Tesi: "Aérosols organiques secondaires – Toxicologie"

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Jacob, Florence. "Génération contrôlée et détermination de l'impact toxicologique des aérosols organiques secondaires". Electronic Thesis or Diss., Université de Lille (2022-....), 2023. http://www.theses.fr/2023ULILS078.

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Abstract (sommario):

L'exposition chronique aux particules atmosphériques d’un diamètre inférieur à 2,5 μm (PM2,5) à des concentrations supérieures au niveau recommandé par l'organisation mondiale de la santé est à l’origine de la survenue et/ou l’aggravation de pathologies respiratoires, cardiovasculaires, neurologiques, voire de cancers. Des valeurs seuils réglementaires ont été définies concernant la concentration massique ambiante des PM2,5. Cependant, ces valeurs ne tiennent pas compte de l’impact des variations de la composition chimique des particules sur les effets biologiques induits. Une attention particulière a été portée dans la littérature sur plusieurs composés reconnus comme nocifs tels que les métaux et les hydrocarbures aromatiques polycycliques qui ont pour certains étés réglementés. Néanmoins, d’autres constituants sont encore, à ce jour, peu étudiés alors qu’ils pourraient jouer aussi un rôle important dans la toxicité particulaire. Il s’agit notamment des aérosols organiques secondaires (AOS) qui constituent une fraction chimique majeure des PM2,5 et peuvent représenter jusqu'à 90% de leur masse de matière organique. Ils sont formés par réaction/oxydation/condensation de composés organiques volatils (COV) dans l'atmosphère. Une hausse de la concentration des AOS en air ambiant est attendue dans le futur en raison de l'augmentation concomitante des émissions de précurseurs de COV et de la capacité oxydante de l'atmosphère liés au changement climatique. Dans ce contexte, ce projet de thèse a consisté, dans un premier temps, à générer des AOS modèles résultant de l'oxydation de deux COV largement présents dans l'atmosphère, l'un d'origine biogénique, le limonène, et l'autre d'origine anthropique, le m-xylène. L’ozonolyse du limonène et la photooxydation du m-xylène ont été respectivement réalisées dans un réacteur à écoulement et une chambre de simulation. 2 types d’oxydation ont été testés pour la synthèse des AOS biogéniques : l’une avec une concentration faible et l’autre avec une concentration forte d’ozone. Les phases particulaires ont été ensuite caractérisées en termes de granulométrie (particules quasi-ultrafines de quelques centaines de nm), de masse et de composition chimique (fonctions hydroxyles, carbonyles, acides carboxyliques, oligomères, pour le limonène ; nitrophénols, dimères pour le xylène). Dans un second temps, le potentiel oxydant intrinsèque (PO) des AOS biogéniques et anthropiques générés a été évalué, de même que leur impact toxicologique, en termes de stress oxydant et d’effets inflammatoires, sur un modèle de cellules épithéliales bronchiques humaines immortalisées (BEAS-2B). Les résultats obtenus ont montré que, parmi les AOS biogéniques, ceux produits avec une faible concentration d’ozone présentent un PO et une réponse antioxydante plus marqués. Par ailleurs, nos résultats indiquent également que, comparés à ces AOS biogéniques, les AOS issus de la photo-oxydation du m-xylène ont un PO plus élevé et présentent une cytotoxicité et une activation des défenses antioxydantes plus importantes. De plus, des lésions oxydatives sur les protéines et l’ADN ont également été détectées dans les cellules exposées à ces AOS. Globalement, les résultats issus de ce projet permettent d’améliorer la connaissance de la composition chimique de la phase particulaire de ces AOS modèles et apportent de nouvelles connaissances sur les mécanismes impliqués dans leur toxicité pulmonaire
Chronic exposure to atmospheric particles with a diameter less than 2.5 μm (PM2.5) at concentrations exceeding the levels recommended by the World Health Organization is responsible for the onset and/or exacerbation of respiratory, cardiovascular, neurological, and even cancer-related diseases. Regulatory threshold values have been defined regarding the ambient mass concentration of PM2.5, but these values do not take into account the impact of variations in the chemical composition of particles on induced biological effects. Special attention has been given in the literature to certain recognized harmful compounds such as metals and polycyclic aromatic hydrocarbons, some of which have been regulated. Nevertheless, other compounds are still poorly studied to date, even though they could also play an important role in particulate toxicity. This includes secondary organic aerosols (SOA), which constitute a major chemical fraction of PM2.5 and can represent up to 90% of their organic matter mass. They are formed through the reaction/oxidation/condensation of volatile organic compounds (VOCs) in the atmosphere. A rise in ambient SOA concentration is expected in the future due to the simultaneous increase in VOC precursor emissions and the oxidizing capacity of the atmosphere related to climate change. In this context, the present project first consisted in generating model SOA resulting from the oxidation of two VOCs that are widely present in the atmosphere, one of biogenic origin, limonene, and the other of anthropogenic origin, m-xylene. Limonene ozonolysis and m-xylene photooxidation were respectively carried out in a flow reactor and a simulation chamber. Two types of oxidations were tested for biogenic SOA synthesis: one with low ozone concentration and the other with high ozone concentration. The particulate phases were then characterized in terms of size (few hundred nm), mass, and chemical composition (hydroxyl, carbonyl, carboxylic acid functions, oligomers for limonene; nitrophenols, dimers for xylene). In a second step, the intrinsic oxidative potential (OP) of the generated biogenic and anthropogenic SOA was evaluated, as well as their toxicological impact in terms of oxidative stress and inflammatory effects on a model of immortalized human bronchial epithelial cells (BEAS-2B). The results obtained showed that among the biogenic SOA, those produced with low ozone concentration exhibit a more pronounced OP and antioxidant response. Furthermore, our results also indicate that, compared to these biogenic SOA, SOA resulting from m-xylene photooxidation have a higher OP and display greater cytotoxicity and activation of antioxidant defenses. In addition, oxidative damage to proteins and DNA was also detected in cells exposed to these SOA. Overall, the results from this project contribute to improving our knowledge on the chemical composition of SOA particulate phase and provide new insights into the mechanisms involved in their pulmonary toxicity

