Academic literature on the topic 'Poussières minérales – Propriétés optiques'

L'effet radiatif direct des aérosols désertiques émis par érosion éolienne dans les régions arides et semi-arides représentent une source d'incertitude majeure pour la modélisation du climat. Pour mieux quantifier cet effet, des aérosols ont été générés en soufflerie à partir de sols de zones sources (Niger. Tunisie et Chine). Ces échantillons ont été caractérisés à l'aide de méthodes originales du point de vue des paramètres qui conditionnent leurs propriétés de diffusion et d'absorption des rayonnements solaire et tellurique : distribution granulométrique, morphologie des particules, compositions minéralogique et chimique, dont les teneurs et le statut des oxydes de fer. Ces données ont permis d'évaluer les propriétés optiques des aérosols et d'établir la relation entre absorption du rayonnement visible et oxydes de fer. Cela permet d'envisager à court, terme d'inclure une paramétrisation des propriétés optiques dans les modèles d'émission de poussières
Direct radiative impacts of desert aerosols emitted bv wind erosion on arid and semi arid zones are a major source of uncertainties of climate models. In this work, aerosols have been generated in wind-tuimel from soils of source region (Niger. Tunisia and Chine). These samples have been characterized with original methods, regarding properties controlling scattering and absorption properties of solar and telluric radiation: size distribution. Particle rnorphologv, mineralogical and chemical compositions, content and status of iron oxides. These data allow evaluation of dust optical properties and assessment of a relationship between iron oxides and absorption in the visible spectrum. In the near future, this should make it possible to include a parameterization ofoptical properties in dust emission models

La connaissance et le suivi de la composition chimique des aérosols atmosphériques sont très importants pour la compréhension et l'évaluation du climat, des processus environnementaux et de la qualité de l'air. La composition des aérosols détermine l'efficacité des interactions avec les nuages, l'interaction directe avec le rayonnement, l'évaluation de « Particulate Matter » (PM) et l'impact sur l'écosystème marin après le dépôt des aérosols. Les poussières minérales représentent la deuxième, après les aérosols marins, plus grande fraction des émissions des aérosols. L'effet radiatif net de la poussière atmosphérique dépend de sa composition minéralogique. La grande variété de la minéralogie du sol détermine la variabilité de la composition des poussières atmosphériques, mais un lien direct entre les deux n'est pas évident. L'objectif de cette thèse est d'établir un cadre pour la restitution cohérente des propriétés optiques des aérosols atmosphériques et des composants des aérosols en utilisant la synergie des mesures solaires et infrarouges thermiques (TIR). L'implémentation de ce développement est faite dans le cadre de l'algorithme GRASP (Dubovik et al., 2021). La synergie entre les deux parties des spectres vise à améliorer la sensibilité aux propriétés microphysiques des aérosols et de caractériser plus finement les composants minéralogiques de la poussière, par exemple en séparant les fractions de quartz et d'argile. Le développement présenté est une extension de l'approche GRASP/Component développée précédemment (Li et al., 2019). Une nouveauté importante est l'intégration de l'émission Planck dans le schéma de transfert radiatif de Ordres Successifs de Diffusion qui est employé par l'algorithme GRASP. En outre, des méthodologies line-by-line et K-Distribution pour intégrer les lignes d'absorption des gaz et une méthodologie pour traiter l'indice de réfraction très variable des aérosols minéraux dans le TIR ont été implémentées afin de remplir les objectifs. Des tests synthétiques ont été réalisés pour évaluer la précision i) de la méthodologie conçue pour les simulations de mesures d'un radiomètre infrarouge thermique et ii) de la paramétrisation réactualisée des composants de l'aérosol. En outre, une étude a été menée sur l'influence des informations supposées a priori. Une amélioration de la sensibilité aux grosses particules, une caractérisation plus fine des composants de la poussière, la restitution de la hauteur moyenne de couche des aérosols à partir de mesures passives et enfin la restitution de la concentration totale dans la colonne atmosphérique de vapeur d'eau ont été illustrées comme faisables en s'appuyant sur la synergie des mesures Solaire-TIR. Ainsi, le nouvel algorithme de restitution GRASP/Component combinant le spectre solaire-TIR a été appliqué aux mesures combinées du photomètre solaire AERONET (Holben et al., 1998) et du radiomètre infrarouge thermique CLIMAT (Legrand et al., 1999; Brogniez et al., 2003) au Sénégal. Les observations réelles, obtenues entre novembre 2020 et avril 2021 sur le site de Dakar Belair, ont été sélectionnées pour l'application de l’algorithme. Un accord important a été trouvé entre les valeurs restituées et les résultats correspondants du produit standard d'AERONET. Il a été constaté que la vapeur d'eau totale dans la colonne atmosphérique et la hauteur moyenne de couche des aérosols peuvent être restituées simultanément avec les caractéristiques des aérosols. Les restitutions ont montré une bonne corrélation avec la vapeur d'eau dérivée indépendamment par l’algorithme AERONET et un accord qualitatif a été observé avec les mesures de profils d'aérosols par un système lidar. Les étapes suivantes du travail incluent une validation plus poussée des composants d'aérosol restitués. La perspective réside dans l'application de l'algorithme à une combinaison des capteurs 3MI et IASI qui seront lancé à bord de la mission spatiale MetOp-SG A ou des missions similaires
