Résumé : L’Arctique est particulièrement sensible aux changements climatiques et a récemment subi des modifications majeures incluant une diminution dramatique de l’extension de la glace de mer. Notre capacité́ à modéliser et à potentiellement réduire les changements climatiques est limitée, en partie, par les incertitudes associées au forçage radiatif induit par les effets directs et indirects des aérosols, qui dépendent de notre compréhension des processus impliquant les nuages et les aérosols. La charge des aérosols est caractérisée par l’épaisseur optique des aérosols (AOD) qui est le paramètre radiatif extensif le plus important et l’indicateur régional du comportement des aérosols sans doute le plus décisif. Une de nos lacunes majeures dans la compréhension des aérosols arctiques est leur comportement durant l’hiver polaire. Cela est principalement dû au manque de mesures nocturnes d’AOD. Dans ce travail, on utilise des instruments (lidar et photomètre stellaire) installés en Arctique pour mesurer, respectivement, les profils verticaux des aérosols et une valeur intégrée dans la colonne (AOD) de ces profils. En outre, les données d’un lidar spatial (CALIOP) sont utilisées pour fournir un contexte pan-arctique et des statistiques saisonnières pour supporter les mesures au sol. Ces dernières ont été obtenues aux stations arctiques d’Eureka (80◦ N, 86◦ W) et de Ny Ålesund (79◦ N, 12◦ E) durant les hivers polaires de 2010-2011 et 2011-2012. L’importance physique des pe- tites variations d’amplitude de l’AOD est typique de l’hiver polaire en Arctique, mais suppose une vérification pour s’assurer que des artefacts ne contribuent pas à ces variations (par exemple un masque de nuage insuffisant). Une analyse des processus basée sur des événements (avec une résolution temporelle ≈ une minute) est essentielle pour s’assurer que les paramètres optiques et microphysiques extensifs (grossiers) et intensifs (par particules) sont cohérents et physiquement conformes. La synergie photomètre stellaire-lidar nous permet de caractériser plusieurs événements distincts au cours des périodes de mesures, en particulier : des aérosols, des cristaux de glace, des nuages fins et des nuages polaires stratosphériques (PSC). Dans l’ensemble, les modes fin (<1μm) et grossier (>1μm) de l’AOD obtenus par photométrie stellaire (τ[indice inférieur f] et τ[indice inférieur c]) sont cohérents avec leurs analogues produits à partir des profils intégrés du lidar. Cependant certaines inconsistances causées par des facteurs instrumentaux et environnementaux ont aussi été trouvées. La division de l’AOD du photomètre stellaire τ[indice inférieur f] et τ[indice inférieur c] a été davantage exploitée afin d’éliminer les épaisseurs optiques du mode grossier (le filtrage spectral de nuages) et, par la suite, de comparer τ[indice inférieur]f avec les AODs obtenues par le filtrage de nuages traditionnel (temporel). Alors que les filtrages temporel et spectral des nuages des cas étudiés au niveau des processus ont conduit à des résultats bons à modérés en termes de cohérence entre les données filtrées spectralement et temporellement (les épaisseurs optiques des photomètres stellaires et lidars étant toutes deux filtrées temporellement), les résultats saisonniers semblent être encore contaminés par les nuages. En imposant un accord en utilisant un second filtre, plus restrictif, avec un critère de ciel clair ("enveloppe minimale du nuage"), les valeurs saisonnières moyennes obtenues étaient de 0.08 à Eureka et 0.04 à Ny Ålesund durant l’hiver 2010-2011. En 2011-2012, ces valeurs étaient, respectivement, de 0.12 et 0.09. En revanche les valeurs d’épaisseur optique de CALIOP (estimées entre 0 et 8 km) ont légèrement diminué de 2010-2011 à 2011-2012 (0.04 vs. 0.03). // Abstract : The Arctic region is particularly sensitive to climate change and has recently undergone major alterations including a dramatic decrease of sea-ice extent. Our ability to model and potentially mitigate climate change is limited, in part, by the uncertainties associated with radiative forcing due to direct and indirect aerosol effects which in turn are dependent on our understanding of aerosol and cloud processes. Aerosol loading can be characterized by aerosol optical depth (AOD) which is the most important (extensive or bulk) aerosol radiative parameter and arguably the most important regional indicator of aerosol behavior. One of the most important shortcomings in our understanding of Arctic aerosols is their behavior during the Polar winter. A major reason for this is the lack of night-time AOD measurements. In this work we use lidar and starphotometry instruments in the Arctic to obtain vertically resolved aerosol profiles and column integrated representations of those profiles (AODs) respectively. In addition, data from a space-borne lidar (CALIOP) is used to provide a pan-Arctic context and seasonal statistics in support of ground based measurements. The latter were obtained at the Eureka (80 ◦ N, 86 ◦ W) and Ny Ålesund (79 ◦ N, 12 ◦ E) high Arctic stations during the Polar Winters of 2010-11 and 2011-12. The physical significance of the variation of the small-amplitude AODs that are typical of the Arctic Polar Winter, requires verification to ensure that artifactual contributions (such as incomplete cloud screening) do not contribute to these variations. A process-level event-based analysis (with a time resolution of ≈ minutes), is essential to ensure that extracted extensive (bulk) and intensive (per particle) optical and microphysical indicators are coherent and physically consistent. Using the starphotometry-lidar synergy we characterized several distinct events throughout the measurement period: these included aerosol, ice