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Guillaume, Bruno. "Les aérosols : émissions, formation d'aérosols organiques secondaires, transport longue distance, zoom sur les aérosols carbonés en Europe". Toulouse 3, 2006. http://www.theses.fr/2006TOU30260.

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Abstract (sommario):

On regroupe sous le nom d'« aérosols carbonés » deux espèces chimiques différentes : le « carbone suie » (« Black Carbon » BC) et le carbone organique ( « Organic Carbon » OC). BC est intégralement émis par les sources de combustion tandis que OC comporte à la fois une partie émise (OC primaire, OCp) et une partie formée secondairement par photochimie dans l'atmosphère (aérosols organiques secondaires, SOA). La complexité de ce type d'aérosols n'est aujourd'hui que peu représentée dans les modèles existants. On relève deux sources principales d'incertitude dans l'étude de l'impact climatique des aérosols carbonés. La première porte sur les inventaires d'émissions, la deuxième sur la modélisation complexe de leur évolution dans l'atmosphère (transport, interactions gaz-particules, dépôts sec et humide). Dans le contexte de ma thèse réalisée au Laboratoire d'Aérologie de Toulouse (LA), j'ai pris en compte cette complexité en développant un inventaire d'émissions d'aérosols carbonés sur l'Europe mais aussi un nouvel outil de modélisation 3D à l'échelle globale. Stratégiquement, mon travail s'articule en cinq étapes:une meilleure caractérisation des inventaires d'émissions de BC et OCp, en développant un nouvel inventaire des sources principales que sont les combustions de fuels fossiles et de biofuels (secteur industriel, secteur domestique, trafic). Cet inventaire, de résolution 25kmx25km, fournit les émissions de BC et OCp pour 1995, 2000, 2005, 2010 et comporte deux zooms régionauxsur la France à la résolution 10kmx10km et sur la région de la campagne Escompte à la résolution 1kmx1km, le développement d'un nouvel outil de modélisation globale de BC et OC (primaire et secondaire) par couplage du module d'aérosol ORISAM (module sectionnel) (LA/INERIS/ADEME) avec le modèle global de chimie-transport TM4 (collaboration LA/KNMI), qui permet à la fois la prise en compte d'une distribution des aérosols suivant 8 classes de taille (0. 04µm-10 µm) et la prise en compte d'une composition chimique détaillée des aérosols (BC et OCp constituant le noyau de la particule sur lequel condensent plus de 6 réactifs chimiques organiques/inorganiques), des simulations avec ce nouveau modèle global baptisé ORISAM-TM4, des confrontations de résultats avec les mesures de BC et OC et l'étude du transport longue distance des aérosols, des tests de sensibilité sur la formation des aérosols organiques secondaires (SOA) portant sur différentes familles de composés organiques volatils (COV) précurseurs de SOA et portant également sur l'hygroscopicité des SOA (caractère hydrophile/hydrophobe), enfin, j'ai couplé ce nouvel outil ORISAM-TM4 à un module radiatif pour déterminer les propriétés optiques des aérosols (épaisseur optique, albédo de simple diffusion) en mélange interne à l'échelle globale.

