Les aérosols atmosphériques jouent un rôle important dans le système climatique de la terre. Ils sont aussi à l'origine de certains problèmes de pollution atmosphérique en zone urbaine. Toutefois, leur influence sur le changement climatique global, de même que leur propriétés chimiques en zone urbaine, sont encore très mal connues. L'une des principales raisons à cela est que l'un des constituants majeurs de cet aérosol, la matière carbonée, est à ce jour très peu renseignée. Ce travail s'inscrit donc dans la problématique d'une meilleure connaissance de la matière carbonée particulaire. Cette étude présente des résultats de mesures de matière carbonée (OC et EC) contenue dans l'aérosol (PM10), et réalisées dans le cadre du programme POVA, entre février 2001 et juin 2003 à Chamonix et St Jean de Maurienne (Alpes françaises). Cette série constitue l'une des premières de ce type pour des sites de fond de vallées alpines, caractérisés par des émissions localisées en fond de vallées et de fortes inversions de température en hiver, limitant la dispersion des polluants. Le programme POVA, axé sur l'étude de la pollution atmosphérique dans ces vallées, a été proposé suite à la fermeture du tunnel du Mont-Blanc, en 1999. L'un des principaux objectifs était d'établir les sources de pollution par les particules, en particulier la part due au trafic poids lourds international. Nous avons pu établir que, sur les deux sites et alors que le trafic poids lourds international n'était pas rétabli en vallée de Chamonix, cette source représentait environ un tiers de la masse des particules observées, et était à l'origine d'une plus faible fraction de la masse de matière carbonée. Le caractère extrêmement primaire de la matière carbonée est une spécificité remarquable de notre site. La source de matière carbonée constituée par les véhicules légers n'a pas pu être étudiée. Il apparaît par contre que les combustions de biomasse (probablement les feux de cheminées) jouent un rôle important, et accru en cas de faibles températures, sur les niveaux de pollution par les particules. Enfin, l'impact potentiel de la condensation de matière semi-volatile aux faibles températures reste une hypothèse à tester. Sur le plan plus général de l'étude de la matière organique, il apparaît plusieurs résultats : 1. Le facteur de conversion de masse de carbone organique à masse de matière organique est sans doute très variable pour un site donné (en particulier, sa variabilité est probablement largement supérieure à 0,2). 2. Les hypothèses généralement admises pour le calcul de la fraction secondaire de OC se sont révélées fausses dans le cas de notre étude, et la méthode semble dans le cas générale très incertaine. 3. La fraction soluble de OC (WSOC) est très importante sur nos sites, et la source primaire de combustion de biomasse est une source primaire importante. Ce résultat est en désaccord avec l'hypothèse générale que WSOC est secondaire.

Récemment, la qualité de l'air dans la région Rhône-Alpes est devenue un sujet sensible depuis sa mise en demeure par l'Union Européenne pour non respect des normes en vigueurs concernant les taux de particules fines (PM). Effectivement, certaines zones géographiques de la région connaissent de nombreux dépassements en PM10, particulièrement dans les vallées alpines durant la période hivernale. Ces dépassements en particules sont aussi accompagnés de fortes concentrations en composés organiques comme les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) constituants ces PM. Un accroissement des connaissances sur les sources de pollution atmosphérique particulaire et leurs dynamiques au sein des vallées alpines est alors nécessaire, ceci afin d'améliorer la mise en place des politiques de diminution des émissions grâce à une meilleure connaissance de l'influence des différentes sources au niveau régional. Ces travaux de thèse sont axés autour des émissions des sources industrielles encore mal connues et plus particulièrement l'industrie du carbone très présente dans les bassins industriels de ces fonds de vallées. Les approches classiques par les éléments métalliques n'étant pas spécifiques, l'exploration de la fraction organique a permis de proposer un profil chimique organique complet et d'avancer le benzo(b)naphtho(2,1-d)thiophène (BNT(2,1)), composé particulaire majoritaire de la famille des Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques soufrés (HAPS) comme traceur de cette source. Ce composé a été détecté et quantifié sur plusieurs sites en proximité d'activités industrielles confirmant ainsi sa source potentielle. De plus le profil industriel a été introduit comme profil « source » afin d'évaluer sa robustesse dans les méthodologies de type modèle récepteur de bilan de masse comme le « Chemical Mass Balance » (CMB) et statistique comme la « Positive Matrix Factorization » (PMF). Les résultats ont confirmé l'intérêt de l'ajout des composés organiques à ces méthodologies. Ainsi, le profil industriel et les composés