crystal, thin cloud and polar stratospheric cloud (PSC) events. In general fine (<1 μm ) and coarse (>1 μm )modeAODs from starphotometry ( τ[subscript f] and τ [subscript c] ) were coherent with their lidar analogues produced from integrated profiles : however several inconsistencies related to instrumental and environmental factors were also found. The division of starphotometer AODs into τ[subscript ]f and τ [subscript c] components was further exploited to eliminate coarse mode cloud optical depths (spectral cloud screening) and subsequently compare τ [subscript f] with cloud-screened AODs using a traditional (temporal based) approach. While temporal and spectral cloud screening case studies at process level resolutions yielded good to moderate results in terms of the coherence between spectrally and temporally cloud screened data (both temporally screened starphotometer and lidar optical depths), seasonal results apparently still contained cloud contaminated data. Forcing an agreement using a more restrictive, second-pass, clear sky criterion ("minimal cloud envelope") produced mean 2010-11 AOD seasonal values of 0.08 and 0.04 for Eureka and Ny Ålesund respectively. In 2011-12 these values were 0.12 and 0.09. Conversely, CALIOP AODs (0 to 8 km) for the high Arctic showed a slight decrease from 2010-2011 to 2011-2012 (0.04 vs 0.03).

Les performances de filtration des filtres de CTA vis-à-vis de particules et d’aérosols microbiens (AM) ont été étudiées ainsi quel’influence des conditions opératoires sur le comportement de microorganismes collectés sur les filtres. A l’échelle du laboratoire, une mini CTA ayant deux étages de filtration en série a été développée et validée pour l’étude de filtres prototypes ayant des géométries industrielles. Trois types de filtres de différentes efficacités ont été considérés : G4, F7 et F9 selon la norme EN 779. Deux configurations de filtres ont été étudiées : 1) G4 plan plissé/F7 à poches et 2) F7/F9 à poches. Les filtres ont été colmatés séquentiellement par des particules d’alumine, qui assurent une fraction minérale, puis du riz microniséqui apporte le champignon Penicillium chrysogenum et assure une fraction organique agissant comme substrat pour les microorganismes. Enfin, un AM composé d’endospores de Bacillus subtilis et de spores d’Aspergillus niger a été nébulisé pour la contamination des filtres. Après colmatage, des périodes de marche/arrêt de la ventilation de différentes durées (10 j ou 6 semaines) ont été simulées. Lors des reprises de la ventilation, des comptages de particules et d’AM en avaldes filtres ont été effectués. Les principaux résultats sont : (i) les filtres placés en 2ème étage présentent un colmatage plus faible que ceux du 1er étage de filtration, (ii) survie de B. subtilis, croissance de P. chrysogenum et décroissance d’A. niger sur les filtres quelle que soit la période d’arrêt de ventilation étudiée, et (iii) lors des reprises de ventilation, il n’a pas été observé de relargage d’AM pour la fraction échantillonnée.D’autre part, deux CTA à pleine échelle ont été étudiées pendant 6 mois. Une CTA ayant deux étages de filtration avec une configuration G4 plan plissé/F7 à poches, traite l’air extérieur et le souffle vers des locaux desservis. L’autre CTA correspond à l’extraction de l’air vicié d’un local pour le rejeter vers l’extérieur. La perte de charge des filtres, l’humidité relative, et la température de l’air ont été suivies en continu. L’efficacité des filtres vis-à-vis des particules et des aérosols microbiens a été mesurée une fois par mois. Une méthodologie originale de suivi mensuel de la concentration des microorganismescollectés sur les filtres a été mise en oeuvre. Les principaux résultats sont : (i) faible évolution de la perte de charge du filtre placé en 2ème étage, (ii) efficacité des filtres G4 comparable à celle des filtres G4 prototypes, (iii) efficacité du filtre F7 plus faible que celle des filtres prototypes, ce qui peut être expliqué par une différence de vitesse de filtration entre les deux échelles, (iv) le filtre G4 de la CTA-extraction contient une concentration de microorganismes 10 fois plus élevée que celle du filtre G4 de la CTA-soufflage après 6 mois de fonctionnement. / Filtration performances of Air Handling Units (AHU) filters regarding particles and microbial aerosols have been studied, as well as the influence of the AHU operational conditions on behavior of microorganisms collected on the filters. A lab-scale AHU with two successive filtration stages was developed and validated for the study of prototype filters with industrial geometries. Three types of filters of different efficiency have been considered : G4, F7 and F9 according to EN 779 Standard. Two configurations of filters were considered: 1) G4 pleated/F7 bag and 2) F7/F9 bag. Filters were sequentially clogged by alumina particles which assured a mineral fraction, and then by micronized rice particles which provides the fungi Penicillium chrysogenum and assures an organic fraction which acts as a substrate for microorganisms. Finally, a microbial aerosol composed by endospores of Bacillus subtilis and spores of Aspergillus niger was nebulized for filters contamination. After clogging, stops and restarts of ventilation were simulated for different durations (10 days or 6 weeks). During restarts of ventilation, particles and microbial aerosols samplings were performed downstream of the filters. Main results are: (i) level of clogging is significantly less important for the 2nd filtration stage than for the first one, (ii) survival of B. Subtilis, growth of P. Chrysogenum and decline of A.niger on the filters whatever the period of time studied, and (iii) during restarts of ventilation, microbial