Dissertationen zum Thema „Aérosols naturels“

Le but de cette étude était de documenter aussi précisément que possible le bilan de masse des aérosols minéraux désertiques qui sont des acteurs importants du système climatique terrestre puisqu'ils présentent un flux en masse annuel égal à environ la moitié du flux d'aérosols total. La mise en évidence de certains cas délicats à modéliser a conduit à mettre l'accent, dans ce travail, sur deux problèmes clefs de l'Afrique du nord : la région de Bodélé, du fait d'une topographie locale complexe, et les lignes de grains sahéliennes dont l'interaction avec les émissions d'aérosols minéraux reste encore largement inconnue.
Cette étude a été réalisée à l'échelle méso haute résolution en utilisant le modèle Regional Atmospheric Modeling System (RAMS) couplé en ligne avec le Dust Production Model (DPM) développé par Marticorena et Bergametti [1995] et Laurent [2005]. Afin d'examiner la capacité de ce modèle à reproduire les émissions d'aérosols minéraux dans la région complexe de Bodélé, nous avons tout d'abord modélisé la période correspondant à la campagne Bodélé Dust Experiment 2005 (BoDEx 2005). Notre modèle a ainsi été capable de reproduire les caractéristiques météorologiques locales (principalement le vent dans les basses couches) ainsi que les concentrations en aérosols minéraux et la structure du panache observées pendant la campagne. Nous avons aussi vérifié que les aérosols émis depuis cette région du monde atteignent le continent sud américain.
De plus, cette validation nous a permis de vérifier le constat établi par divers auteurs : les modèles à grande échelle (MCG) ont souvent du mal à reproduire correctement les champs de vent dans la région de Bodélé. Nous avons alors entrepris une étude climatologique (sur l'année 2001) sur une zone étendue autour de la région de Bodélé à différentes résolutions spatiales afin de caractériser les phénomènes de basses couches qui pourraient expliquer ce biais quasi-systématique des MCG. Ce travail a été validé grâce aux données de routine des stations de mesure de surface ainsi que grâce à l'imagerie satellite.
Le deuxième cas sur lequel la validation de notre outil était nécessaire est constitué par les événements de ligne de grains qui se succèdent sur la zone sahélienne lors de l'été boréal. Cette validation a été réalisée sur un événement bien documenté des périodes d'observations spéciales 1 et 2 de la campagne Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine (AMMA).

Le but de cette étude était de documenter aussi précisément que possible le bilan de masse des aérosols minéraux désertiques qui sont des acteurs importants du système climatique terrestre puisqu'ils présentent un flux en masse annuel égal à environ la moitié du flux d'aérosols total. La mise en évidence de certains cas délicats à modéliser a conduit à mettre l'accent, dans ce travail, sur deux problèmes clefs de l'Afrique du nord : la région de Bodélé, du fait d'une topographie locale complexe, et les lignes de grains sahéliennes dont l'interaction avec les émissions d'aérosols minéraux reste encore largement inconnue. Cette étude a été réalisée à l'échelle méso haute résolution en utilisant le modèle Regional Atmospheric Modeling System (RAMS) couplé en ligne avec le Dust Production Model (DPM) développé par Marticorena et Bergametti [1995] et Laurent [2005]. Afin d'examiner la capacité de ce modèle à reproduire les émissions d'aérosols minéraux dans la région complexe de Bodélé, nous avons tout d'abord modélisé la période correspondant à la campagne Bodélé Dust Experiment 2005 (BoDex 2005). Notre modèle a ainsi été capable de reproduire les caractéristiques météorologiques locales (principalement le vent dans les basses couches) ainsi que les concentrations en aérosols minéraux et la structure du panache observées pendant la campagne. Nous avons aussi vérifié que les aérosols émis depuis cette région du monde atteignent le continent sud américain. De plus, cette validation nous a permis de vérifier le constat établi par divers auteurs : les modèles à grande échelle (MCG) ont souvent du mal à reproduire correctement les champs de vent dans la région de Bodélé. Nous avons alors entrepris une étude climatologique (sur l'année 2001) sur une zone étendue autour de la région de Bodélé à différentes résolutions spatiales afin de caractériser les phénomènes de basses couches qui pourraient expliquer ce biais quasi-systématique des MCG. Ce travail a été validé grâce aux données de routine des stations de mesure de surface ainsi que grâce à l'imagerie satellite. Le deuxième cas sur lequel la validation de notre outil était nécessaire est constitué par les événements de ligne de grains qui se succèdent sur la zone sahélienne lors de l'été boréal. Cette validation a été réalisée sur un événement bien documenté des périodes d'observations spéciales 1 et 2 de la campagne Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine (AMMA)