Knowledge and monitoring of atmospheric aerosol chemical composition is highly important for the understanding and evaluation of Earth's climate, environmental processes and air quality. The aerosol composition drives the efficiency of interactions with clouds, direct interaction of radiation with the Particulate Matter, impact on marine ecosystem after the aerosol deposition, etc.. Mineral dust represents the second, after the marine aerosol, largest fraction of the global atmospheric aerosol emissions. The net radiative effect of the atmospheric dust depends on its mineralogical composition. The vast variety of soil mineralogy determines the variability of airborne dust composition, but direct link between them is not evident. Mineralogical composition of volcanic ash is even less predictable, while has an importance for aviation safety. Finally, the fraction of aerosol hygroscopic species is determinant for aerosol cloud interactions. The objective of this thesis is to establish a framework for the combined and consistent retrieval of atmospheric aerosol optical properties and aerosol components using synergy of solar and Thermal Infrared (TIR) measurements. The implementation is done as part of the GRASP algorithm (Dubovik et al., 2021). Synergy between both parts of the spectra is expected to provide an enhanced sensitivity to aerosol microphysical properties as well as a finer characterization of the mineral dust components, e.g. Quartz and clays fractions separation. The presented development is an extension the of previously developed GRASP/Components approach (Li et al., 2019). An important update has been done on the incorporation of Planck emission into the Successive Orders of Scattering radiative transfer scheme that is employed in the GRASP algorithm. In addition, line-by-line and K-Distribution methodologies to integrate gas absorption lines and a methodology to deal with the highly varying aerosol refractive index in TIR was implemented in order to fulfill the objectives. Synthetic tests were performed to evaluate the accuracy of (i) the designed methodology for the measurements simulation of a thermal infrared radiometer and (ii) the updated aerosol components parameterization. Furthermore, a synthetic study was conducted to evaluate the influence of a priori assumed information. An enhancement of the sensitivity to the coarse mode particles, a finer characterization of the dust components, the retrieval of the Aerosol Mean Height (AMH) from passive measurements and finally the retrieval of total column water vapor concentration was illustrated as possible based on the Solar-TIR measurements synergy. Namely, the new combined solar-TIR GRASP/Components retrieval algorithm was applied to the AERONET (AErosol RObotic Network) (Holben et al., 1998) sun photometer and the CLIMAT Thermal Infrared radiometer (Legrand et al., 1999; Brogniez et al., 2003) combined measurements conducted by LOA in Senegal. The observations conducted between November 2020 to April 2021 at the Dakar Belair site were selected for the application of the Solar-TIR GRASP/Components retrieval. A high degree of agreement was found between the derived values and the corresponding standard AERONET retrievals. Moreover, it was found that the total column water vapor and AMH can be retrieved simultaneously with the aerosol characteristics. The retrievals showed good correlation with the independently derived AERONET precipitable water and a qualitative agreement with lidar aerosol profiles observations. The future steps of this work include a further validation of the retrieved aerosol components. The perspective is in the algorithm application to combined 3MI and IASI-NG sensors that will fly onboard of MetOp-SG A space mission or similar

En raison de leur capacité à absorber et diffuser la lumière, les aérosols jouent un rôle essentiel dans le bilan radiatif de la Terre. Cependant, la grande variabilité spatiale et temporelle de leur concentration et propriété physico-chimique rend délicate la quantification précise de leur impact sur le climat. Les mesures par télédétection sont des outils efficaces d’observation et d’analyse des aérosols de l’échelle locale à globale. Néanmoins, pour exploiter pleinement les capacités de ce type d’instruments, il est indispensable de mieux connaître les propriétés optiques des aérosols qui dépendent de leurs propriétés minéralogiques ou chimiques. Ces deux propriétés sont liées par l’Indice Complexe de Réfraction (ICR), qui représente une des principales sources d’incertitudes de l’étude des aérosols par télédétection. L’objectif de ce travail est donc de proposer et d’exploiter une méthode originale visant à mieux déterminer les ICR de particules. Pour cela, une nouvelle approche robuste et versatile a été développée et mise en œuvre. Ainsi, afin de déterminer précisément les capacités de cette dernière, la validation de chacune des étapes du processus d’obtention des ICR a été réalisée. L’approche complète a ensuite été appliquée pour des particules en suspension de SiO2 amorphe et cristalline, qui constituent notamment, la fraction majoritaire des aérosols volcaniques et désertiques.Enfin, les premiers résultats obtenus pour des aérosols prélevés lors de campagnes de mesures sont également présentés. Ceux-ci mettent en évidence le potentiel de l’approche proposée pour la détermination d’ICR, en vue d’améliorer l’exploitation de la mesure des aérosols par télédétection