aerosols releasing was not detected for sampled fraction. Moreover, two full-scale AHU were studied during 6 months. One of the AHU studied is equipped with two filters in series: a G4 pleated filter in 1st stage and a F7 bag filter in 2nd stage. This AHU treats the outdoor air to blow it towards the indoor environments. The other one extracts the indoor air to reject it back outdoors. The filters pressure drop, relative humidity and temperature of the air were measured continuously. Filters efficiency regarding particles and microbial aerosols were measured once a month. An original methodology for the monthly estimation of the concentration of microorganisms on the filters was implemented. Main results are: (i) no significant evolution of the filter pressure drop in 2nd stage, (ii) efficiency of G4 filters are comparable to the prototype filtersone, (iii) efficiency of F7 filters are lower than prototype filters one, which can be explained by differences of filtration velocity between the two scales, (iv) after 6 months of operation, concentration of microorganisms on G4 filter of the AHU of extraction is 10 times higher than the G4 filter one of AHU who treats outdoor air.

Ce travail se concentre sur le développement et l'application de la technique du "Tandem Differential Mobility Analyser" (TDMA) pour étudier, par classe de taille, l'aérosol submicronique et ses propriétés physico-chimiques (i. e. volatilité et hygroscopicité). En premier lieu, nous avons procédé à l'optimisation et à la réalisation d'un DMA au LaMP. Ensuite, le nouveau dessin du Volatility-VTDMA (6-V-TDMA) et l'expérience acquise nous a permis de développer et de construire un nouveau système combinant le conditionnement en température et en humidité des particules de l'aérosol, le "Volatility-Hygroscopic-TDMA" (VH-TDMA), pour mesurer le changement d'hygroscopicité des particules lorsque les composés volatiles sont enlevés par processus thermique. Basé sur les résultats des particules d'aérosols synthétiques, la prochaine étape de notre travail a été d'appliquer la technique VH-TDMA pour étudier le comportement hygroscopique des particules naturelles et thermo-désorbées dans différents environnements. Nous avons montré dans notre étude qu'un faible chauffage des particules d'aérosols atmosphériques peut conduire à des changements significatifs du facteur de grossissement hygroscopique.

Le premier objectif de cette étude est d’analyser la cohérence entre les restitutions d’aérosols au-dessus des nuages (AAC) réalisées à partir de mesures spatiales passive et active. Nous avons considéré la méthode basée sur les mesures polarisées de POLDER, la méthode développée pour le lidar spatial CALIOP et la méthode basée sur le rapport de dépolarisation CALIOP (DRM), pour laquelle nous proposons une version calibrée. Nos analyses régionale et pluriannuelle globale mettent en évidence un bon accord statistique entre les restitutions DRM et POLDER AOT (R2=0,68 - échelle globale), qui donne confiance dans notre capacité à mesurer les propriétés de l'AAC. Des différences se produisent lors du contact entre les couches d'aérosols et de nuages. La méthode opérationnelle de CALIOP sous-estime l’AOT, comparé aux deux autres méthodes. Le second objectif est d'étudier l'impact des aérosols sur les propriétés des nuages et leur forçage radiatif, sur l'océan Atlantique Sud. Nous avons considéré une synergie entre les restitutions CALIOP et POLDER avec des paramètres météorologiques colocalisés. Nous réalisons des calculs de transfert radiatif dans les domaines visible et infrarouge, et analysons l'effet de la charge en aérosol sur les propriétés des nuages et la météorologie. Nous avons trouvé que les aérosols et le contenu en vapeur d’eau pourraient impacter la convection des nuages. Nos résultats montrent que sous de fortes charges de AAC, les nuages deviennent optiquement plus épais, avec une augmentation du contenu en eau liquide de 20 g.m-2 et des altitudes plus basses du sommet du nuage (~200 m); indiquant un potentiel effet semi-direct des aérosols au-dessus des nuages. / One of the main objectives of this study is to analyze the consistency between the aerosol above clouds (AAC) retrievals from passive and active satellite measurements. We consider the method based on the passive polarization measurements provided by the POLDER instrument, the operational method developed for the space borne lidar CALIOP, and the CALIOP-based depolarization ratio method (DRM), for which we also propose a calibrated version. We perform a regional analysis and a global multi-annual analysis to provide robust statistics results. Our findings show good agreement between DRM and POLDER AOT retrievals (R2=0.68 at global scale). This result gives confidence in our ability to measure the properties of AAC. Differences occur when the aerosol and cloud layers are in contact. CALIOP operational method is largely underestimating the above cloud AOT, compared to the other two methods.The second objective is to study the impact of aerosols on the cloud properties and their radiative forcing, over the South Atlantic Ocean. We perform a synergy between CALIOP vertical profiles and POLDER retrievals, with collocated meteorological parameters. We performed radiative transfer calculations in the short- and longwave domains, and analyzed the effect of aerosol loading on the cloud properties and meteorology. We found that aerosols and water vapor effects could impact the cloud convection. Our results show that under large loads of AACs, clouds become optically thicker, with an increase in liquid water path of 20 g.m-2 and their cloud top altitudes are lower by 200 m, which may indicate a potential semi-direct effect of aerosols above clouds.

