l'importance de la description des émissions des bateaux pour la modélisation des concentrations du sulfate et des AO. Cependant, les hypothèses faites dans la modélisation de la condensation/évaporation ont beaucoup d'impact sur les concentrations simulées de nitrate et d'ammonium (équilibre thermodynamique, état de mélange).Pendant les étés 2012 et 2013, les AO sont principalement d'origine biogénique, ce qui est bien reproduit par le modèle. Les mesures enregistrent d'importantes concentrations d'AO hautement oxydés et oxygénés. Pour que le modèle reproduire non seulement les concentrations, mais également les propriétés d’oxydation et d'hydrophilicité des AO, trois processus de formation d'aérosols organiques secondaires (AOS) à partir de monoterpènes sont ajoutés au modèle: l'autoxidation qui induit la formation de composés organiques d'extrêmement faible volatilité, un mécanisme de formation du nitrate organique, et un mécanisme de formation d'un produit d'oxydation de deuxième génération. Les états d'oxydation et d'oxygénation des AO à Ersa sont bien simulés en supposant de plus la formation d'organosulfates. Des simulations hivernales montrent que les AO y sont principalement d'origine anthropique. Bien que les émissions des composés organiques semi-volatils et de volatilité intermédiaire (COVIS) qui sont manquants dans les inventaires d'émissions influencent peu les AO en été, leur influence est dominante en hiver. La contribution du secteur du chauffage résidentiel pendant la saison froide s'avère très importante. Différentes descriptions et paramétrisations des émissions et des schémas de vieillissement des COVIS sont ajoutées au modèle, c-à-d distribution de volatilité à l'émission, schéma à une étape d'oxydation vs schéma à plusieurs étapes d'oxydation et la prise en compte de composés organiques volatils non-traditionnels(COVNT). Bien que le modèle reproduise bien les concentrations des AO, les études de sensibilité révèlent que la distribution de volatilité à l'émission influence beaucoup les concentrations des AO. Néanmoins, les états d'oxydation et d'oxygénation de ces derniers restent sous-estimés par le modèle pendant l'hiver quelque soit la paramétrisation utilisée, ce qui suggère la nécessité d'ajouter au modèle d'autres mécanismes de formation des AOS à partir des précurseurs anthropiques (autoxidation, formation du nitrate organique) / This work aims at understanding the origins and processes leading to the formation of organic aerosols (OA) and inorganic aerosols (IA) over the western Mediterranean Sea during different seasons, using the air-quality model Polyphemus. In the framework of ChArMEx (the Chemistry-Aerosol Mediterranean Experiment), measurements of both aerosol concentrations and properties are performed at a remote site (Ersa) on Corsica Island in the northwestern Mediterranean sea in the summers 2012, 2013 and the winter 2014. This thesis also benefits from measurements performed during flights above the western Mediterranean Sea in the summer 2014. The model is evaluated during these periods, and different processes/parameterizations are added or modified in order to have good model-to-measurements comparisons, not only of aerosol concentrations but also of their properties. Origins of aerosols are assessed through different sensitivity studies to the meteorological model, anthropogenic emissions inventory, sea-salt emissions and different input models. The contribution of marine emissions to inorganic aerosols (IA) is important, and the parameterization of sea-salt emissions is chosen such as having good comparisons to sodium measurements, which is a non-volatile compound emitted mainly by sea salts. Marine organic aerosols (OA), which are added to the model with a parameterization that uses the chlorophyll-a concentration as a proxy parameter to model the marine chemistry, contribute to OA by only 2% at the maximum. The ground-based and airborne model-to-measurements comparisons show the importance of an accurate description of shipping emissions to model sulfate and OA concentrations. However, this is not true for nitrate and ammonium concentrations, which are very dependent on the hypotheses used in the model for condensation/evaporation (thermodynamic equilibrium, mixing state).During the summers 2012 and 2013, OA concentrations are mostly of biogenic origin, which is well reproduced by the model. Measurements show important concentrations of highly oxidized and oxygenated OA. For the model to reproduce not only the concentrations but also the oxidation and hydrophilicity properties of OA, three