La mesure, dans les appareils de terrain, individuels, portables ou a poste fixe, des aerosols radioactifs issus des chaines de l'uranium 238, du thorium 232 et plus particulierement des descendants a vie courte des isotopes du radon est le plus souvent realisee a l'aide de detecteurs solides de traces necessitant un traitement en laboratoire. Pour pallier ce probleme et permettre une mesure en temps reel, les recherches menees au cours de cette these ont permis de concevoir, de simuler et de realiser une solution electronique de mesure des radionucleides naturels. Dans ce cadre, trois elements principaux ont ete etudies: une tete de detection electronique des rayonnements gamma a blindage actif de faible encombrement pour la mesure des descendants a vie courte du radon, une tete de mesure basee sur un detecteur silicium permettant d'analyser par spectrometrie les particules alpha emises par les autres radionucleides a vie courte ou a vie longue, l'electronique de traitement a tres faible consommation comprenant la preamplification, l'amplification, la mise en forme et l'analyse d'amplitude par spectrometrie du signal de charges genere par les detecteurs semi-conducteurs utilises pour ces deux types de mesures

Cette thèse est une contribution au thème crucial de l'impact climatique de la matière particulaire dans l'atmosphère, dont on soupçonne qu'il pourrait être du même ordre que l'effet de serre des gaz, mais peut-être de signe opposé. L'outil central de ce travail est le modèle météorologique RAMS. Ce travail exploite les rares données de terrain disponibles dans cette région, données indispensables pour la validation des calculs par modèle. Sur la base d'un DPM validé en Afrique, nous proposons ainsi un cadastre d'émission éolienne de poussières désertiques 1°X1° recouvrant les zones désertiques et semi-arides en Mongolie et Chine du Nord. Cette source est validée par l'étude d'une forte tempête de poussieres minérales datant d'Avril 1998. Nous montrons ensuite son aptitude à restituer en détail un épisode de tempête de sable enregistré au printemps 2002 en un site expérimental de la campagne ACE-ASIA. Enfin nous couplons le transport atmosphérique des poussières désertiques issues de ce cadastre avec les émissions de certains des gaz et aérosols les plus représentatifs des émissions anthropiques de polluants en Asie de l'Est. Les processus de transport et de chimie très simplifiés appliqués aux BC (particules carbonées) et au SO2 aboutissent à des mélanges et des captures quantifiables de sulfates par les poussières minérales. Les calculs d'épaisseurs optiques caractéristiques de chaque polluant dans les mélanges sont en bon accord avec les données photométriques (Lidar, AERONET, etc.) et permettent de conclure que le parti pris de notre méthode simplificatrice donne une approche des observations à la fois correcte et aisément interprétable par le nombre réduit des paramètres choisis

Les aérosols constituent une source importante de macro- et micronutriments pour l’océan hauturier. Cependant, uniquement les nutriments dissous sont considérés comme biodisponibles, c’est-à-dire assimilables par le phytoplancton. Ainsi, la quantification de leur solubilité se révèle primordiale pour (i) estimer l’influence d’un dépôt d’aérosols sur le phytoplancton, et (ii) boucler les cycles biogéochimiques de ces éléments. Dans le cadre de cette thèse, nous avons établi des gammes de solubilité de deux types d’aérosols (désertique ou volcanique) selon le mode de dépôt (sec et humide), en intégrant la variabilité en fonction de l’origine des aérosols. Ainsi, le macronutriment silicium issu des poussières désertiques est plus soluble comparé aux cendres volcaniques (jusqu’à 0.7 % contre 0.2 %), notamment via la dissolution du quartz. Le micronutriment fer se dissout majoritairement dans l’eau de pluie lors d’un dépôt humide des aérosols à l’océan via la dissolution d’aluminosilicates, avec une solubilité généralement inférieure à 0.14 % et 0.02 %, dans l’eau de pluie et eau de mer respectivement, et ce indépendamment du type d’aérosol. L’ensemble de ces résultats permet ainsi une révision des flux de nutriments atmosphériques à l’océan de surface qui pourra être in fine intégrée dans les estimations globales de modélisation biogéochimique. La réponse biologique suite à un apport de nutriments par voie atmosphérique a été déterminée dans l’Océan Indien Austral et les nutriments ont majoritairement profité à la communauté de diatomées, notamment au niveau du plateau de Kerguelen
Aerosols are an important source of macro- and micronutrients for the open ocean. However, only dissolved nutrients are considered bioavailable, i.e. assimilable by phytoplankton. Thus, the quantification of their solubility is essential to (i) estimate the influence of aerosol deposition on phytoplankton, and (ii) closing the biogeochemical cycles of these elements. We thus established the solubility ranges of two types of aerosols (desert or volcanic) according to the deposition mode (dry and wet), by integrating the variability depending on the aerosol origin. Thus, the macronutrient silicon found in desert dust is more soluble compared to volcanic ash (up to 0.7 % against 0.2 %), in particular via the dissolution of quartz. The micronutrient iron dissolves mainly in rainwater during wet deposition of aerosols in the ocean via the dissolution of aluminosilicates, with solubilities generally below 0.14% and 0.02%, in rainwater and seawater respectively, regardless of the type of aerosol. Thus, these results allow a re-estimation of atmospheric nutrients fluxes to the surface ocean which could ultimately be integrated into global biogeochemical models. Finally; the biological response to an atmospheric nutrient input has been determined in the Southern Indian Ocean and the nutrients have mainly benefited the diatom community, especially at the Kerguelen plateau