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Kammer, Julien. "LANDEX : étude des aérosols organiques secondaires (AOS) générés par la forêt des Landes". Thesis, Bordeaux, 2016. http://www.theses.fr/2016BORD0402/document.

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Abstract (sommario):

L’objectif de ce travail de thèse est d’améliorer l’état de nos connaissances sur les processus de formation et du devenir de l’AOS, en lien avec la réactivité des COVB avec les oxydants de l’atmosphère et en particulier l’ozone, en utilisant le potentiel de l’écosystème landais en tant que source d'AOS biogénique. Pour cela, des campagnes de terrain ont été menées sur un site de mesure en forêt landaise, écosystème particulièrement approprié pour l’étude de la formation et du devenir des AOS. Au cours de ces campagnes, différents paramètres physico-chimiques complémentaires ont été mesurés, tels que les concentrations et les flux de particules, d’oxydants et de COVB. Des épisodes nocturnes de formation de nouvelles particules ont été mis en évidence, ce qui constitue un résultat original car les évènements rapportés jusqu’ici dans la littérature étaient principalement diurnes. La contribution importante de l’ozonolyse des monoterpènes émis par les pins maritimes, dominés par l’α- et le β-pinène, à la formation nocturne de nouvelles particules a également été démontrée. Les mesures de flux de particules réalisées suggèrent que les particules formées au cours de la nuit sont transférées depuis la canopée vers les plus hautes couches de l’atmosphère. Une production d’ozone a également été démontrée par la comparaison des mesures de flux d’ozone à un modèle physique de dépôt. Cette source d’ozone pourrait être liée à la photooxidation des COVB
Forest ecosystems affect air quality and climate, especially through the emissions and the reactions of biogenic volatile organic compounds (BVOCs) with the atmospheric oxidants, known to generate Secondary Organic Aerosols (SOAs). This work aims to improve our knowledge on the processes involved in biogenic SOA formation and fate. Two field campaigns have been conducted in the Landes forest. In a first step, the measurement site was characterized by a statistical study of local meteorological conditions. During these campaigns, complementary physical and chemical measurements have been carried out, implying measurements of fluxes and concentrations of particles, BVOCs and oxidants. The results evidenced nocturnal new particle formation, which is an original result as this process was usually only reported during daytime. The strong contribution of BVOCs (dominated by α- and β-pinene) ozonolysis to nocturnal new particle formation has been demonstated. Particle flux measurements suggested that particles are transfered from the canopy to the higher atmospheric surface layer. The comparison between ozone fluxes and a physical ozone deposition model also highlighted an ozone production source. This ozone production might be related to BVOC photooxidation

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Leglise, Joris. "Etude de la formation d'aérosols organiques secondaires par spectométrie de masse lors de l'ozonolyse de composés organiques volatils insatures". Thesis, Orléans, 2019. http://www.theses.fr/2019ORLE3013.

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Abstract (sommario):