organiques HAPS ont permis de mieux tracer la source appelée génériquement « industrie du carbone » (combustions de charbon, de coke et de matériaux graphitiques) dans les vallées alpines mais aussi sur différents sites urbains français. En parallèle, un modèle de régression non linéaire multivarié (MRNL) a été développé pour la quantification des sources de HAP, basé sur l'utilisation de traceurs spécifiques de source (lévoglucosan, hopanes….) et de données météorologiques (gradient thermique). Son application a été validée sur un ensemble de sites alpins des vallées de l'Arve et de la Tarentaise. Un couplage entre ce modèle et les données de mesures optiques du carbone suie (BC) par aéthalomètre, a permis de proposer une solution aux mauvais résultats de corrélation entre les HAP mesurés et modélisés par le modèle MRNL sur le site de la vallée de la Maurienne. Ces faibles corrélations peuvent être liées à une mauvaise représentativité des composés organiques utilisés à tracer correctement les sources d'émission sur certains sites.Enfin, l'inter-comparaison de ces méthodologies pour la détermination des sources de HAP et plus particulièrement de la source industrielle permet de valider cette méthodologie dans une perspective opérationnelle de suivi des sources de HAP sur ces différents sites. Ces travaux réalisés au cours de cette thèse mettent en évidence l'intérêt de la caractérisation de la fraction organique des PM et les biais qui peuvent exister sur l'utilisation des composés organiques pour l'étude des sources d'émissions. Des alternatives y sont proposées afin de soulever ces ambiguïtés et d'améliorer l'étude des sources de HAP par les modèles récepteurs. / Recently, Air quality has become a sensitive topic for Rhône-Alpes region due to the formal notice which was addressed by the European Commission for non-compliance with legislation in force. Indeed, certain geographic areas in the region present a lot of overruns in PM10, especially in Alpine valleys during winter. These overruns particles are also accompanied by high concentrations of organic compounds such as polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), which constitute these PMs. An increase in khowledge about the sources of particulate air pollution and their dynamics in Alpine valleys is necessary, in order to improve the implementation of policies to reduce emissions through better knowledge of the influence of different sources at regional level. This thesis is focused around emissions from industrial sources still poorly known and particularly of the carbon industry highly present in these industrial areas of the valley bottoms. Traditional approaches by metallic elements being not specific, exploration of the organic fraction allowed to propose a complete organic chemical profile. In addition they led us to evidence the benzo(b)naphtho(2,1-d)thiophene (BNT(2,1)), the most abundant particulate compound of the family of sulfur-containing polycyclic aromatic hydrocarbons (PASHs), as a tracer of this source. This compound was detected and quantified on multiple sites in near industrial activities confirming its potential source. In addition the industrial profile was introduced as profile “source” in order to assess its robustness in methodologies of receptor model like the “Chemical Mass Balance “(CMB) and the “Positive Matrix Factorization” (PMF). The results confirmed the interest of the addition of organic compounds to these methodologies. Thus, the industrial profile and the PASHs compounds have allowed to better trace the source usually called “carbon industry” (coal, coke and graphite materials combustions) in the Alpine valleys but also in different French urban sites. In parallel, a non linear regression model (NLRM) was developed to PAH source apportionment, based on the use of specific molecular markers (levoglucosan, hopanes…) and of meteorological data (altitudinal temperature lapse rate). Its implementation has been validated on a set of sites of the Alpine valleys of Arve and Tarentaise. Coupling between this model and the optical measurements of black carbon (BC) by aethalometer, allowed to propose a solution to the poor performance of correlation between PAHs measured and modeled by NLRM model on this site of the Maurienne valley. These low correlations may be related to poor representativeness of organic compounds used to correctly trace the emission sources at some sites. Finally, the inter-comparison of these methodologies for the determination of PAH sources and especially of industrial source allows to validate this methodology in an operational perspective of monitoring of PAH levels on these sites. The work performed during this thesis highlights the interest of the characterizatin of the organic fraction of PM and the biases that may exist on the use of organic compounds for the study of the emission sources. Some alternatives are suggested to clarify ambiguities and improve the source apportionment of PAHs by receptor models.