Les caractéristiques physiques d'un aérosol déterminent son évolution dans l'atmosphère, et son captage sur les surfaces et sur les systèmes d'échantillonnage. Ainsi, les particules se trouvent différemment soumises, selon leur taille, à la pesanteur, à l'inertie et à la diffusion. Mais, lorsque les particules sont électriquement chargées, la force électrostatique peut être déterminante et influencer fortement leur comportement. Par exemple, en 1998, B. S. Cohen et ses collaborateurs ont montré l'effet prépondérant de la charge sur le dépôt des particules dans l'appareil respiratoire : des particules de 20 à 125 nm portant une charge se déposent de cinq à six fois plus que des particules neutres de même taille. Les descendants à vie courte du radon contribuent très fortement à la dose moyenne annuelle incorporée par un individu. Pour améliorer ce calcul de dose, il convient de bien maîtriser les caractéristiques physiques qui influencent le comportement d'un aérosol dans l'appareil respiratoire. Dans le cas des aérosols de taille nanométrique, c'est bien souvent la force électrostatique qui prédomine. Le but de notre thèse était donc de faire progresser les connaissances sur le processus de charge électrique d'un aérosol radioactif naturel — et notamment de la fraction libre et attachée des descendants du radon. Expérimentations et modélisation ont été conduites conjointement au cours de notre étude. Dans le cadre d’une collaboration avec l’Institut de Physique Nucléaire (IPN) d’Orsay, une expérience avait pour but de mesurer la distribution de charge des ions 218Po de recul à l’aide du détecteur TOF (Time of Flight) d’un spectromètre de masse. Des sources de 226Ra d’une centaine de becquerels ont été préparées au Groupe de Radioprotection et Mesures Environnementales (RaMsEs) de l’Institut de Recherches Subatomiques de Strasbourg et au Laboratoire des Etalons et des Intercomparaisons (LEI) de l’IRSN/DEI. Deux séries de mesures ont été effectuées : la première, qui a produit une grande quantité de particules neutres avec un faible pourcentage de mono-chargées positives, a mis en évidence l’effet de la matrice de la source sur la neutralisation du 218Po. La deuxième série de mesures, effectuées avec des sources de plus grande pureté, a conduit à une distribution des descendants majoritairement neutres (74 %), avec une présence très significative de particules mono-chargées (20 %) et une petite fraction de multi-chargées (maximum +10, et moyenne +5). Ces expériences de temps de vol ont permis de mesurer pour la première fois la distribution de la charge électrique du 218Po dans le vide. De plus, nous avons constaté l’influence des quelques nanomètres d’épaisseur de matière solide traversée sur l’état de la charge, et en particulier sur la neutralisation du 218Po dès sa formation. Ces résultats sont importants, car directement applicables à la compréhension du processus de charge de la fraction attachée des descendants du radon. Une autre série d'expériences concernait la mesure de la charge totale de la fraction libre des descendants du radon à l’aide d’un tube dit "de Zeleny", en fonction de l’activité volumique de radon et du temps de résidence dans le tube. Ces expériences permettent de mesurer la fraction pénétrante du 218Po dans un tube cylindrique muni d'une électrode à son extrémité. La détermination du rapport des fractions pénétrantes, avec application ou non d’un champ électrique entre l’électrode centrale et les parois du tube, permet d’obtenir la valeur de la fraction neutre. Ces mesures ont été couplées à des simulations à l'aide du code de calcul CASTEM 2000 que nous avons validé sur le domaine de variation des paramètres expérimentaux. On décrit pour cela une équation de convection-diffusion pour la fraction chargée des descendants du radon, à laquelle on ajoute des termes sources dus à la production de 218Po par désintégration du radon, et des termes puits dus à la désintégration du 218Po, mais dus également à la neutralisation de cet aérosol chargé. Ces équations ont été validées par étapes sur différentes configurations, montrant un bon niveau de représentativité de la modélisation retenue. La comparaison des fractions pénétrantes expérimentales et numériques permet de calculer le taux de neutralisation pour des conditions expérimentales allant jusqu’à des activités volumiques de radon de 1,6 MBq/m3, activités volumiques plus importantes que celles des expériences décrites dans la littérature. Nos résultats montrent, en premier lieu, la croissance linéaire du taux de neutralisation en fonction de la racine carrée de l’activité volumique de radon pour des temps de résidence constants. De plus, nous avons constaté l’influence du temps de résidence sur le taux de neutralisation, ce qui n’avait jamais été rapporté par ailleurs. Afin de comparer nos résultats à ceux de la littérature, on a utilisé, en plus du code CASTEM 2000, un code de type Monte Carlo (MCNPX) permettant de tenir compte de la géométrie du dispositif expérimental. En effet, le taux de neutralisation est souvent donné en fonction de l’activité volumique en radon mais, pour une même activité, le nombre d’ions créés par l’ionisation alpha peut être différent suivant les dimensions du dispositif expérimental. C'est ainsi que nous avons pu comparer nos résultats expérimentaux à ceux publiés par d'autres auteurs. [source : site http://net-science. Irsn. Org]