La compréhension de la formation des aérosols organiques secondaires (AOS) reste lacunaire, notamment lors de l’ozonolyse de composés organiques volatils (COV) insaturés. La mesure de composés de faible volatilité participant à la génération des AOS est un défi auquel la communauté scientifique tente de répondre. Un des objectifs de ce travail de thèse était l’installation et l’emploi d’un système d’échantillonnage et de mesure de la composition chimique de l’aérosol par spectrométrie de masse à ionisation chimique (FIGAERO-CI-ToF-MS). Cet instrument a été utilisé dans le cadre de l’ozonolyse de COV insaturés dans la chambre de simulation atmosphérique HELIOS et a permis d’évaluer les conditions de formation d’acides carboxyliques et de composés organosoufrés. Les voies de formation spécifiques des organosulfates (OS) ont par ailleurs été étudiées en injectant des particules d’ensemencement acidifiées. Cette étude a confirmé la faible efficacité de l’estérification des groupements hydroxyles. A l’inverse, la formation d’OS par ouverture de cycle époxyde est plus efficace et augmente à pH plus acide. Par ailleurs, l’augmentation de l’humidité relative a un impact positif sur la génération d’acides carboxyliques en phase particulaire.Un deuxième objectif était la caractérisation d’un système de collecte de l’aérosol et de mesure de sa composition chimique, couplé à un spectromètre de masse à transfert de protons (CHARON-PTR-ToF-MS). La mesure de la fragmentation de 26 composés purs en phase particulaire a permis le développement d’une procédure corrective tenant compte du phénomène de fragmentation. Cette procédure a été appliquée à la mesure d’AOS générés par l’ozonolyse de COV biogéniques en réacteur a écoulement. La volatilité de l’aérosol produit a été estimée par l’installation d’un tube thermodénudeur. La prise en compte de la fragmentation a grandement amélioré l’accord entre la mesure de la volatilité et son calcul par plusieurs équations paramétriques
The understanding of secondary organic aerosols (SOA) is still incomplete, especially from the ozonolysis of unsaturated volatile organic compounds (VOC). The measurement of low volatility compounds involved in SOA formation is a challenge that the scientific community attempts to address. One of the objectives of this thesis work was the installation and use of a system for sampling and measuring the chemical composition of the aerosol by chemical ionization mass spectrometry (FIGAERO-CI-ToF-MS). This instrument has been used in the ozonolysis of unsaturated VOCs in the atmospheric simulation chamber HELIOS and the conditions for the formation of carboxylic acids and organosulfur compounds has been evaluated. The specific formation pathways of organosulfates (OS) have in addition been studied by injecting acidified seed particles. This study confirmed the low efficiency of the esterification of hydroxyl groups. Conversely, OS formation by epoxide ring opening is more efficient and increases with more acidic pH. In addition, the increase in relative humidity has a positive impact on the generation of carboxylic acids in the particulate phase.A second objective was the characterization of a system coupled to a proton transfer mass spectrometer (CHARON-PTR-ToF-MS) for collecting aerosols and measuring its chemical composition. The measurement of the fragmentation of 26 pure compounds in particulate phase allowed the development of a corrective procedure taking into account fragmentation process. This procedure was applied to the measurement of SOA generated by the ozonolysis of biogenic VOCs in an aerosol flow reactor. The volatility of the aerosol has been estimated using a thermodenuder installed downstream of the reactor. Taking into account fragmentation has greatly improved the agreement between the measured and the calculated volatility by several parametric equations

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Guillaume, Bruno. "Les aérosols:émissions, formation d'aérosols organiques secondaires, transport longue distance- Zoom sur les aérosols carbonés en Europe -". Phd thesis, Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2006. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00145318.

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Abstract (sommario):

On regroupe sous le nom d' « aérosols carbonés » deux espèces chimiques différentes : le « carbone suie » (« Black Carbon » BC) et le carbone organique ( « Organic Carbon » OC). BC est intégralement émis par les sources de combustion tandis que OC comporte à la fois une partie émise (OC primaire, OCp) et une partie formée secondairement par photochimie dans l'atmosphère (aérosols organiques secondaires, SOA). La complexité de ce type d'aérosols n'est aujourd'hui que peu représentée dans les modèles existants. On relève deux sources principales d'incertitude dans l'étude de l'impact climatique des aérosols carbonés. La première porte sur les inventaires d'émissions, la deuxième sur la modélisation complexe de leur évolution dans l'atmosphère (transport, interactions gaz-particules, dépôts sec et humide). Dans le contexte de ma thèse réalisée au Laboratoire d'Aérologie de Toulouse (LA), j'ai pris en compte cette complexité en développant un inventaire d'émissions d'aérosols carbonés sur l'Europe mais aussi un nouvel outil de modélisation 3D à l'échelle globale. Stratégiquement, mon travail s'articule en cinq étapes:
- une meilleure caractérisation des inventaires d'émissions de BC et OCp, en développant un nouvel inventaire des sources principales que sont les combustions de fuels fossiles et de biofuels (secteur industriel, secteur domestique, trafic). Cet inventaire, de résolution 25kmx25km, fournit les émissions de BC et OCp pour 1995, 2000, 2005, 2010 et comporte deux zooms régionaux : sur la France à la résolution 10kmx10km et sur la région de la campagne Escompte à la résolution 1kmx1km,
- le développement d'un nouvel outil de modélisation globale de BC et OC (primaire et secondaire) par couplage du module d'aérosol ORISAM (module sectionnel) (LA/INERIS/ADEME) avec le modèle global de chimie-transport TM4 (collaboration LA/KNMI), qui permet à la fois la prise en compte d'une distribution des aérosols suivant 8 classes de taille (0.04µm-10 µm) et la prise en compte d'une composition chimique détaillée des aérosols (BC et OCp constituant le noyau de la particule sur lequel condensent plus de 6 réactifs chimiques organiques/inorganiques),
- des simulations avec ce nouveau modèle global baptisé ORISAM-TM4, des confrontations de résultats avec les mesures de BC et OC et l'étude du transport longue distance des aérosols,
- des tests de sensibilité sur la formation des aérosols organiques secondaires (SOA) portant sur différentes familles de composés organiques volatils (COV) précurseurs de SOA et portant également sur l'hygroscopicité des SOA (caractère hydrophile/hydrophobe),
- enfin, j'ai couplé ce nouvel outil ORISAM-TM4 à un module radiatif pour déterminer les propriétés optiques des aérosols (épaisseur optique, albédo de simple diffusion) en mélange interne à l'échelle globale.