processes to form secondary organic aerosols (SOA) from monoterpenes are added to the model : the autoxidation process leading to the formation of extremely low volatility organic compounds, the organic nitrate formation mechanism and the second generational ageing. The high oxidation and oxygenation states of OA at Ersa are well modeled when organosulfate formation is also assumed. Winter simulations show that OA are mainly of anthropogenic origin. The influence of the anthropogenic intermediate/semi-volatile organic compound (ISVOC) emissions, which are missing from emission inventories, is low in summer. Nonetheless, the role and the contribution of ISVOC appear very significant during the winter, with a large contribution from residential heating. Different parameterizations to represent the emissions and the ageing of IS-VOC are implemented in the model, namely the volatility distribution of emissions, single-step vs multi-step oxidation scheme and non-traditional volatile organic compounds (NTVOC) chemistry. Sensitivity studies show that the volatility distribution at the emission is a key parameter to improve the modeling of OA concentrations. The model reproduces well the observed concentrations, but the observed organic oxidation and oxygenation states are strongly under-estimated, stressing the potential role of autoxidation and organic nitrate from anthropogenic precursors

Ce travail visait à améliorer la compréhension des 1ères étapes des processus menant à la formation d’aérosols organiques secondaires (AOS) lors de l’oxydation de composés organiques volatils biogéniques. Les intermédiaires de Criegee (CI) formés au cours des réactions d’ozonolyse étant soupçonnés de jouer un rôle important dans la formation d’AOS, leur devenir a d’abord été étudié à travers l’ozonolyse d’alcènes méthylés en phase gazeuse. Les coefficients de vitesse et les rendements en produits carbonylés primaires ou produits de réarrangement des CI ont ainsi été déterminés pour l’ozonolyse du 4-méthyl-1-pentène, du trans-2,2-diméthyl-3-hexène et du trans-2,5-diméthyl-3-hexène à pression et température ambiantes. De plus, les réactions d’oxydation du limonène par les radicaux °OH et par l'ozone ont été étudiées en déterminant leurs coefficients de vitesse et en caractérisant, pour la réaction d’ozonolyse, la phase particulaire (seuil de nucléation ; granulométrie des aérosols ; rendement en aérosol). Les dispositifs expérimentaux utilisés pour ces travaux étaient constitués de réacteurs à écoulement laminaire permettant d’étudier les 1ères étapes de la réaction (quelques ms à quelques min) couplés à un ensemble de techniques analytiques complémentaires pour les phases gazeuse et particulaire. En particulier, la détection indirecte d'un CI a été mise en évidence par l'utilisation d'un piégeur organique ; le coefficient de vitesse de la réaction d'oxydation du limonène par °OH ainsi que son mécanisme réactionnel ont été étudiés pour un intervalle étendu par rapport à la littérature ; les 1ères de formation de l'AOS par l'ozonolyse du limonène ont été caractérisées. / This work aimed at improving our knowledge on the first steps of secondary organic aerosol (SOA) formation through the study of some biogenic volatile organic compounds (bVOC) oxidation reactions. Criegee intermediates which are formed in ozonolysis reactions are suspected to be involved in SOA formation and thus, their fate has first been studied through ozonolysis reactions of methylated alkenes in the gas phase. Rate coefficients and yields of the primary carbonyl and Criegee rearrangement products were determined for the ozonolysis reactions of 4-methyl-1-pentene, trans-2,2-dimethyl-3-hexene and trans-2,5-dimethyl-3-hexene at ambient temperature and pressure. Besides, limonene oxidation reactions by °OH radicals and ozone have been studied by determining their rate coefficients and by characterizing the particulate phase (nucleation thresholds; size distribution; aerosol yield) in the case of ozonolysis.The experimental setups consisted of laminar flow reactors which enable to study the first reaction steps (reaction times ranging from a few milliseconds to a few minutes) coupled with several analytical techniques for both the gas and particulate phases. In particular, the indirect detection of a Criegee intermediate was evidenced by the use of an organic scavenger ; rate coefficient and branching ratios for the limonene oxidation by °OH were studied over an extended temperatures range compared to literature data ; and the first steps of SOA formation during limonene ozonolysis were characterized.