Dans le cadre de la modelisation de la reactivite chimique de l'atmosphere, le naphtalene a ete choisi en tant qu'element representatif des hap legers. L'etude de son comportement physicochimique, menee en enceinte de simulation, tant en milieu homogene qu'heterogene, a permis de mettre en evidence le role primordial joue par le couple particules-sensibilisateurs. L'aerosol solide (muscovite, tio#2 ou cendres volantes), actif tant par sa presence que par sa nature, est a meme d'induire des phenomenes aussi bien de catalyse que d'inhibition de la formation de produits secondaires, en reference au milieu homogene correspondant. L'ampleur de ces phenomenes est neanmoins etroitement lie a la nature de l'espece active (oh, cl#2n o#3, so#2, no#2. . . ) et peut egalement s'exprimer par des perturbations d'ordre cinetique

Les particules émises, dans l’atmosphère, lors de rejets chroniques ou accidentels par les installations peuvent être soumises après dispersion à des flux verticaux par temps sec : le dépôt sec et la remise en suspension. Les flux verticaux par temps sec sont caractérisés par la vitesse de transfert vertical, qui est le rapport entre le flux de particules et la concentration atmosphérique de l'aérosol au voisinage de la surface. Lorsque cette vitesse est positive, c‘est une vitesse de dépôt sec (Vd en m.s-1) et inversement, lorsqu’elle est négative, c’est une vitesse d’émission. Il est important d'étudier leur dépôt sec en milieu prairial. En effet, les produits issus de ce milieu sont une composante de la chaine alimentaire de l’homme via l’élevage. Pour les particules de moins de 1 μm, il y a un manque de données expérimentales, ce qui entraîne une incertitude sur les résultats des modèles, qui peuvent atteindre jusqu'à deux ordres de grandeur. En outre, il n'existe pas de données de mesure de la vitesse de dépôt in situ disponibles pour les particules inférieures à 10 nm. Ces particules sont issues de réaction gaz/particules (nucléation) et peuvent concerner certains radionucléides tels que l’iode (129,131I).Après leur dépôt, ces radionucléides peuvent être remis en suspension sous l’effet de la contrainte soumise par le vent sur le couvert. Un tel phénomène est soupçonné autour de la centrale nucléaire de Fukushima. Les processus de remise en suspension des aérosols, est caractérisée par la vitesse de transfert vertical (m.s-1) mais également par le coefficient de remise en suspension (Ks en m-1) qui est le rapport entre la concentration atmosphérique et la concentration surfacique de particules. Des incertitudes rémanentes de 2 à 3 ordres de grandeurs sur les coefficients de remise en suspension existent. La remise en suspension concerne l’ensemble des particules présentent sur le couvert qu’elles soient inertes ou vivantes (champignons, bactéries, levures…). Contrairement aux particules inertes, ces particules vivantes peuvent assimiler et concentrer les radionucléides. Cependant, il y a très peu de données concernant la remise en suspension des microorganismes et des bactéries en particulier. Dans ce contexte, les objectifs de la thèse sont de quantifier la vitesse de dépôt sec en fonction de la taille des particules et des principaux paramètres micrométéorologique dans la gamme 1,5 nm – 1,2 µm. Le second objectif est de documenter les processus d’émission des bactéries
The particles emitted into the atmosphere during chronic or accidental release by the nuclear plants can be subjected, after dispersion, to vertical flows by dry weather: dry deposition and resuspension. Vertical flows in dry weather are characterized by the vertical transfer rate, which is the ratio between the particle flux and the atmospheric concentration of the aerosol in the vicinity of the surface. When this speed is positive, it is a dry deposition rate (Vd in m.s-1) and conversely, when it is negative, it is a transmission rate. It is important to study their dry deposition in a prairial environment. Indeed, the products resulting from this environment are a component of the human food chain via livestock. For particles less than 1 μm, there is a lack of experimental data, which results in uncertainty about the results of the models, which can reach up to two orders of magnitude. In addition, there are no in situ deposition rate measurement data available for particles less than 10 nm. These particles are derived from the gas / particle conversion (nucleation) and may relate to certain radionuclides such as iodine (129, 131I).After their deposition, these radionuclides can be resuspended under the effect of the stress submitted by the wind on the canopy. Such a phenomenon is suspected around the Fukushima nuclear power plant. The aerosol resuspension processes are characterized by the vertical transfer rate (m.s-1) but also by the re-suspension coefficient (Ks in m-1) which is the ratio of atmospheric concentration to surface concentration of particles. Relative uncertainties of 2 to 3 orders of magnitude on the resuspension coefficients exist. The resuspension concerns all the particles present on the canopy, whether they are inert or living (fungi, bacteria, yeasts, etc.). Unlike inert particles, these living particles can assimilate and concentrate radionuclides. However, there is very little data on the resuspension of microorganisms and bacteria in particular. In this context, the objectives of the thesis are to quantify the dry deposition rate as a function of the particle size and the main micrometeorological parameters in the range 1.5 nm - 1.2 μm. The second objective is to document the processes of emission of the bacteria