Due to their ability to absorb and scatter radiations, aerosols play an important role in the Earth’s radiative budget. However, quantitative estimations of their effects on climate are quite uncertain due to their large spatial and temporal variability in terms of concentration and physical properties. Measurements from remote sensing instruments are efficient tools to observe and investigate aerosol distributions from regional to global scales. Nevertheless, to fully exploit instrument capabilities, precise optical properties – dependent on chemical or mineralogical properties – are needed. These properties are linked by the Complex Refractive Index (CRI), which represents one of the main sources of uncertainty for studying aerosols from remote sensing instruments.The objective of this study is to propose and exploit a new methodology, aiming to determine precise CRI of particles. For this purpose, a new robust and versatile approach has been developed and implemented. Moreover, to determine capabilities of this approach, validation of each step in the procedure for CRI determination has been realized. The complete approach has been also applied for suspended particles of amorphous and crystalline SiO2, which are the major fraction of volcanic and mineral dust aerosols. Lastly, first results from collected samples from measurement campaigns are also presented. These results highlight the potential of the proposed approach to determine CRI, in order to improve the aerosol measurement exploitations by remote sensing instruments

Les aérosols troposphériques influencent la composition chimique de l’atmosphère, le bilan radiatif terrestre et le climat. Après formation, les aérosols subissent des processus de vieillissement altérant leurs propriétés microphysiques et chimiques. L’étude de l’impact environnemental des aérosols à différentes échelles spatio-temporelles doit donc tenir compte des transformations physico-chimiques. Les objectifs poursuivis sont : (i) d’étudier par microscopie analytique électronique à balayage et en transmission la composition élémentaire et l'état de mélange des particules atmosphériques prélevées lors d'épisodes de charge élevée en aérosol ; (ii) d’analyser les effets des propriétés microphysiques sur les caractéristiques optiques mesurées et restituées par télédétection ; (iii) de proposer un paramétrage ainsi qu’une représentation de la composition et de la structure des particules dans les algorithmes de télédétection. Ces travaux portent sur des observations dans le Nord de la France et en Afrique de l’Ouest (Sénégal) dans le cadre du Labex CaPPA et des campagnes de terrain SHADOW. Sont inclues des analyses complémentaires de la composition chimique et de la structure de particules individuelles, de mesures in situ et par télédétection de particules urbano-industrielles, désertiques et de biomasse prélevées en surface et à différentes altitudes. Une série de simulations numériques ont été utilisées dans le but d'analyser la sensibilité des observations par télédétection à l’état de mélange des aérosols. Enfin, l'intégration d'un paramétrage de la structure en "core-shell" des particules dans les algorithmes de restitution est présentée en perspective
Tropospheric aerosols play an important role in atmospheric chemistry, Earth’s radiative budget and climate. After their generation, aerosol can suffer ageing processes and altering their physicochemical properties. An accurate accounting for these processes requires observations of the aerosol properties on different temporal and spatial scales. The current thesis work is dedicated to: (i) study of physicochemical properties and mixing state of individual particles by means of analytical scanning and transmission electron microscopy for aerosols collected during episodes of elevated aerosol loading; (ii) analysis of the effect of microphysical properties on optical characteristics as measured and retrieved by remote sensing; and (iii) investigation of possible parameterization of aerosol composition and structure in remote sensing algorithms. The work presents observations conducted in northern France and western Africa (Senegal) as part of Labex CaPPA project and SHADOW field campaigns. It includes simultaneous analyses of collected individual particles composition and structure, remote sensing and in situ observations of urban/industrial, Saharan dust and biomass burning particles near the surface and on different altitudes. A series of numerical simulation devoted to an analysis of sensitivity of remote sensing observations to aerosol mixing state is conducted. Insights on possible parameterization of aerosol core-shell structure in retrieval algorithms are finally presented

