Les aérosols atmosphériques à l'Observatoire Pierre Auger : caractérisation et effet sur l'estimation de l'énergie des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie.L'Observatoire Pierre Auger, situé dans la province de Mendoza en Argentine, réalise actuellement de grandes avancées dans la connaissance de la nature et de l'origine des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie. Utilisant une technique de détection hybride, basée sur des détecteurs de surface et des télescopes de fluorescence, il fournit une large statistique, une bonne résolution en énergie, et un contrôle solide des incertitudes systématiques.L'un des principaux défis pour la technique de détection par fluorescence est la compréhension de l'atmosphère, utilisée comme un calorimètre géant. Afin de réduire autant que possible les incertitudes systématiques sur les mesures par fluorescence, la Collaboration Auger a développé un important programme de suivi de l'atmosphère. Le but de ce travail est d'améliorer notre compréhension sur les aérosols atmosphériques, ainsi que leur effet sur la propagation de la lumière de fluorescence.En utilisant un modèle de rétrotrajectographie des masses d'air, il a été montré que les nuits pauvres en aérosols ont des masses d'air provenant plus directement de l'Océan Pacifique. Pour la première fois, l'effet de la taille des aérosols sur la propagation de la lumière a été estimé. En effet, selon l'approche Ramsauer, les gros aérosols ont le plus grand effet sur la diffusion de la lumière. Ainsi, la dépendance en taille a été ajoutée aux paramétrisations décrivant la diffusion de la lumière et utilisée par la Collaboration Auger. Une surestimation systématique de l'énergie et du maximum de développement de la gerbe Xmax est observé.Enfin, une méthode basée sur les tirs laser très incliné produit par le laser central d'Auger a été développée pour estimer la taille des aérosols. Des tailles d'aérosols jusque là jamais détectées à l'Observatoire Pierre Auger peuvent à présent être contraintes. De premiers résultats montrent une population d'aérosols de grande taille en utilisant des tirs laser effectués dans le passé. / Atmospheric aerosols at the Pierre Auger Observatory: characterization and effect on the energy estimation for ultra-high energy cosmic rays.The Pierre Auger Observatory, located in the Province of Mendoza in Argentina, is making good progress in understanding the nature and origin of the ultra-high energy cosmic rays. Using a hybrid detection technique, based on surface detectors and fluorescence telescopes, it provides large statistics, good mass and energy resolution, and solid control of systematic uncertainties.One of the main challenges for the fluorescence detection technique is the understanding of the atmosphere, used as a giant calorimeter. To minimize as much as possible the systematic uncertainties in fluorescence measurements, the Auger Collaboration has developed an extensive atmospheric monitoring program. The purpose of this work is to improve our knowledge of the atmospheric aerosols, and their effect on fluorescence light propagation.Using a modelling program computing air mass displacements, it has been shown that nights with low aerosol concentrations have air masses coming much more directly from the Pacific Ocean. For the first time, the effect of the aerosol size on the light propagation has been estimated. Indeed, according to the Ramsauer approach, large aerosols have the largest effect on the light scattering. Thus, the dependence on the aerosol size has been added to the light scattering parameterizations used by the Auger Collaboration. A systematic overestimation of the energy and of the maximum air shower development Xmax is observed.Finally, a method based on the very inclined laser shots fired by the Auger central laser has been developed to estimate the aerosol size. Large aerosol sizes ever estimated at the Pierre Auger Observatory can now be probed. First preliminary results using laser-shot data collected in the past have identified a population of large aerosols.