Important d'étudier le dépôt sec des aérosols en milieu rural. Le manque de données expérimentales en milieu rural sur la vitesse de dépôt sec des particules ayant une taille inférieure à 1 μm conduit à des incertitudes au vu des modèles et de leurs différences, qui vont jusqu'à dépasser un ordre de grandeur. Le but de cette étude est de développer une mesuredirecte de la vitesse de dépôt sec des aérosols (Vd), notamment en utilisant un impacteur à bassepression (Electrical Low Pressure Impactor, ELPI, DEKATI), à travers des mesures expérimentales in situ. L'originalité de la méthode est le calcul des flux de dépôt par corrélation turbulente. Les vitesses de dépôt sec ont été obtenues pour des aérosols atmosphériques de tailles comprises entre 7 nm et 2 μm, sur un terrain plat dans le sud-ouest de la France, sous différentes conditions atmosphériques, ainsi que sur différents couverts (maïs, herbe, sol nu). Vd est analysée en fonction du diamètre des particules et l'impact des conditions micro météorologiques est étudié.

Les données de la mission Cassini-Huygens (ESA/NASA) apportent de nouvelles informations essentielles pour la compréhension de la nature physico-chimique des aérosols de Titan. L'instrument ACP (Aerosols Collector and Pyroplyser) a réalisé la première analyse chimique in-situ des aérosols de Titan. Le traitement et l'interprétation de ces données montrent que ces aérosols sont probablement constutués d'un noyau réfractaire sur lequel viennent s'absorber des condensats de composés organiques volatils. La pyrolyse à 600°C de ce noyau produit des molécules dont deux ont été identifiées : HCN et NH3. Pour aller plus loin dans l'analyse de ces données, une étude est menée sur le rapport isotopique 12C/13C des molécules carbonées des aérosols de Titan. L'étude isotopique effectuée sur des analogues d'aérosols synthétisés expérimentalement en laboratoire (tholins) montre qu'il n'y a pas d'enrichissement isotopique notable pendant les processus de formation de ces analogues. En extrapolant ce résultat aux aérosols de Titan, il est possible de calculer la limite supérieure des quantités de NH3 et HCN (par rapport au CH4) libérées lors de la pytolyse. Certains des instruments de la mission Cassini-Huygens ont révélé la présence de glace d'eau à la surface de Titan. Une étude réalisée sur l'hydrolyse des tholins pour différentes conditions de pH montre que les aérosols peuvent évoluer chimiquement à la surface de Titan au contact d'eau. Ils libèrent des molécules organiques, dont des acides aminés, dont le spectre de réflectivité dans le domaine proche infrarouge pourrait être compatible avec celui de la surface de Titan mesuré l'instrument DISR (Descent Imager Spectral Radiometer)
Data from Cassini-Huygens mission provide new information essential for an understanding of the physical and chemical nature of Titan's aerosols. Experimental simulations in laboratory are useful to complement these data analysis. The ACP (Aerosols Collector and Pyrolyser) instrument from the Cassini-Huygens mission performed the first chemical analysis of the Titan's atmospheric aerosols. Analysis and interpretation of these data show that the aerosol particles include a solid organic refractory core. Ammonia (NH3) and hydrogen cyanide 5HCN) have been identified as the main products after pyrolysis at 600°C of this refractory nucleus. To go further in this data analysis, a study is done on the 12C/13C ration in Titan's aerosols. An isotopic study is carried out on aerosols analogues (tholins) produced by experimental simulations in laboratory. It does not show any significant fractionation effect during the formation of tholins. By inferring this result to Titan' aerosols, upper limits of the quantities of NH3 and HCN (compared to CH4) released during the ACP pyrolysis are estimated. Some of the Cassini-Huygens instruments have revealed the possible presence of water on Titan surface. A study is carried out on tholins hydrolysis within different conditions of pH. It is shown that aerosols may chemically react with water. This hydrolysis releases many organic molecules, including amino acids, the reflectivity spectra of which may match the reflectivity spectra of Titan surface which was obtained by the DISR (Descent Imager Spectral Radiometer) instrument

La pollution atmosphérique en milieu urbain est un problème préoccupant car une fraction croissante de la population mondiale vit dans les villes. Les effets de la pollution se manifestent également sur la végétation urbaine et sur notre patrimoine architectural, de sorte que c'est la qualité de la vie de l'ensemble des habitants des métropoles de la planète qui est en jeu. Il est indispensable de connaître la composition des atmosphères urbaines et de comprendre les mécanismes qui régissent cette composition pour évaluer les conséquences de la pollution, définir les exigences de réduction des émissions et établir des scénarios des tendances futures.