L'étude de l'atmosphère de la planète Mars repose sur la compréhension de sa structure thermique et du cycle de ses aérosols (poussière minérale et glace d'eau). Pour cela, une méthode de choix est l'utilisation d'un modèle de climat général, comparé aux observations satellite. Dans cette thèse, j'emploie le modèle de climat du Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD), en incluant tout d'abord un schéma de microphysique de la glace d'eau, ce qui permet de mieux reproduire les observations satellite du cycle de l'eau martien. Je poursuis cette étude en mettant en place un schéma d'assimilation de données pour le modèle du LMD. L'assimilation de données est une technique permettant d'estimer l'état atmosphérique grâce à une combinaison optimale d'un modèle et d'observations. L'objectif est d'assimiler des observations de profils verticaux de température, poussière, et glace de l'instrument Mars Climate Sounder avec une méthode de filtre de Kalman d'ensemble. L'assimilation de la température seule montre la nécessité d'estimer la présence et la quantité de poussière au moyen des covariances de l'ensemble pour diminuer le biais entre modèle et observations. L'assimilation conjointe des profils verticaux de température, poussières, et glace d'eau montre que les limitations de l'assimilation sont dues aux biais du modèle : phasage de l'onde de marée thermique, observations de variations diurnes inexpliquées de la poussière, mauvaise prédiction sur l'emplacement des nuages de glace d'eau, et un biais froid du modèle sous le niveau de 100 Pa. Toutefois, l'estimation de la poussière permet une prédictibilité du modèle jusqu'à plus d'une dizaine de jours dans cas les plus favorables. / The study of the atmosphere of Mars is based on the understanding of its thermal structure and the cycle of its aerosols (airborne dust and water ice). To do so, one preferred method is the use of a global climate model, compared to satellite observations.In this thesis, I employ the Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD) global climate model, first including a microphysical scheme of water ice clouds, resulting in a better reproduction of satellite observations of the Martian water cycle.I continue this study with the setup of a data assimilation scheme for the LMD model. Data assimilation is a technique that estimates the atmospheric state using an optimal combination of a model and observations. The goal is to assimilate observations of vertical profiles of temperature and aerosols from the instrument Mars Climate Sounder with an ensemble Kalman filter technique. The assimilation of temperature only shows the necessity to estimate dust using the ensemble covariances in order to decrease the bias between model and observations. The joint assimilation of vertical profiles of temperature, dust, and water ice shows that the assimilation performance is limited due to model biases: an incorrect phasing of the thermal tide, unexplained observed dust diurnal variations, a wrong prediction of water ice clouds location, and a model cold bias for temperatures below 100 Pa. However, dust estimation makes possible the predictability of the atmosphere, up to around ten days in the most favorable cases.