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Martin, Emmanuel. "Etude et modélisation de la formation et de la croissance des aérosols organiques secondaires d'origine biogène". Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008), 2001. http://www.theses.fr/2001STR13195.

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Martinez, Alvaro. "Contribution des composés organiques volatils (COVs) provenant des émissions des véhicules aux aérosols organiques secondaires (AOS) et à la pollution urbaine". Thesis, Lyon, 2019. http://www.theses.fr/2019LYSE1041.

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Abstract (sommario):

Le secteur des transports est fondamental pour le développement économique d'un pays et pour assurer la communication et une bonne qualité de vie. Cependant, le transport routier conduit à une grave dégradation de la qualité de l'air et contribue au réchauffement de la planète. Parmi tous les polluants, les particules fines et ultrafines, émises par les véhicules mais également formées dans l'atmosphère sont considérées toxiques. De nombreuses études montrent que l’exposition chronique aux particules fines favorise le développement de pathologies respiratoires et cardiovasculaires. Les précurseurs gazeux, les principaux mécanismes réactionnels ainsi que les transformations physiques que les Aérosol Organiques Secondaires (AOS) subit dans l'atmosphère restent encore incertains. La présente étude porte principalement sur la caractérisation des polluants primaires émis par les échappements automobiles et les transformations photochimiques des COV / COVI. Les émissions des voitures ont été évaluées à l’aide d’un banc à rouleau au laboratoire de l’IFSTTAR. Les mesures du nombre de particules ont été effectuées directement au niveau de l’échappement. Pour les véhicules GDI, PN0.23 (<23 nm) représentait en moyenne 20- 30% du nombre total de particules émises, alors que pour les voitures diesel, cette fraction était bien inférieure (≈10-15%). Lors des régimes à grande vitesse (autoroutier Artemis) des véhicules diesel, une régénération passive de Filtre à Particules (FAP) a été observée. Les particules émises étaient principalement constituées de suie, de bisulfate et de matière organique. Les particules émises par les voitures essence à injection directe étaient principalement composées de Black Carbon (BC) et de gouttelettes organiques contenant des éléments. Pendant le démarrage à froid, les voitures GDI émettent des concentrations importantes de BC et de matière organique. Les émissions d'hydrocarbures ont également été étudiées. Les véhicules GDI ont émis des concentrations importantes de THC lors du démarrage à froid. Parmi les composés aliphatiques, des composés jusqu’à la C15 ont été identifiés, confirmant l’émission d'hydrocarbures plus lourds par les voitures diesel. La deuxième partie de ce travail consistait à étudier la transformation atmosphérique de certains COV (toluène, naphtalène, cyclohexane, nonane) émis par les véhicules Euro 5 et Euro 6 et à déterminer le potentiel de formation d’AOS de ces composés. Les composés choisis ont été photo-oxydés (seuls et en mélange) dans un réacteur à tube à flux d'aérosol afin de simuler leur vieillissement atmosphérique. Les résultats majeurs suggèrent: (1) des composés aromatiques et des HAP représentent les composés avec le plus fort potentiel de formation d'AOS ; (2) la température a un impact important sur la formation et le rendement d'AOS ; (3) la présence de particules préexistantes a un effet positif sur la formation d'AOS; (4) il a été constaté que la présence des NOx affectaient négativement la formation d'AOS ; (5) la formation d'AOS de mélanges de COV est fortement influencée par la fraction de composé aromatique. Certains des produits identifiés dans la phase particulaire n’ont jamais été signalés auparavant. La dégradation des composés aromatiques en régime de NOx moyen a produit des composés nitro-aromatiques identifiés à la fois en phase gazeuse et en phase particulaire. Cette thèse contribue à enrichir la base de données d’émissions des voitures, encore limitée aux véhicules Euro 5 et Euro 6. La spéciation des composés non réglementés aidera à mieux comprendre le budget atmosphérique d’AOS et les impacts des voitures sur la qualité de l’air. Enfin, l’étude de photoxydation de COV primaires (seuls, mélange et émissions complètes) conduira à une meilleure compréhension de la formation d’AOS
The transport sector is fundamental to the economic development of a country and to ensure communication and a good quality of life. However, road transport contributes significantly to global warming and leads to serious degradation of the air quality. Among all pollutants, fine and ultrafine particles, emitted by vehicles but also formed in the atmosphere are considered as potentially toxic. Many studies show that chronic exposure to fine particles promotes the development of respiratory and cardiovascular diseases. The main gaseous precursors, the atmospheric chemical pathways as well as the chemical composition and the physical transformations that secondary organic aerosol (SOA) undergo in the atmosphere, remain poorly understood. The main aim of this work was on one side to improve the knowledge about primary pollutants emitted from Euro 5 and Euro 6 diesel and gasoline passenger cars and on the other side to investigate the photochemical transformations of the VOCs/IVOCs emitted from these cars. Passenger car emissions have been evaluated on a chassis dynamometer test bench at the IFSTTAR laboratory. Particle number measurements were carried out directly at the tailpipe. For GDI vehicles PN0.23 (< 23 nm) represented on average 20 -30 % of total particle number emitted, while for diesel cars, this fraction was considerably lower (≈10-15%). During high speed regimes (Artemis motorway) of diesel passenger cars Diesel Particulate Filter (DPF) passive regeneration was observed. These periods were characterized by a high particle number concentration; their composition was mainly soot, bisulfate and some organic material. PM emitted from gasoline DI passenger cars was mainly composed by BC and some organic droplets containing traces of other elements. During cold start GDI cars do emit important concentrations of BC and organic material. Emission of hydrocarbons has also been investigated. Gasoline DI emitted important concentration of THCs during cold start. Among the aliphatic compounds, families until C15 have been identified, confirming emission of heavier HCs from diesel cars. The second aim of this work was the study of atmospheric degradation of selected VOCs (toluene, naphthalene, cyclohexane, nonane) emitted from Euro 5 and Euro 6 vehicles and to determine the SOA formation potential of these compounds under different environmental conditions. The chosen compounds have been photoxidized (alone and in mixture) in an Aerosol Flow Tube (AFT) reactor in order to simulate VOCs atmospheric aging. The results suggest: (1) aromatic and PAHs compounds, own highest potential to form SOA; (2) the temperature has an important impact on SOA formation and yield; (3) the presence of pre-existing seed particles has, in general, a positive effect on SOA formation and (4) NOx has been found to negatively affect SOA formation; (5) SOA potential formation of VOC mixtures is highly influenced by the fraction of aromatics. Some of the products identified in the particle phase have never been previously reported. Degradation of aromatic compounds under medium NOx regime produced nitro-aromatic compounds identified both in the gas and particle phase. This PhD contributes to enrich vehicle emissions database, still limited for Euro 5 and Euro 6 cars. Speciation of non-regulated compound will help to better understand atmospheric SOA budget and car emissions air quality impacts. By last, the photoxidation study of primary VOCs (alone, mixture and full emissions) will lead to a better comprehension of SOA formation from vehicles