L'objectif du présent travail est de déterminer la composition chimique, les propriétés et le comportement des particules et des dépôts humides en Région bruxelloise. On a distingué les aérosols atmosphériques, les brouillards, les rosées (ou givres) récoltés à la fois sur les végétaux et sur un collecteur inerte, les pluies et les dépôts totaux (formés des pluies et des dépôts secs accumulés dans l'entonnoir de collecte en l'absence de pluie). Ce vaste objectif a été réalisé grâce à la collecte de nombreux échantillons sur une échelle de temps suffisante en différents endroits de la capitale, et à l'analyse de ces échantillons par des techniques variées et complémentaires (techniques classiques d'analyse d'échantillons liquides telles que spectrométrie d'absorption et d'émission atomique, chromatographie liquide, colorimétrie, ainsi que microscopie électronique et fluorescence des rayons-X). Trois collecteurs (pour le brouillard, la pluie et la rosée) ont été entièrement conçus et réalisés au laboratoire dans le cadre de ce travail. Les éléments suivants sont analysés: NO3, SO4, NH4, Na, Mg, Al, Si, P, S, CI, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Pb.

Afin de comprendre les causes de la variabilité spatio-temporelle des concentrations, l'influence de paramètres tels que la saison, la direction du vent, et le lieu de prélèvement a été examinée. De plus, dans le cas des pluies et des brouillards, l'étude de l'évolution des concentrations au cours d'un même épisode a permis d'investiguer les processus physico-chimiques qui contrôlent le dépôt humide. Elle a permis d'acquérir une meilleure connaissance des mécanismes d'incorporation des aérosols dans la phase aqueuse et du phénomène de lessivage de l'atmosphère. Tout au long de ce travail, les interactions entre la phase particulaire (aérosols) et les phases liquides (brouillards, rosées, pluies) ont été examinées. Une relation entre les concentrations en éléments dissous et le volume d'eau de l'échantillon a été établie dans le cas des pluies, des rosées et des brouillards. Cette relation traduit un effet de dilution et démontre l'importance du mécanisme de condensation-évaporation des gouttes d'eau. L'importance du phénomène de nucléation des sulfates, nitrates et chlorures d'ammonium constitutifs de la fraction fine de l'aérosol soluble a été démontrée. Ces sels d'ammonium sont formés secondairement par des réactions de conversion gaz-particules. L'abondance des ions ammonium, et l'importance de leur action de neutralisation de l'acidité, constituent une particularité de l'atmosphère bruxelloise.

L'identification des sources de particules et d'éléments en relation avec leurs propriétés chimiques et granulométriques a été réalisée en utilisant divers outils statistiques (corrélations entre éléments, analyse factorielle) et géochimiques (rapports de concentration, facteurs d'enrichissement, granulométrie). Les apports d'origine marine, continentale, biologique et anthropique (trafic, incinération des déchets, processus de combustion) ont ainsi été clairement mis en évidence dans l'aérosol et le brouillard bruxellois.

Doctorat en Sciences
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Ce travail est consacré à la caractérisation minérale et organique des polluants particulaires, principalement les hydrocarbures aromatiques polycycliques adsorbés sur des poussières complexes, émis dans l'environnement lors de processus sidérurgiques diverses. La première partie de la thèse décrit la méthodologie expérimentale mise en place pour conduire cette étude. Les principales techniques utilisées sont la chromatographie en phase gazeuse couplée ou non à la spectrométrie de masse et la microsonde à impact laser lamma 500 couplée a un laser accordable en longueur d'onde. A l'aide de cette dernière, l'analyse est réalisée en deux étapes : un premier impact laser permet de désorber directement les HAP de leur support, à très faible irradiance. Puis, un second impact, à haute énergie, pulvérise la particule donnant ainsi des informations sur la composition chimique minérale ou organique du support d'adsorption. Les résultats obtenus permettent d'identifier simultanément les composés organiques adsorbés sur les particules et les constituants organiques et(ou) minéraux qui composent celles-ci. Il s'agit principalement de matrices carbonées pour les échantillons prélevés en cokerie et de matrices d'oxyde de fer pour les échantillons issus de hauts fourneaux. Dans la seconde partie de ce mémoire, nous avons essayé de simuler les réactions de transformations atmosphériques des HAP particulaires adsorbés sur différents substrats avec un polluant atmosphérique gazeux NO2. Ces travaux visaient à mieux comprendre les mécanismes de formation des nitro-hap lors de leur séjour dans l'atmosphère ou lors de l'étape de prélèvements sur filtre. Les résultats montrent que l'analyse par microsonde laser FTMS 2000, utilisée en mode desorption, est capable de détecter des composés de hautes masses moléculaires qui ne sont que partiellement extraits par les méthodes d'analyse conventionnelles. Dans la dernière partie, une approche théorie utilisant des calculs semi-empiriques a été menée pour conforter nos résultats expérimentaux concernant la réactivité de certains hap avec NO2. De bonnes corrélations entre les mesures de réactivité et les valeurs de densité électronique ont ainsi pu être établies pour les deux molécules étudiées : benzo(a)pyrène et dibenzo(a,h) pyrène
The aim of our work is organic and inorganic characterization of particular pollutants, mainly polycyclic aromatic hydrocarbons adsorbed on complex particles, released in the environment during the various stages of steel manufacturing. In the first part of this work, we describe the experimental methodology used to conduct this study. The basic methods used are gas chromatography with or not mass spectrometry and LAMMA 500 laser microprobe connected to a tunable dye laser. Using this last instrument, the analysis is carried out in two stages : a first laser shot with a very low energy desorbs the PAHs from its support. Then, a second high energy laser impact pulverizes the particle, giving organic or inorganic chemical informations on the nature of adsorption substrate. The results obtained reveal both the organic compounds desorbed from the particles as well as their constituant organic and (or) inorganic chemical components. These are essentially carbon matrices in samples collected in coke ovens and iron oxides in samples collected from blast furnaces. In the second part of this work, we tried to simulate the reactions of atmospheric transformations of solid PAHs adsorbed on various substrates using NO2 as the atmospheric polluant. The objective of this part of the ewperiment was to enable a greater understanding of the mechanisms involved in nitro-PAHs formation during its stay in the atmosphere or during collecting step. The results suggest than FTMS 2000 laser microprobe analysis, used in the desorption mode could detect high molecular weight compounds which are only partially recoverable using conventional analytical methods. In the last section, a theorical approach using semi-empirical calculations was conducted in order to confirm the experimental results regarding the reactions of some kind of PAHs with NO2. A good correlation between reactivity and electronic density was obtained for the two molecules studied : benzo(a)pyrene and dibenzo(a,h)pyrene