La région arctique s’ouvre peu à peu aux activités humaines, en raison du réchauffement climatique et de la fonte des glaces, dûs en partie aux effets radiatifs des aérosols et de l'ozone. En conséquence, les émissions locales de pollution en Arctique pourraient augmenter, et devenir prépondérantes comparées à la source historique liée au transport de pollution depuis les moyennes latitudes. Dans cette thèse, j’effectue des simulations régionales de la troposphère arctique avec le modèle WRF-Chem, combiné à de nouveaux inventaires des émissions de pollution locales en Arctique (navigation et torches pétrolières). Deux cas d’étude issus de campagnes de mesure par avion sont analysés. Premièrement, j’étudie un évènement de transport d’aérosols depuis l’Europe au printemps 2008, afin d’améliorer les connaissances sur cette source majeure de pollution. Deuxièmement, je détermine l’impact des émissions de la navigation en Norvège en été 2012, où la navigation Arctique est actuellement la plus intense. J’utilise ces cas d’étude pour valider la pollution modélisée et améliorer WRF-Chem en Arctique. J’effectue avec ce modèle amélioré des simulations des impacts actuels (2012) et futurs (2050) de la navigation et des torches pétrolières en Arctique. Les résultats indiquent que les torches sont et devraient rester une source majeure d’aérosols de carbone suie réchauffant en Arctique. La navigation en Arctique est une source de pollution importante en été et, en 2050, pourrait devenir une source majeure de pollution locale. / The Arctic is increasingly open to human activity due to rapid warming, associated with decreased sea ice extent. This warming is due, in part, to the effect of short-lived atmospheric pollutants (aerosols, ozone). As a result, Arctic pollutant emissions should increase in the future, and their impacts might become significant compared to the now predominant source due to pollution transport from the mid-latitudes. In this thesis, regional simulations of the Arctic troposphere are performed with the WRF-Chem model, combined with new emission estimates for oil and gas extraction and shipping in the Arctic. The model is used to analyze two case studies from recent airborne measurement datasets: POLARCAT-France in 2008, ACCESS in 2012. First, I investigate an aerosol transport event from Europe to the Arctic in spring 2008, in order to improve our understanding of this major source of Arctic pollution. Second, I determine the air quality and radiative impacts of shipping emissions in Northern Norway in summer 2012, where most current Arctic shipping occurs. I use these results to validate modeled pollution, and to improve WRF-Chem for Arctic studies. The updated model is used to investigate the current (2012) and future (2050) impacts of Arctic shipping and Arctic gas flaring in terms of air quality and radiative effects. Results show that Arctic flaring emissions are and should remain a strong source of local black carbon aerosols, causing warming, and that Arctic shipping is already a strong source of aerosols and ozone during summer. In 2050, diversion shipping through the Arctic Ocean could become a major source of local surface aerosol and ozone pollution.

Ces travaux, effectués dans le cadre de la 4e année polaire internationale et à partir des mesures in-situ obtenues durant le projet POLARCAT-France, ont pour objectifs de fournir, dans un premier temps, une climatologie des panaches de pollution transportés depuis les continents sources (Amérique du Nord, Europe et Asie) vers l’Arctique. La climatologie contient des informations sur les propriétés physique, chimique et optique des particules d’aérosols, l’origine des panaches ayant été déterminée à l’aide du modèle lagrangien de rétro-trajectoire FLEXPART. Dans un second temps, les processus qui influent sur les propriétés des particules de pollution durant leur transport vers l’Arctique ont été étudiés. Si au cours de la campagne d’été au Groenland, il a été montré que la totalité des panaches rencontrés ont subit un processus de dépôt humide durant leur transport vers l’Arctique, la campagne de printemps au nord de la Suède a permis de mettre en avant l’évolution d’un même panache échantillonné lors de 3 vols consécutifs ainsi que des propriétés de mélange entre les contributions anthropiques et naturelles de deux panaches asiatiques. / The aims of this thesis were, in a first step, to build a climatology of pollution plumes transported from source continents to the Arctic as measured during the POLARCAT-France campaigns performed in spring and summer 2008, in the frame of the 4th International Polar Year. The climatology is including informations on aerosol particle physical, chemical and optical properties and is organized as a function of pollution plume origins (determined with the Lagrangian transport model FLEXPART). In a second step, aerosol processes which influenced aerosol properties during transport to the Arctic were studied. During the summer campaign, the whole plumes encounter experienced wet scavenging processes on their pathway to Groenland. In spring, a plume was sampled during three consecutive days and thus, its ageing was characterised. Finally, two Asian plumes allowed us to highlight the external mixing between anthropogenic and biomass burning contributions transported to northern scandinavia.