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Riva, Matthieu. "Caractérisation d'une nouvelle voie de formation des aérosols organiques secondaires (AOS) dans l'atmosphère : rôle des précurseurs polyaromatiques". Phd thesis, Université Sciences et Technologies - Bordeaux I, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00952636.

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Abstract (sommario):

Ce travail a pour objectif d'étudier la formation des aérosols organiques secondaires (AOS) formés dans l'atmosphère à partir de l'oxydation en phase gazeuse de composés organiques volatils en présence d'oxydants atmosphériques (ozone, radicaux hydroxyle, chlore et nitrate). Parmi eux, les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) ont été proposés comme étant une source potentiellement importante d'AOS d'origine anthropique. Ainsi, l'oxydation de quatre HAP gazeux majoritaires (naphtalène, acénaphtylène, acénaphtène et phénanthrène) en présence des principaux oxydants atmosphériques a été menée afin de déterminer la formation d'AOS. La caractérisation des phases gazeuse et particulaire par spectrométrie de masse et spectroscopie optique a permis d'identifier les principaux produits d'oxydation afin de proposer des mécanismes réactionnels conduisant à la formation d'AOS. Les différents rendements de formation ont également été déterminés dans le but d'évaluer l'impact de l'oxydation des HAP en phase gazeuse comme source d'aérosols. Les expériences ont été conduites en chambres de simulation atmosphérique ainsi qu'en réacteur à écoulement. L'évolution de l'AOS au cours de son vieillissement a également été étudiée pour identifier les différents processus oxydatifs mis en jeu au sein de l'aérosol organique.

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Riva, Matthieu. "Caractérisation d’une nouvelle voie de formation des aérosols organiques secondaires (AOS) dans l’atmosphère : rôle des précurseurs polyaromatiques". Thesis, Bordeaux 1, 2013. http://www.theses.fr/2013BOR14942/document.