Les particules atmosphériques appelées aérosols jouent un rôle potentiellement important sur le bilan radiatif terrestre et sur celui des photo-oxydants comme l'ozone troposphérique. Lorsque leurs tailles est inférieures à 2,5µm, ils peuvent présenter un danger pour la santé publique. La connaissance de la composition physico-chimique de ces aérosols est encore très insuffisante en ce qui concerne sa composante organique, appelée MOP (Matière Organique Particulaire). De même, les mécanismes de formation de la MOP demeurent encore mal connus. Ce travail s'inscrit donc dans la problématique générale d'une meilleure connaissance de la composante organique de l'aérosol.<br /> <br />Dans le cadre du programme PO.V.A. (POllution des Vallées Alpines), articulé autour de la réouverture du tunnel sous le Mont Blanc et dont les principaux objectifs sont de mieux appréhender les phénomènes de pollution atmosphérique et les mécanismes dispersifs propres aux systèmes montagneux, des aérosols ont été collectés dans les vallées de Chamonix et de Maurienne au cours de deux campagnes intensives de mesures. Elles se sont déroulées au cours de l'été 2000 et de l'hiver 2001. <br /><br />Après la présentation des problématiques (chapitre I) et des méthodes utilisées (chapitre II), les résultats de deux types d'analyse sont présentés (chapitre III). Le premier type se focalise sur une classe de composés : Les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP). L'intérêt de l'étude des HAP est double. D'une part ils sont, pour la plupart, considérés comme cancérogènes et mutagènes. D'autre part, ils sont émis quasi exclusivement par les combustions (dérivés du pétrole et biomasse) et leur étude permet de mieux appréhender les influences relatives des différentes sources anthropiques. Le second type d'analyses, plus exploratoire, consiste à réaliser une spéciation quantitative, la plus exhaustive possible, de la fraction organique et d'établir des relations entre la composition chimique, les sources, les saisons et les paramètres météorologiques. Des composés comme le guaiacol, la vanillin, le syringol (...) (émis par les feux de bois) ou comme la nopinone (composé secondaire) ont ainsi pu être quantifiés.<br />Les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence :<br />- un apport anthropique important dans les deux vallées, pour les deux saisons et plus particulièrement en hiver où des concentrations en HAP très élevées et représentatives de grands centres urbains ont été observées (maximum 150 ng.m-3) ;<br />- des niveaux de concentrations en composés anthropiques primaires systématiquement plus importants dans la vallée de Chamonix, malgré l'absence du trafic des poids lourds;<br />- l'influence des conditions météorologiques et de la géomorphologie des vallées dans la dispersion des polluants ; <br />- une contribution très marquée des combustions de bois (chauffage domestique) dans la vallée de Chamonix l'hiver.<br /><br />La spéciation quantitative de la MOP (chapitre III) a permis de déterminer globalement entre 10 et 74% du carbone organique. La fraction identifiée dépend de la saison considérée et est plus élevée l'hiver (34-74%) lorsque l'apport des sources primaires anthropiques est prépondérant. Cette variabilité saisonnière a mis en évidence les lacunes du protocole analytique utilisé, qui ne permet pas de quantifier la plupart des composés oxygénés polyfonctionnels et donc les composés constitutifs l'aérosol organique secondaire. Une méthode alternative de prélèvement et d'analyse de ces composés a été développée (Chapitre IV).