Une atmosphère saine est un besoin élémentaire pour le bien être et la santé humaine. La matière particulaire en suspension (Particle Matter, PM) est bien connue pour avoir un impact significatif sur la santé. Les mesures de PM2.5 et PM10 au niveau du sol reflètent l’influence de la dynamique de la couche limite et du mélange des aérosols locaux ou advectés sur de grandes distances. Le lien entre épaisseur optique en aerosol (aerosol optical thickness, AOT) et PM dépend de la relation entre propriétés optiques et massiques et de la distribution verticale des particules dans l’atmosphère. Nous présentons 3 expériences de terrain dédiées à la caractérisation des aérosols de pollution dans le Nord de la France: la première lors d’un évenement de pollution printanier sur Lille, la seconde durant un événement de pollution hivernal sur Dunkerque et la troisième durant des occurrences de brise de mer sur le littoral Dunkerquois. Nous avons utilisé 2 systèmes Lidar différents, le premier dans le visible (532 nm) et le second dans l’UV (355 nm); un photomètre solaire automatique et des mesures de PM2.5 et PM10 par TEOM. L’altitude supérieure de la couche de mélange (Mixed boundary layer, MBL) est détectée par Lidar et nous avons été capable de suivre le développement classique de la couche limite convective ainsi que des décroissances brutales d’altitude de la MBL dues à la brise de mer. Les profils d’extinction aérosols ont été estimés en utilisant un rapport Lidar de 67 sr à 532 nm à Lille, 77 sr à 532 nm et 30 sr à 355 nm à Dunkerque. Nous avons analysé l’impact du transport grande échelle de masses d’air polluée, du développement convectif de la MBL et du développement de la cellule de brise de mer sur les profils verticaux d’extinction en aérosols. Le signal Lidar dans les premières centaines de mètres est très bien corrélé (coefficient de corrélation supérieur à 0.9) avec les concentrations massiques mesurées au sol dans tous les cas. Il est également montré que l’introduction de la hauteur de la MBL permet une meilleure détermination des PM à partir de l’épaisseur optique. / Clean air is considered to be a basic requirement for human health and well-being. Particulate matter is known to have a significant impact on health. The variability of Particle Matter (PM2.5 and PM10) concentrations recorded at ground-level is influenced by the boundary layer dynamics, local emissions, and advection and mixing of large scale transported aerosols. The link between columnar aerosol optical thickness (AOT) and ground-level PM depends on the relationship between mass and optical properties and on the vertical distribution of aerosols in the atmosphere. We present three field experiments dedicated to the characterization of pollution aerosols in the North of France: the first one during a spring pollution episode in metropolitan area of Lille (50.61°N, 3.14°E), the second one during a winter pollution episode in the industrial coastal city of Dunkerque (51°04'N; 2°38'E) and the third one during summer sea breezes on coastal area of Dunkerque. We have used 2 different Lidar systems, one in the UV (355 nm) and the other one in the visible (532 nm), an automatic sun photometer, and PM2.5 and PM10 measurements with TEOM. The mixed layer (MBL) top altitude is detected from the Lidar signal and we were able to monitor the classical diurnal evolution of the convective continental boundary as well as short-time decreases in the MBL height due to sea breeze occurrences. The aerosol extinction profiles were estimated using a Lidar ratio of 67 sr at 532 nm in Lille, and 77 sr at 532 nm and 30 sr at 355 m in Dunkerque. We have analyzed the impact of long range transport of polluted air masses, convective development of the MBL, and sea breeze development on the vertical profile of aerosol extinction coefficient. The Lidar signal in the first few hundred meters is well correlated (correlation coefficient above 0.9) with the PM concentrations in all cases. It is found that introducing the Lidar derived MBL height enable a better estimation of PM from measured AOT. Clean air is considered to be a basic requirement for human health and well-being. Particulate matter is known to have a significant impact on health. The variability of Particle Matter (PM2.5 and PM10) concentrations recorded at ground-level is influenced by the boundary layer dynamics, local emissions, and advection and mixing of large scale transported aerosols. The link between columnar aerosol optical thickness (AOT) and ground-level PM depends on the relationship between mass and optical properties and on the vertical distribution of aerosols in the atmosphere. We present three field experiments dedicated to the characterization of pollution aerosols in the North of France: the first one during a spring pollution episode in metropolitan area of Lille (50.61°N, 3.14°E), the second one during a winter pollution episode in the industrial coastal city of Dunkerque (51°04'N; 2°38'E) and the third one during summer sea breezes on coastal area of Dunkerque. We have used 2 different Lidar systems, one in the UV (355 nm) and the other one in the visible (532 nm), an automatic sun photometer, and PM2.5 and PM10 measurements with TEOM. The mixed layer (MBL) top altitude is detected from the Lidar signal and we were able to monitor the classical diurnal evolution of the convective continental boundary as well as short-time decreases in the MBL height due to sea breeze occurrences. The aerosol extinction profiles were estimated using a Lidar ratio of 67 sr at 532 nm in Lille, and 77 sr at 532 nm and 30 sr at 355 m in Dunkerque. We have analyzed the impact of long range transport of polluted air masses, convective development of the MBL, and sea breeze development on the vertical profile of aerosol extinction coefficient. The Lidar signal in the first few hundred meters is well correlated (correlation coefficient above 0.9) with the PM concentrations in all cases. It is found that introducing the Lidar derived MBL height enable a better estimation of PM from measured AOT.