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Abstract (sommario):

Ce travail a pour objectif d'étudier la formation des aérosols organiques secondaires (AOS) formés dans l'atmosphère à partir de l'oxydation en phase gazeuse de composés organiques volatils en présence d’oxydants atmosphériques (ozone, radicaux hydroxyle, chlore et nitrate). Parmi eux, les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) ont été proposés comme étant une source potentiellement importante d’AOS d’origine anthropique. Ainsi, l’oxydation de quatre HAP gazeux majoritaires (naphtalène, acénaphtylène, acénaphtène et phénanthrène) en présence des principaux oxydants atmosphériques a été menée afin de déterminer la formation d’AOS. La caractérisation des phases gazeuse et particulaire par spectrométrie de masse et spectroscopie optique a permis d’identifier les principaux produits d’oxydation afin de proposer des mécanismes réactionnels conduisant à la formation d’AOS. Les différents rendements de formation ont également été déterminés dans le but d'évaluer l'impact de l'oxydation des HAP en phase gazeuse comme source d’aérosols. Les expériences ont été conduites en chambres de simulation atmosphérique ainsi qu'en réacteur à écoulement. L'évolution de l'AOS au cours de son vieillissement a également été étudiée pour identifier les différents processus oxydatifs mis en jeu au sein de l'aérosol organique
This work deals with the secondary organic aerosol (SOA) formation from gas phase oxidation of volatile organic compounds in the presence of atmospheric oxidants (ozone, hydroxyl radical, chlorine and nitrate radical). Among them, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) have been proposed as an important potential source of anthropogenic SOA. The oxidation of 4 main gaseous PAHs (naphthalene, acenaphthylene, acenaphthene and phenanthrene) in the presence of main atmospheric oxidants has been performed in order to investigate the SOA formation. Characterization of both gas and particulate phases has been carried out using mass spectrometry and optical spectroscopy allowing the identification of products in both phases. Then, chemical mechanisms have been proposed in order to explain SOA formation. SOA yields have been also determined to evaluate the impact of the gas phase oxidation of PAHs in SOA formation. Experiments have been carried out using flow tube and atmospheric simulation chambers. SOA fate has been investigated to determine the different oxidation processes involved in SOA aging

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Braure, Tristan. "Etude en réacteurs à écoulement de cinétiques et mécanismes d'oxydation de composés organiques volatils". Thesis, Lille 1, 2015. http://www.theses.fr/2015LIL10033/document.

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Abstract (sommario):

Ce travail visait à améliorer la compréhension des 1ères étapes des processus menant à la formation d’aérosols organiques secondaires (AOS) lors de l’oxydation de composés organiques volatils biogéniques. Les intermédiaires de Criegee (CI) formés au cours des réactions d’ozonolyse étant soupçonnés de jouer un rôle important dans la formation d’AOS, leur devenir a d’abord été étudié à travers l’ozonolyse d’alcènes méthylés en phase gazeuse. Les coefficients de vitesse et les rendements en produits carbonylés primaires ou produits de réarrangement des CI ont ainsi été déterminés pour l’ozonolyse du 4-méthyl-1-pentène, du trans-2,2-diméthyl-3-hexène et du trans-2,5-diméthyl-3-hexène à pression et température ambiantes. De plus, les réactions d’oxydation du limonène par les radicaux °OH et par l'ozone ont été étudiées en déterminant leurs coefficients de vitesse et en caractérisant, pour la réaction d’ozonolyse, la phase particulaire (seuil de nucléation ; granulométrie des aérosols ; rendement en aérosol). Les dispositifs expérimentaux utilisés pour ces travaux étaient constitués de réacteurs à écoulement laminaire permettant d’étudier les 1ères étapes de la réaction (quelques ms à quelques min) couplés à un ensemble de techniques analytiques complémentaires pour les phases gazeuse et particulaire. En particulier, la détection indirecte d'un CI a été mise en évidence par l'utilisation d'un piégeur organique ; le coefficient de vitesse de la réaction d'oxydation du limonène par °OH ainsi que son mécanisme réactionnel ont été étudiés pour un intervalle étendu par rapport à la littérature ; les 1ères de formation de l'AOS par l'ozonolyse du limonène ont été caractérisées
This work aimed at improving our knowledge on the first steps of secondary organic aerosol (SOA) formation through the study of some biogenic volatile organic compounds (bVOC) oxidation reactions. Criegee intermediates which are formed in ozonolysis reactions are suspected to be involved in SOA formation and thus, their fate has first been studied through ozonolysis reactions of methylated alkenes in the gas phase. Rate coefficients and yields of the primary carbonyl and Criegee rearrangement products were determined for the ozonolysis reactions of 4-methyl-1-pentene, trans-2,2-dimethyl-3-hexene and trans-2,5-dimethyl-3-hexene at ambient temperature and pressure. Besides, limonene oxidation reactions by °OH radicals and ozone have been studied by determining their rate coefficients and by characterizing the particulate phase (nucleation thresholds; size distribution; aerosol yield) in the case of ozonolysis.The experimental setups consisted of laminar flow reactors which enable to study the first reaction steps (reaction times ranging from a few milliseconds to a few minutes) coupled with several analytical techniques for both the gas and particulate phases. In particular, the indirect detection of a Criegee intermediate was evidenced by the use of an organic scavenger ; rate coefficient and branching ratios for the limonene oxidation by °OH were studied over an extended temperatures range compared to literature data ; and the first steps of SOA formation during limonene ozonolysis were characterized