La combustion de la biomasse est l’une des sources majoritaires de particules atmosphériques en périodes hivernales dans les vallées alpines, et particulièrement en vallée de l’Arve où des dépassements des seuils européens sont très régulièrement observés. Ceci a conduit à la mise en place d’un large programme de remplacement des dispositifs de chauffage au bois les moins performants dans le cadre d’une des actions du Plan de Protection de l’Atmosphère, le Fond Air Bois. Le projet DECOMBIO (DÉconvolution de la contribution de la COMbustion de la BIOmasse aux PM10 dans la vallée de l’Arve) a ainsi été mis en place en octobre 2013 afin de mesurer l’impact de cette politique de rénovation des appareils de chauffage au bois sur la qualité de l’air. C’est dans ce programme que s’inscrivent ces travaux de thèse dont l’objectif principal est de valider les méthodologies mises en place en routine pour permettre une déconvolution rapide de la combustion de la biomasse et mettre en relation les éventuels changements observés avec les avancées des remplacements de dispositifs de chauffage au bois domestiques.Pour mener à bien ce travail, trois sites, représentant les différentes situations de la vallée de l’Arve, ont été instrumentés (Marnaz, Passy et Chamonix) afin de suivre en continu, et tout au long du projet DECOMBIO, l’évolution des concentrations atmosphériques du Black Carbon (BC) et des traceurs moléculaires permettant de distinguer la contribution de la combustion de la biomasse des autres types de combustion. Un important jeu de données a été acquis entre novembre 2013 et octobre 2014 grâce à des prélèvements réguliers sur filtre permettant une caractérisation très fine de la composition chimique des particules atmosphériques. L’utilisation de l’approche statistique « Positive Matrix Factorization » (PMF) a permis de mieux appréhender les différentes sources entrant en jeu dans les émissions de particules au sein de cette vallée avec notamment un intérêt particulier pour les émissions de la combustion de la biomasse. Le développement de cette méthodologie d’attribution et de quantification des sources de particules basé sur l’utilisation de traceurs organiques spécifiques, de contraintes particulières appliquées à ce modèle et de données de déconvolution de la matière carbonée constitue une avancée importante dans la définition des facteurs sources issus de ce modèle.Les méthodologies développées au cours de ce travail, permettant une amélioration des connaissances et des contributions des sources, constituent donc des outils directement utilisables par les Associations Agréées de Surveillance de la Qualité de l’Air (AASQA), notamment pour l’évaluation quantitative des mesures prises pour améliorer la qualité de l’air dans le cadre de Plans de Protection de l’Atmosphère, entre autres celui de la vallée de l’Arve. / Biomass burning is one of the major sources of atmospheric particles during wintertime in Alpine valleys, and more especially in the Arve valley where exceedances of the European regulated limit value are regularly observed. This situation led to the establishment of an important program of replacement of old wood stoves with new ones as part of an action of an Atmospheric Protection Plan (APP), the “Fonds Air Bois”. The research program DECOMBIO (“DÉconvolution de la contribution de la COMbustion de la BIOmasse aux PM10 dans la vallée de l’Arve”) has been set up in October 2013 to estimate the impact of this wood stoves renewal policy on air quality. This thesis works be incorporated within this program and have for main objective to validate methodologies used in routine to enable a fast deconvolution of the biomass burning source and to compare any observed changes with progress of wood stove changeout.To complete this work, three sites, representing the different situations of the Arve valley, were instrumented (Marnaz, Passy and Chamonix) to monitor the continuing evolution of atmospheric concentrations of Black Carbon (BC) and molecular markers enabling to distinguish between the biomass burning contribution and that of other types of combustion. A large dataset was acquired between November 2013 and October 2014 thanks to regular filter samples enabling a vast chemical characterization of PM10. The use of statistical analysis “Positive Matrix Factorization” (PMF) has led to an enhanced appreciation of particle emission sources within this valley with a focus on biomass burning emissions. The development of this methodology of identification and source apportionment based on the use of specific organic markers, specific constraints and data from carbonaceous matter deconvolution is an important progress in definition of factors from this model.The developed methodologies during this work, enabling an improvement of knowledges and source apportionment, are tools directly usable by French Accredited Associations for Air Quality Monitoring, especially for the quantitative assessment of actions introduced to improve air quality as part of Atmospheric Protection Plans, for example the one in the Arve valley.