Les éclosions virales constituent des menaces persistantes pour les établissements de soins. En plus de compromettre la santé des usagers, du personnel et des visiteurs, ces éclosions représentent d'énormes défis de gestion des ressources humaines, matérielles et financières. La pandémie de SRAS-CoV-2 sévissant depuis plus d'une année a mis en lumière la méconnaissance du rôle de l'air dans la transmission des virus. Des technologies de traitement de l'air pourraient contribuer au contrôle des virus aérosolisés et éventuellement à la protection des occupants des milieux de soins. Dans le cadre de ce doctorat, une stratégie de traitement de l'air utilisant l'ozone a été testée pour inactiver des bioaérosols viraux. Afin d'obtenir un portrait de la contamination aérienne en milieu hospitalier, une campagne d'échantillonnage a été menée lors de trois éclosions d'influenza. Enfin, la production d'aérosols pendant le traitement d'échantillons en laboratoire clinique a été examinée. Dans la première étude, le norovirus murin ainsi que les bactériophages PhiX174, Phi6, PR772 et MS2 ont été nébulisés dans une chambre d'aérosols rotative et exposés à un traitement de l'air utilisant l'ozone à différents niveaux d'humidité relative. Le norovirus murin a été exposé à 0,23 ppm d'ozone et à 20% et 85% d'humidité relative alors que les bactériophages ont été exposés à 1,13 ppm d'ozone et à trois humidités relatives, soit 20%, 55% et 85%. Pour tous les virus, des temps d'exposition de 10, 40 et 70 minutes ont été évalués. Ce traitement a été comparé à une condition de référence, qui consistait en une exposition à l'air. Les aérosols ont été récupérés à l'aide d'un échantillonneur d'air et les virus ont été quantifiés en culture et par biologie moléculaire. Des ratios infectieux ont été calculés afin de déterminer la réduction de l'infectiosité virale attribuable au traitement à l'ozone. Une inactivation d'au moins deux ordres de grandeur a été observée après 40 minutes d'exposition à l'ozone à 85% d'humidité relative pour PhiX174, MS2 et MNV-1. Une exposition à la condition de référence à 20% d'humidité relative pendant 10 minutes a été suffisante pour une inactivation similaire des bactériophages PR772 et Phi6. Ce même traitement de l'air a ensuite été évalué pour l'inactivation d'aérosols d'influenza et du virus respiratoire syncytial. Toutefois, dans le cas de ce second virus, la perte d'infectiosité lors des procédés d'aérosolisation et d'échantillonnage était trop importante pour pouvoir l'exposer à l'ozone. Concernant l'influenza, des concentrations d'ozone de 0,23 et 1,70 ppm ont été testées à des niveaux faibles et élevés d'humidité relative. Deux suppléments, l'un de nature lipidique et l'autre de nature protéique, ont été ajoutés au lysat viral afin de quantifier l'effet protecteur qu'ils pourraient procurer aux virus aérosolisés. Une condition sans supplément a aussi été testée à des fins de comparaison. Une exposition pendant 80 minutes à une concentration d'ozone de 1,70 ppm combinée à une humidité relative élevée a engendré la meilleure inactivation, soit une réduction de quatre ordres de grandeur, pour les aérosols sans supplément ou additionnés de supplément protéique Lors de la troisième étude, l'air d'un milieu hospitalier en contexte d'éclosion grippale a été échantillonné à trois reprises. L'efficacité de récupération de trois appareils, dont deux fonctionnant à haut débit et un à bas débit, a été évaluée. Cette campagne a révélé une variabilité des concentrations aériennes d'influenza A et B entre les éclosions. Bien que des concentrations maximales de l'ordre de 10⁵ copies d'ARN/m³ aient été détectées, aucun virus infectieux n'a été quantifié. Finalement, la génération d'aérosols pendant le traitement d'échantillons sanguins et urinaires dans un laboratoire clinique de biochimie a été examinée. Les employés redoutaient de produire des aérosols contenant du SRAS-CoV-2 infectieux à partir d'échantillons récoltés chez des patients infectés par la COVID-19. Pour ce projet, une culture liquide d'une bactérie modèle a été employée en remplacement des échantillons cliniques. Trois méthodes de collecte ont été utilisées pour évaluer la production d'aérosols, soit le prélèvement d'air par un appareil standard, l'emploi de boîtes indicatrices et l'écouvillonnage de surfaces. Aucune bactérie n'a été récupérée par ces trois méthodes d'échantillonnage, ce qui indique que les procédures de traitement étudiées n'ont produit qu'une faible quantité d'aérosols. / Viral outbreaks are recurring threats to healthcare facilities. While putting the health of users, staff and visitors at risk, these outbreaks represent enormous challenges in the management of human, material and financial resources. The SARS-CoV-2 pandemic. The SARS-CoV-2 pandemic, which has been raging for more than a year, has highlighted the misunderstanding of the role of air in the transmission of viruses. Air treatment technologies could contribute to the control of airborne viruses and eventually to the protection of healthcare occupants. During this doctoral program, an air treatment strategy using ozone was assessed for the inactivation of viral bioaerosols. To obtain a global portrait of airborne contamination in a hospital environment, an air sampling campaign was conducted during three influenza outbreaks. At last, the aerosol production during sample treatment in a clinical laboratory was examined. In the first study, murine norovirus and bacteriophages PhiX174, Phi6, PR772 and MS2 were nebulized in a rotative aerosol chamber and exposed to an air treatment using ozone at different relative humidity levels. The murine norovirus was exposed to 0.23 ppm of ozone and 20% and 85% of relative humidity while the bacteriophages