Dans cette thèse, nous analysons les principales caractéristiques des aérosols atmosphériques sur un site urbain en Afrique de l’Ouest : la ville de Ouagadougou. Cette analyse est suivie de l’évaluation du forçage radiatif produit par cette population d’aérosols au sommet de l’atmosphère, dans la couche atmosphérique ainsi qu’à la surface terrestre. Une étude climatologique des propriétés optiques (épaisseurs optiques, exposant d’Angström, albédo de simple diffusion, facteur d’asymétrie) et microphysiques (distribution granulométrique, indice complexe de réfraction) a été effectuée sur la base des données de mesures et d’inversions photométriques du réseau AERONET. L’analyse de ces données a permis de définir à diverses échelles de temps les différentes variabilités des propriétés étudiées. Ces propriétés ont mis en exergue les effets combinés de l’activité anthropique, du cycle de production des poussières minérales d’origine saharienne, de la succession saisonnière et la dynamique du climat spécifiques à cette région de la terre. La composition du panache d’aérosols a également été déduite de l’analyse des données optiques, et les conclusions tirées se sont avérées être en bon accord avec des mesures chimiques effectuées au LSCE sur des échantillons obtenus par prélèvement manuel sur filtres. Le bilan radiatif a été évalué en utilisant le modèle GAME. Cette simulation a montré une forte corrélation du forçage avec la succession des saisons sèche et humide, avec des valeurs extrêmes au mois d’Août (humide) et de Mars (sec avec poussières maximales). Les résultats traduisent un refroidissement en surface pouvant atteindre -41 W/m 2 en Mars, un réchauffement de la couche atmosphérique qui va de 15 à 35 W/m 2 environ et un refroidissement au sommet de l’atmosphère compris entre -2 et -6 W/m 2 . La représentation du forçage calculé en fonction de l’albédo de simple diffusion a montré une tendance linéaire avec un coefficient de corrélation traduisant une fiabilité de nos résultats de l’ordre de 88%. La cohérence des valeurs simulées a été aussi montrée par une comparaison avec des résultats obtenus dans la région Ouest Africaine par d’autres chercheurs utilisant des techniques différentes. De même, la représentation de l’efficacité radiative simulée en fonction de celle inversée par AERONET a montré un très bon accord. / In this thesis, we analyze the main characteristics of atmospheric aerosols on an urban site in West Africa: Ouagadougou. This analysis is followed by an assessment of the radiative forcing produced by this population of aerosols at the top of the atmosphere, in the atmospheric layer and at the Earth's surface. A climatological study of the optical properties (optical thickness, Angstrom exponent, single scattering albedo, asymmetry factor) and microphysical properties (particle size distribution, complex refractive index) was performed on basis of data obtained from photometric measurement and inversions of AERONET network. The analysis of these data allowed us to define the different variabilities of the properties studied at various time scales. These properties have highlighted the combined effects of human activity, the cycle production of mineral dust from the Sahara region, the seasonal succession and the climate dynamics known in this region of the earth. The composition of the aerosol plume was also deduced from the analysis of optical data, and the conclusions were found to be in good agreement with chemical analysis carried out at LSCE on samples obtained by sampling on filters at Ouagadougou. The radiation balance was assessed using the GAME model. This simulation showed a strong relationship of the radiative forcing with the succesion of wet and dry seasons, with extreme values in August (wet) and Mars (dry with maximum dust emissions). The results showed a cooling at the surface that can reach -41 W / m 2 in March, a warming of the atmosphere, ranging from 15 to 35 W / m 2 about and a cooling at the top of the atmosphere between -2 and -6 W / m 2 . The representation of the radiative forcing calculated as a function of the single scattering albedo showed a linear trend with a correlation coefficient reflecting relatively good reliability of our results (about 88%). The consistency of simulated values was also shown by a comparison with the results obtained in the West African region by other researchers using different techniques. Similarly, the representation of the radiative efficiency simulated as a function of the inverted AERONET one showed a very good agreement.

Air quality in the Mexico City Metropolitan Area (MCMA) is the subject of many studies due to concerns from high emissions and their adverse effects on public health and the environment. In this study, a high resolution simulation is performed with the Community Multi-scale Air Quality modeling system (CMAQ) using meteorology generated by the Weather Research Forecasting system (WRF). The boundary conditions for CMAQ are provided by the Goddard Earth Observing System-CHEMistry model (GEOS-Chem). The simulation period was March 2-7, 2006. Hourly species concentrations of O3, NOx, CO, SO2, PM10, and PM2.5 for the period were provided by the Automatic Air Quality Monitoring Network (labeled as RAMA). Preliminary evaluation showed GEOS-Chem and CMAQ being in good agreement with their predicted concentrations. In comparison with the base case boundary conditions, the GEOS-Chem case performs better and predicts closer to the observed values of O3, NOx, PM10, PM2.5, and SO2. Particle trajectory analysis was performed using the HYbrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory model (HYSPLIT) to ascertain the major sources of SO2 emitters and their impact on the MCMA.