Par absorption et diffusion des rayonnements solaire et tellurique les poussières désertiques agissent directement sur le bilan radiatif terrestre. À l'échelle globale, l'effet radiatif direct des poussières est actuellement estimé entre -0. 56 et + 0. 1 W m⁻², ne permettant pas de conclure sur le fait que les poussières induisent un refroidissement ou un réchauffement du système Terre/Atmosphère. L'estimation de cet effet demeure encore incertaine en raison de la connaissance limitée que nous avons des propriétés optiques de diffusion et d'absorption des poussières en lien avec leurs propriétés physico-chimiques. Mon travail s'inscrit dans cette problématique de réduction de ces incertitudes. Il a consisté à étudier les propriétés physico-chimiques (composition minéralogique, taille et forme) et optiques (coefficients de diffusion, d'absorption et d'extinction, albédo de simple diffusion et paramètre d'asymétrie) des poussières en Afrique de l'ouest observées dans le cadre du programme d'Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine (AMMA) à la station de Banizoumbou (Niger) en hiver et en été 2006. Les observations ont été utilisées pour effectuer des études de fermeture des propriétés optiques à l'aide d'un modèle optique. J'ai cherché à déterminer s'il est possible d'estimer les propriétés optiques des poussières à partir de la connaissance de leurs propriétés physico-chimiques. J'ai montré une bonne représentation des coefficients de diffusion et d'extinction par le calcul (écart calcul/mesure < 13 %). Cependant des efforts doivent être réalisés concernant l'estimation du coefficient d'absorption et de l'albédo de simple diffusion (écart calcul/mesure jusqu'à 291 %)
By absorption and scattering of the solar and terrestrial radiations, mineral dust has a direct radiative effect. At the global scale, this direct radiative effet is currently estimated between -0. 56 and + 0. 1 W m⁻², which doesn't allow to say if the mineral dust cools or warms the Earth/Atmosphere System. The estimation of this effect still remains uncertain because of the limited knowledge concerning the optical properties of mineral dust (scattering and absorption) which are linked with their physico-chemical properties. My work is incorporated within the issues of the reduction of these uncertainties. It involved the study of the physico-chemical (mineralogical composition, size and shape) and optical (scattering, absorption and extinction coefficients, single scattering albedo and asymmetry parameter) properties of thé minéral dust coming from western Africa, observed in the framework of the African Monsoon Multidisciplinary Analysis (AMMA) program at Banizoumbou (Niger) station in winter and summer 2006. With an optical model, these observations have been used in order to perform closure studies of the optical properties. I tried to determine if it is possible to estimate the optical properties of the mineral dust based on the knowledge of their physico-chemical properties. I showed a good representation of the scattering and absorption coefficients by calculation (calculation/measurement discrepancy < 13 %). However, efforts have to be performed concerning the estimation of the absorption coefficient and single scattering albedo (calculation/measurement discrepancy up to 291 %)

L'objet de cette étude est l'élaboration de matériaux polymères nanocomposites transparents à matrice polycarbonate, pour des applications dans des domaines tels que la lunetterie ou le vitrage automobile. L'incorporation de nanoparticules au sein du polycarbonate a été envisagée afin de lui conférer certaines propriétés mécaniques telles qu'une plus grande rigidité, une meilleure stabilité dimensionnelle, une résistance à la rayure plus importante, tout en conservant sa transparence. Le maintien de la transparence du matériau passe d'une part par l'utilisation de particules nanométriques présentant un indice de réfraction proche de celui de la matrice et d'autre part par une trés bonne dispersion de ces particules au sein de la matrice polymère. Ainsi différents types de nanoparticules minérales ont d'abord été sélectionnés puis incorporés dans la matrice polycarbonate. L'évaluation des performances de ces nanocomposites en termes de transparence et de propriétés mécaniques a non seulement permis d'affiner la sélection des charges, mais aussi mis en évidence la difficulté de limiter la dégradation de la matrice polycarbonate en présence des nanocharges. Afin d'optimiser les performances des matériaux considérés, une étude approfondie des mécanismes de dégradation de la matrice polycarbonate a été réalisée, et des modifications du procédé d'élaboration ont été envisagées afin de limiter la dégradation de la matrice au cours de l'élaboration des nanocomposites. Enfin, dans le cadre d'une réflexion plus générale sur les mécanismes de renforcement des nanocomposites, une étude a mis en évidence les relations structure/propriétés existant au sein des matériaux élaborés, soulignant l'influence des nanoparticules sur la mobilité moléculaire de la matrice polycarbonate