Cette thèse traite de l'étude numérique et expérimentale du transport et de la déposition d'aérosols dans les poumons. La partie numérique du travail porte sur des simulations uni-, bi- et tridimensionnelles du comportement des aérosols dans la structure pulmonaire. Les simulations unidimensionnelles (1D) sont effectuées dans des modèles trompettes et multibranche similaires à ceux utilisés dans les études de transport et de mélange gazeux dans les poumons. Le dépôt total, le profil des dépôts le long des différentes générations de l'arbre bronchique ainsi que la dispersion de boli d'aérosols sont calculés en fonction de la taille des particules et du protocole respiratoire. Un bolus consiste en un faible volume d'aérosols inhalé sous la forme d'un pic de concentration au cours d'une inspiration d'air pur. Les résultats montrent les limitations intrinsèques liées aux modèles 1D quant à la description du transport des aérosols dans les poumons et suggèrent l'utilisation d'équations multidimensionnelles pour décrire le transport de particules. Des simulations bidimensionnelles (2D) sont alors développées pour décrire le comportement des aérosols dans un modèle représentatif de la zone alvéolaire du poumon humain. Les simulations montrent que les particules ne se déposent pas uniformément sur les parois alvéolaires des conduits mais qu'elles sont principalement localisées près de l'entrée des alvéoles et ceci principalement dans le cas de petites particules (diamètre inférieure à 0.5 mm). De plus, les résultats montrent que le traditionnel coefficient de dispersion utilisé dans l'approche unidimensionnelle ne peut pas être extrapolé dans la zone alvéolaire du poumon.

Finalement, des simulations tridimensionnelles (3D) sont réalisées dans un modèle d'un conduit pulmonaire entouré d'alvéoles et confirment la déposition largement hétérogène des aérosols calculée dans l'étude bidimensionnelle suggérant que les concentrations locales et moyennes en aérosols peuvent être substantiellement différentes.

Parallèlement, des données expérimentales de déposition totale et de dispersion de boli d'aérosols sont obtenues et comparées aux résultats numériques. Des indices tels que la dispersion du bolus expiré, la déposition totale ou le déplacement du mode entre les courbes de concentration des boli inspiré et expiré mesurés au niveau de la bouche ont été évalués. Des simulations numériques similaire aux tests expérimentaux sont également effectuées. Bien qu'une approche relativement simplifiée soit utilisée, il apparaît que les simulations décrivent raisonnablement bien les résultats expérimentaux.