In this study, following a severe accident at Kozloduy nuclear plant in Bulgaria how Turkey would be affected was investigated. The severe accident refers to core meltdown accident with catastrophic failure of containment. The model used is HySPLIT model developed in America. The worst day was predicted considering deposition of radionuclides. For initial runs, accidental release of I-131 and Cs-137 radionuclides was modeled for each day of year 2000 to find the worst day, seen to result from release beginning on April 7th 2000. After modeling release of all radionuclides for the worst day, radiation dose at different receptors, 12 most populated cities over Turkey has been calculated via different pathways. Late effects, fatal cancer, non-fatal cancer and hereditary risks, has been investigated for these receptors. The mostly affected part of Turkey was Marmara region and fatal cancer risk therein was 7x10-2 %. The collective health risk throughout Turkey was approximately 20 600 people. The same approach was then applied for investigating health risk of proposed nuclear reactor at Akkuyu, Turkey. In this case, the worst day was resulted from release beginning on 21st of February 2000. The worst affected part was the narrow strip in Central Anatolia extending to the north-eastern cost and fatal cancer risk in this region was 3.4x10-1 %. The collective health risk over Turkey was approximately 30 600 people. The results showed that Kozloduy nuclear plant has dominating effect throughout Turkey, but proposed Akkuyu reactor affects very limited region.

Les aérosols atmosphériques à l'Observatoire Pierre Auger : caractérisation et effet sur l'estimation de l'énergie des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie.L'Observatoire Pierre Auger, situé dans la province de Mendoza en Argentine, réalise actuellement de grandes avancées dans la connaissance de la nature et de l'origine des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie. Utilisant une technique de détection hybride, basée sur des détecteurs de surface et des télescopes de fluorescence, il fournit une large statistique, une bonne résolution en énergie, et un contrôle solide des incertitudes systématiques.L'un des principaux défis pour la technique de détection par fluorescence est la compréhension de l'atmosphère, utilisée comme un calorimètre géant. Afin de réduire autant que possible les incertitudes systématiques sur les mesures par fluorescence, la Collaboration Auger a développé un important programme de suivi de l'atmosphère. Le but de ce travail est d'améliorer notre compréhension sur les aérosols atmosphériques, ainsi que leur effet sur la propagation de la lumière de fluorescence.En utilisant un modèle de rétrotrajectographie des masses d'air, il a été montré que les nuits pauvres en aérosols ont des masses d'air provenant plus directement de l'Océan Pacifique. Pour la première fois, l'effet de la taille des aérosols sur la propagation de la lumière a été estimé. En effet, selon l'approche Ramsauer, les gros aérosols ont le plus grand effet sur la diffusion de la lumière. Ainsi, la dépendance en taille a été ajoutée aux paramétrisations décrivant la diffusion de la lumière et utilisée par la Collaboration Auger. Une surestimation systématique de l'énergie et du maximum de développement de la gerbe Xmax est observé.Enfin, une méthode basée sur les tirs laser très incliné produit par le laser central d'Auger a été développée pour estimer la taille des aérosols. Des tailles d'aérosols jusque là jamais détectées à l'Observatoire Pierre Auger peuvent à présent être contraintes. De premiers résultats montrent une population d'aérosols de grande taille en utilisant des tirs laser effectués dans le passé.