This study deals with the preparation of transparent polycarbonate nanocomposites for industrial applications such as optical lenses or automotive glazing. Incorporating nanoparticles to polycarbonate matrix aimed to improve some of its properties such as stiffness, dimensional stability, or scratch resistance, while maintaining intrinsic properties such as its transparency. Polycarbonate nanocomposites transparency depends on one hand on mineral partic/es diameter and refractive index, and on the other hand on the good dispersion of particles in polymer matrix. Therefore, different types of mineral fillers were selected and incorporated in polycarbonate matrix. The evaluation of mechanical and optical properties of these nanocomposites permitted not only to refine particles selection, but also to highlight polycarbonate degradation during compounding with nanofillers. ln order to optimize materials performances, a thorough study of degradation mechanisms was carried out, and the nanocomposites preparation process was modified so as to Iimit polycarbonate degradation in presence of mineral fillers. Lastly, in a more general framework, the reinforcement mechanisms involved in nanocomposite materials were investigated, and showed the existence of correlations between materials structure and properties, and the effect of mineral fi/lers on polycarbonate molecular dynamics

Les spectromètres embarqués sur plateforme satellitaire sont capables de détecter les aérosols atmosphériques à l’échelle globale et à haute résolution spectrale. Cependant, pour exploiter pleinement leurs capacités et pouvoir relier les propriétés optiques, la composition chimique et la concentration en masse des aérosols, il est essentiel d’avoir accès aux indices complexes de réfraction (ICR) de ces particules. Les ICR d’un aérosol de source naturelle peuvent être calculés directement à partir de l’échantillon naturel ou bien en appliquant les théories des milieux effectifs utilisant les ICR des composés purs présents dans les particules. Dans ce cas, il est nécessaire de connaître la fraction massique de chaque espèce chimique et leurs ICR. Dans la littérature, des bases de données recensent les ICR de nombreux composés. Cependant la détermination de ces ICR est réalisée sur des plages de longueurs d’onde limitées et par réflectance sur des matériaux massifs ou des pastilles compressées, non représentatifs de particules en suspension, ce qui limite la fiabilité de certains jeux d’indice.Cette thèse se consacre à l’étude des propriétés optiques de particules prélevées dans le désert de Gobi. L’objectif est de déterminer les ICR de l’échantillon naturel de Gobi et de ses principaux composés (illite, calcite et quartz). Les particules sous forme de poudre sont remises en suspension et entrainées au travers d’un flux continu vers des spectromètres infrarouge et UV-visible pour enregistrer les spectres d’extinction puis vers des granulomètres afin d’obtenir leur distribution en taille. Les données expérimentales sont associées à un algorithme d’inversion combinant différentes théories de diffusion optique : Rayleigh, Continuous Distribution of Ellipsoid (CDE) et Mie. Par le biais, de la forme soustraite des relations de Kramers-Kronig et une méthode d’estimation optimale, les constantes optiques n et k sont restitués et pourront améliorer les bases de données d’ICR.Enfin, des comparaisons entre les ICR de Gobi restitués par notre méthodologie et ceux calculés par les théories de mélanges seront présentés
Spectrometers are powerful instruments, especially when used from satellites to detect atmospheric aerosols at a global scale and with high spectral resolution. However, to fully exploit their capabilities and be able to link the optical properties, chemical composition and mass concentration of aerosols, it is essential to have access to the complex refractive indices (CRI) of these particles. The CRI of a natural aerosol source can be retrieved from measurements performed directly from the natural sample or by applying some effective medium approximation using the CRI of the pure compounds present in the particles. But in that case, it is necessary to know the mass fraction of each chemical species and also their CRI. In the literature, CRI databases of numerous compounds exist. But several limitations are encountered because the measurements are carried out over limited wavelength ranges and by reflectance on bulk materials or pressed pellets that do not represent aerosols.This thesis is dedicated to the study of the optical properties of particles collected in the Gobi Desert. The objective is to determine the CRI of the natural sample of Gobi and its main compounds (illite, calcite and quartz). The particles in powder form are resuspended and driven through a continuous flow to an infrared and a UV-visible spectrometers to record extinction spectra and then to particle sizers. The recorded extinction spectra are associated with an inversion algorithm combining different theories as Rayleigh, Continuous Distribution of Ellipsoid (CDE) and Mie. Through the single-subtractive relation of Kramers-Kronig and an optimal estimation method, the optical constants n and k are retrieved and can be implemented in the CRI databases.Finally, comparisons between the Gobi CRI retrieved by our methodology and those calculated by the mixing theories will be presented