Doctorat en sciences appliquées
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I -- Importance des changements de phase et de la nucléation dans la basse atmosphère de Titan -- Nous soulignons les interactions entre les changements de phase dans la basse atmosphère et d'autres phénomènes qui se produisent sur Titan. Les processus de changements de phase peuvent affecter la photochimie, la nature de la surface exposée de Titan et donc ses propriétés optiques, et le profil de température de l'atmosphère. Nous passons en revue les indices d'une nucléation difficile dans l'atmosphère de Titan et nous essayons de montrer que la description de la nucléation est une priorité dans la modélisation des changements de phase. Les résultats de l'analyse des spectres d'IRIS et les basses températures qui impliquent des phases solides et non liquides fournissent les principaux arguments en faveur de la modélisation de la nucléation. Dans le cadre de la théorie classique de la nucléation, nous proposons une définition et une valeur du taux de nucléation critique adaptées à l'étude de l'atmosphère de Titan. A partir de ce taux critique, nous calculons l'angle de contact du méthane sur les aérosols nécessaire pour que l'inhibition de la nucléation du méthane puisse expliquer la sursaturation suggérée par les observations d'IRIS. -- II -- Estimation des angles de contact et des enthalpies libres surfaciques des phases solides -- Ces paramètres sont essentiels pour la description de la nucléation. Comme les données expérimentales pour les phases solides des espèces qui nous intéressent ne sont pas disponibles, nous relevons dans la littérature et mettons bout à bout des méthodes pour l'estimation des angles de contact et des enthalpies libres surfaciques des solides. L'enthalpie libre surfacique s d'un solide peut être reliée à la tension superficielle du liquide et aux chaleurs latentes de vaporisation et de sublimation. Cependant, quelques variations sur ce thème ont été proposées. Afin de choisir la corrélation adéquate pour les hydrocarbures et les nitriles solides, s peut être estimé pour quelques espèces de référence à partir de la constante d'Hamaker. La constante d'Hamaker est elle-même liée à la permittivité diélectrique, donc au spectre d'absorption de la phase solide. Ainsi, nous établissons un pont entre les études de laboratoire en cours sur les spectres des hydrocarbures et des nitriles solides, et le calcul des enthalpies libres surfaciques et des angles de contact. -- III -- Élaboration de modèles pour la description des changements de phase dans la basse atmosphère de Titan -- Les phénomènes essentiels qui doivent être décrits dans un modèle de changements de phase, outre la condensation et l'évaporation, sont la nucléation, la sédimentation des aérosols et le transport de gaz par diffusion turbulente. La nucléation est décrite à l'aide de la théorie classique. L'angle de contact n'est pas supposé nul, c'est un paramètre libre. Nous parvenons à mettre tous ces phénomènes ensemble en équation, en gérant des problèmes tels que le volume des aérosols juste après la nucléation et le traitement des aérosols de taille inférieure au rayon d'équilibre associé à l'effet Kelvin. Comme nous nous attendons à une évolution non stationnaire pour certaines valeurs de l'angle de contact, nous laissons le modèle dépendre du temps. Par conséquent, le modèle (numéroté 3) est représenté par un système d'équation aux dérivées partielles. Afin de vérifier la validité du modèle lui-même (la manière dont la nucléation est mise en équations) et la validité de la résolution numérique à venir, nous considérons un modèle (numéroté 2) plus simple avec nucléation instantanée, et nous démontrons que les solutions du modèle 3 doivent tendre vers une solution du modèle 2 lorsque l'angle de contact et l'enthalpie libre surfacique de la phase condensée tendent vers zéro. -- IV -- Nous étudions deux autres modèles simples. L'un des modèles (numéroté 1) suppose une sursaturation négligeable pour toutes les espèces. Ce modèle très facile à mettre en oeuvre permet de comprendre l'influence de certains paramètres comme le coefficient de diffusion turbulente, le flux de masse de tholins arrivant de la haute atmosphère, le rayon des particules de tholins et les fractions molaires en phase gazeuse à la surface. En particulier, pour des valeurs plausibles de ces paramètres (trouvées dans la littérature), en étudiant l'auto-cohérence du modèle, nous montrons que la sursaturation éventuelle du méthane serait due à l'inhibition de la nucléation ou à la coagulation plutôt qu'à la dynamique du transport gazeux et de la condensation (après la nucléation). Ainsi, la faible sursaturation n'est pas réellement une hypothèse et le modèle 1 donne des résultats corrects si la nucléation est facile et la coagulation peu importante. Dans ce cas, le cycle d'évaporation et de condensation du méthane dans la troposphère entraîne l'évaporation de typiquement quelques centimètres, et jusqu'à 50 cm, de méthane par an. L'échange de chaleur latente concomitant peut être de l'ordre de 0,1 W.m-2, et jusqu'à 3 W.m-2. La condensation de l'acétylène commence à environ 61 km, celle de l'éthane à 51 km. A la tropopause, le rayon des aérosols atteint approximativement 3 fois le rayon des noyaux de tholins. A 20 km, suite à la condensation du méthane, le rayon a augmenté jusqu'à une valeur qui est typiquement 200 fois supérieure au rayon des noyaux de tholins. Enfin, nous construisons un modèle spécialement pour illustrer le comportement périodique potentiel associé à certaines valeurs de l'angle de contact. Par opposition aux autres modèles, celui-ci ne prétend pas fournir des valeurs pour les propriétés de l'atmosphère de Titan, mais seulement une information qualitative. La périodicité est attendue quand l'abondance donnée par le modèle avec nucléation instantanée est nettement plus faible que l'abondance critique (déduite du taux de nucléation critique), elle-même nettement plus faible que l'abondance en l'absence de condensation. La période diminue alors avec l'abondance critique.

Mise au point et réalisation d'une méthode de prélèvement des gaz volcaniques qui permet de reconstituer la composition élémentaire d'une source gazeuse à haute température. Cette résolution est basée sur la minimisation de l'enthalpie globale du système par calcul sur une banque de données. Cette méthode a été testée sur plusieurs volcans : Mt St Helens, l'Etna, le mont Usu. La modélisation de l'évolution physico-chimique des gaz volcaniques lors de leur refroidissement permet de relier la composition des gaz magmatiques à la genèse des aérosols atmosphériques, à la formation des incrustations fumerolliennes ou à la genèse de certains gîtes métallifères