La région Caraïbe est régulièrement survolée par des masses d'air chargées en poussières désertiquesd'origines saharienne et sub-saharienne. Pour quatre îles de l'arc antillais : Porto Rico, Guadeloupe, Martinique etBarbade; nous avons évalué l'origine de la pollution particulaire et son impact sur la qualité de l'air, en effectuant uneétude statistique des évènements de poussière qui s'appuie sur les réseaux de mesure de qualité de l'air implantés surchacune des îles, sur le réseau international de mesures photométriques AERONET et sur les données deradiosondages réalisés localement. La première étape de notre travail, a visé à définir ce que l'on pouvait qualifier« d'épisode de poussières désertiques» dans notre région en établissant des critères utilisant le jeu de données dontnous disposions. Deuxièmement, nous avons réalisé une étude climatologique des évènements poussiéreux dans laCaraïbe au cours de la dernière décennie (2006-2016). Le troisième axe de la thèse repose sur la caractérisation de lataille des particules afin de mettre en relief les effets du transport à longue distance. Nous avons clôturé notre étudepar la description de la structure verticale de l'atmosphère de la zone tropicale en situation de « brumes de poussièredésertique » afin d'observer les effets thermodynamiques des aérosols minéraux sur la couche atmosphérique. Ladéfinition des évènements de brumes désertique que nous avons adoptée nous a permis de prendre en considérationune grande partie des évènements poussiéreux affectant l'arc antillais, ce qui nous a amené à mieux cerner le cycle detranspon des poussièl'es désertiques au terme d'une étude basée sur onze années de données. / The Caribbean region is regularly flown over by desert dust air masses (Saharan Air Layer) corne fromSaharan and sub-Saharan area. For four islands of the West Indies arc: Puerto Rico, Guadeloupe, Martinique andBarbados; we assessed the origin of polluting particles and their impact on air quality, by performing a statistical andclimatological study of desert dust events. We therefore based on the air quality measurement networks, theinternational AEronet RObotic NETwork (AERONET) photometric measurements installed on each of these islands.And finally, this study builds on sounding data produced locally.The first step in our work was to define and describe an "desert dust episode" in the tropical region. Thus, we studiedthe relationship of correlation between Aerosols Optical Depth (AOD), Angstrom Exponent (AE, characterizing theparticle size) and Particulate Matter 10 microns or Jess in diameter (PM10 data). On the other hand, the radiativeproperties (Single Scattering Albedo, refractive indexes) have been used to highlight sea sait contribution (coarseparticle just as dust particle) that significantly influences PM10 measurement due to the geographical context ofCaribbean islands. Our investigations led us to propose a daily PM 10 threshold at 35 μg m·3 that mainly associatedwith desert dust phenomenon. This latter is more suited for the Lesser Antilles compared to the European PM10threshold related to desert dust events: 50 μg m·3.As a result, a climatological study of dusty events in the Caribbean during the last decade (2006-2016) is carried out.Four dust seasons were identified: the high dust season (May to August), the low dust season (November to February,and two intermediate periods (March to April, September to October). We then examine dust exportation fromAfrican coasts toward the Lesser Antilles (Puerto Rico, Guadeloupe Martinique and Barbados) by mean of backtrajectories[Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory (HYSPLIT) mode\] displaying atmosphericcirculation day-to-day over the Atlantic Ocean.This analysis enabled us to better understand the seasonal cycle of desert dust transportation, specific to each island(Puerto Rico, Guadeloupe, Martinique, Barbados); while most of the previous studies treats average data including thewhole Caribbean zone. lt emerges that islands are not affected by dust events similarly, i.e. by intensity of events andits includes some variation in dust periods.Lastly, we describe the vertical structure of the tropical zone atmosphere in situation of "desert dust events" and"Non-desert dust event" to observe the thermodynamic effects of minerai aerosols on the Caribbean atmosphericlayer. This analysis allowed us to consider desert dust aerosols effects on the thermodynamic parameters(Temperature and humidity) during the dry-season (November to April) named "câreme" and the wet season (May toOctober) named "hivernage".