were exposed to 1.13 ppm of ozone and three relative humidity: 20%, 55% and 85%. For all viruses, exposure times of 10, 40 and 70 minutes were evaluated. This treatment was compared to a reference condition, which was air exposure. The aerosols were collected with an air sampler and viruses were quantified using both culture and molecular biology. Infectious ratios were calculated to determine the viral infectivity reduction that was attributable to ozone. An inactivation of at least two orders of magnitude was obtained for an ozone exposure of 40 minutes at 85% of relative humidity for PhiX174, MS2 and MNV-1. Exposure to the reference condition at 20% of relative humidity for 10 minutes was sufficient for a similar inactivation of bacteriophages PR772 and Phi6. The same air treatment was then evaluated for the inactivation of influenza or respiratory syncytial virus aerosols. However, the infectivity loss of the respiratory syncytial virus during aerosolization and sampling processes was too elevated for ozone exposure. For influenza, ozone concentrations of 0.23 and 1.70 ppm were tested at low and high relative humidity levels. Two supplements, one lipid-based and the other protein-based were added to the viral lysate to quantify their protective effect for airborne viruses. A condition without a supplement was also tested for comparison purposes. Exposure to 1.70 ppm of ozone at high relative humidity for 80 minutes yielded the greatest inactivation, which was a reduction of four orders of magnitude for aerosols without supplement or with the protein-based supplement. In the third study, the air in a hospital environment during influenza outbreaks was sampled three times. The collection efficiency of three air samplers, two high flowrate and one low flowrate, was evaluated. This campaign revealed a variability between outbreaks in regards to airborne influenza A and B concentrations. While concentrations of up to 10⁵ RNA copies/m³ were detected, no infectious virus could be quantified. Lastly, aerosol generation during blood and urine sample treatment in a clinical biochemistry laboratory was examined. Employees feared producing infectious SARS-CoV-2 containing aerosols from samples collected from COVID-19 infected patients. For this project, a liquid culture of a model bacteria was employed to replace clinical samples. The sampling methods were used to evaluate aerosol production: air sampling using a standard device, the use of settling plates and surface swabbing. No bacteria were recovered by these three sampling methods, which indicates that the studied sample treatment procedures produce low quantities of aerosols.

Les travailleurs des centres de traitement des eaux usées sont souvent atteints de maladies reliées à l’exposition virale telles que le rhume, la grippe et les infections gastro-intestinales. Dans la littérature, plusieurs études ont caractérisé les bactéries présentes dans les eaux usées ainsi que les bactéries dans les aérosols de ces centres de traitement. Les virus dans les eaux usées ont aussi été dans la mire de certaines études. Cependant, malgré le fait que les maladies affectant les travailleurs soient majoritairement de cause virale et que certains virus pathogènes aient été démontrés pour être capables de se transmettre par l’air, seule une minime quantité d’études a décrit jusqu’à présent les aérosols viraux de ces environnements. Qu’en est-il des virus aérosolisés qui peuvent provoquer ces maladies chez les travailleurs? Auxquels virus potentiellement pathogènes les travailleurs sont-ils exposés chaque jour dans ces environnements de travail? Cette étude avait pour but d’échantillonner l’air de quatre centres de traitement des eaux usées à l’aide de différents échantillonneurs pour décrire la communauté virale dans les aérosols et, ultimement, d’identifier les virus aérosolisés qui peuvent mettre en danger la santé des travailleurs. Onze virus ont été sélectionnés en fonction de leur présence dans les eaux usées et quantifiés de manière spécifique par une technique de biologie moléculaire appelée qPCR. De plus, une étude métagénomique a été effectuée sur des échantillons d’air de très grands volumes dans l’une des usines à l’étude afin de caractériser les communautés virales totales présentes dans l’air des centres de traitement. Les échantillons d’air ont été pris à deux reprises dans chaque centre, une fois durant la saison d’été et une fois durant la saison d’hiver afin de déterminer l’effet de la température de l’eau sur le type de virus aérosolisés. / Wastewater treatment center (WTCs) workers may be vulnerable to diseases caused by viruses, such as the common cold, influenza and gastro-intestinal infections. Although there is a substantial body of literature characterizing the microbial community found in wastewater, only a few studies have characterized the viral component of WTC aerosols, despite the fact that most diseases affecting WTC workers are of viral origin and that some of these viruses are transmitted through the air. In this study, we evaluated in four WTCs the presence of 11 viral pathogens of particular concern in this milieu and used a metagenomic approach to characterize the total viral community in the air of one of those WTCs. The presence of viruses in aerosols in different locations of individual WTCs was evaluated and the results obtained with four commonly used air samplers were compared. We detected four of the eleven viruses tested, including human adenovirus (hAdV), rotavirus, hepatitis A virus (HAV) and Herpes Simplex virus type 1 (HSV1). The results of the metagenomic assay uncovered very few viral RNA sequences in WTC aerosols, however sequences from human DNA viruses were in much greater relative abundance.