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O efeito causado pode ser imediato ou a m?dio ou longo prazo, uma vez que a polui??o, dependendo das condi??es meteorol?gicas e topogr?ficas locais, pode ser de dif?cil dispers?o. O material particulado ? um dos poluentes que apresenta maior perigo, por se tratar de part?culas muito finas, que penetram no organismo humano com facilidade. O objetivo deste estudo foi analisar e comparar a concentra??o do PM10 em tr?s regi?es do estado Rio de Janeiro: Cidade de Deus, Serop?dica e Duque de Caxias, verificando se o tipo de atividade desenvolvida (urbana, rural ou industrial) exerce influ?ncia nos n?veis de polui??o. Al?m disso, verificar se os padr?es de qualidade do ar adotados pelo Brasil est?o sendo respeitados nas tr?s regi?es de estudo e realizar um estudo de caso para analisar a trajet?ria e deposi??o dos poluentes utilizando o modelo de trajet?rias ?HYSPLIT?. Para o estudo em quest?o, os dados di?rios do PM10, de 1998 a 2013 foram fornecidos pelo Instituto Estadual do Ambiente (INEA-RJ). A regi?o de Serop?dica apresenta caracter?sticas rurais, Cidade de Deus ? uma regi?o urbana e Duque de Caxias, caracterizada como industrial. A an?lise envolveu t?cnicas de imputa??o de dados, bem como a an?lise de s?ries temporais e testes estat?sticos. Como resultados iniciais, destacam-se as diferen?as entre as m?dias das regi?es, sendo que a ?rea com caracter?stica rural, Serop?dica, apresentou menor concentra??o m?dia de PM10, 26,6 ?g m-3, enquanto que as regi?es de Cidade de Deus e Duque de Caxias apresentaram m?dias superiores a 67 ?g m-3. Identificou-se que os padr?es de qualidade do ar n?o foram respeitados na maioria dos dias em estudo nas regi?es urbana e industrial, ao contr?rio da regi?o rural, o que sugere que o tipo de atividade desenvolvida na regi?o pode estar influenciando na presen?a e concentra??o do PM10. Espera-se que este estudo possa servir de base para a elabora??o de pol?ticas p?blicas, proporcione conhecimento e conscientiza??o da popula??o quanto a import?ncia da redu??o da emiss?o de poluentes. / The study of atmospheric pollution is becoming more common, the air pollution is the result of gas, suspended solid and liquid particles contamination in the atmosphere. The caused effect might be immediate or in the medium or long term, since the pollution, depending of the meteorological conditions and local topographics, can be of difficult dispersion. The particulate matter is one of the most dangerous pollutants, since it?s made of microscopic particles, that easily penetrates the human organism. The purpose of this study was to analyze and compare the concentration of PM10 in three regions of the state of Rio de Janeiro: Cidade de Deus, Serop?dica and Duque de Caxias, verifying if the kind of activity developed (urban, rural or industrial) has influence over the pollution levels. In addition to that, verifying if the air quality standards adopted in Brazil are being respected on the three regions of study and to conduct a case study of the pollutants? trajectory and deposition using the ?HYSPLIT? trajectory model. For the study in case, daily data of PM10 from 1998 to 2003 were supplied by the Instituto Estadual do Ambiente (INEA-RJ) (State Institute of Environment, INEA-RJ). Serop?dica region shows rural characteristics, Cidade de Deus is an urban region and Duque de Caxias, is characterized as an industrial region. The analysis involved data input techniques, as well as analysis of temporal series and statistics tests. In the initial results, the difference of the regions? average concentrations is highlighted, with the characteristic rural region, Serop?dica, showing lower average concentration of PM10, 26,6 ?g m-3 while the regions of Cidade de Deus and Duque de Caxias showed higher averages of 67 ?g m-3. It has been identified the air quality standards weren?t respected on most of the days during the study in the urban and industrial regions, the opposite of the rural region, which suggests the kind of activity developed in the region could be influencing the presence and concentration of PM10. Hopefully this study could serve as a basis for the elaboration of public policies, providing knowledge and consciousness to the population regarding the importance in reducing pollutants? emission.

How great potential effect does the Black carbon emitted from the boreal forest fire region of Alaska have on the retreating glaciers of the St. Elias Mountains? In this study climate and forest fire history data of Alaska was run in the HYSPLIT wind trajectory model to generate trajectories originated from large occurring fires in Alaska from 2005 to 2014. Results show a small percentage of trajectories passing the St. Elias Mountains and an expected pattern of a correlation between passing trajectories and density of amount forest fires. Interdisciplinary climate research is indicating an increase in global temperatures with consequences such as an upswing of forest fires in the Northern Hemisphere. Inner Alaska is fire prone due to a combination of prevailing droughts during the summer season and frequent lightning ignition as a result from homogeneous vegetation and topography. Downwind from Alaska’s forest fire region is the ice field of the St. Elias Mountains, these glaciers are one of the fastest retreating due to increasing global temperatures and possible deposition of soot from Alaskan forest fires. Forest fire emits black carbon, which when deposited on snow or ice surfaces will decrease the albedo and accelerate the melting rate. Previous studies on ice cores from the St. Elias have investigated traces of combustion products from biomass burning. This indicates a possible record of historic forest fires in ice cores. The small percentage of passing trajectories in this study suggests that most large forest fires in Alaska might not be registered in the St. Elias ice cores.

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