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Camredon, Marie. "Développement d'un modèle déterministe pour la formation des aérosols organiques secondaires : application à la sensibilité du système AOS/COV/NOx". Paris 12, 2007. https://athena.u-pec.fr/primo-explore/search?query=any,exact,990004071120204611&vid=upec.

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Abstract (sommario):

Les composés organiques volatils (COV) émis dans l'atmosphère sont oxydés selon un mécanisme complexe. Cette oxydation est progressive et met en jeu une myriade de composés organiques intermédiaires. Ces COV secondaires sont généralement considérablement moins volatils que leurs précurseurs primaires et peuvent ainsi participer à la formation d'aérosols organiques secondaires (AOS). Cette matière organique représente l'une des composantes majeures du mode fin (rayon < 1 μm) des aérosols atmosphériques. Cette formation d'AOS est ainsi supposée modifier significativement les propriétés physiques et chimiques des aérosols notamment la distribution en masse, le comportement hygroscopique (et donc la capacité des particules à agir comme noyau de condensation nuageuse), l'acidité, la réactivité chimique, les propiétés radiatives. . . Malgré l'impact potentiel considérable des AOS sur le climat, l'état des connaissances relatives à leur formation, leur composition et leur évolution reste parcellaire. Dans le cadre de ce travail, nous avons développé un modèle totalement explicite pour représenter la formation de l'AOS dans l'objectif (i), d'évaluer notre degré de compréhension des mécanismes liés à la formation de l'AOS, (ii) d'identifier les sensibilités du système aux différents paramètres contrôlant la production d'AOS et (iii) de disposer de schémas de référence pour valider le développement de schémas optimisés en taille pour la modélisation tridimensionnelle. Nous avons ensuite utilisé ce modèle de formation de l'AOS pour explorer la sensibilité du système AOS/COV/NOx
Progressive gas-phase oxidation of volatile organic compounds (VOC) leads to the formation of a myriad of intermediate species. These secondary organics are more functionalized than their parent compounds, and the numbe of functions typically increases as oxidation preceeds. Highly functionalized species have lower vapour pressures and/or higher polarities, allowing substantial gas/particle partioning, thus leading to secondary organic aerosol (SOA) formation. This organic particulate matter constitutes a large and variable fraction of fine particles (Dp <1 μm). Therefore SOA is suspected to modify significantly physical and chemical aerosol properties, such as mass distribution, acidity, reactivity, hygroscopic and optical properties. . . Despite the impacts of SOA on climate, our current understanding of SOA formation, composition and evolution remains incomplete. We develop in thisstudy an explicit SOA formation model enabling (i) to evaluate our understanding of mechanisms involved in SOA formation, (ii) to explore the sensitivity of SOA production to external parameters and (iii) to serve as a benchmark for the systematic development and testing of simplified chemical mechanisms for use in three-dimensional models. The explicit SOA formation model has been used to explore the evolution of the SOA/VOC/NOx system

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Berger, Alexandre. "Modélisation multi-échelles de la composition chimique des aérosols : impacts des processus physico-chimiques sur la formation d'aérosols organiques secondaires dans les nuages". Toulouse 3, 2014. http://thesesups.ups-tlse.fr/3060/.

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Abstract (sommario):

Les aérosols atmosphériques jouent un rôle majeur dans les questions environnementales liées au climat, à la qualité de l'air et à la santé humaine. Les aérosols organiques (AO) constituent une part importante de la masse particulaire totale. Or les mécanismes de formation des AO sont mal connus. En particulier, un enjeu actuel reste la définition des composés organiques semi-volatils (COSV) issus de l'oxydation dans l'atmosphère de composés organiques volatils (COV) qui vont condenser sur ou au sein des aérosols préexistants pour former les aérosols organiques secondaires (AOS). De récentes études en laboratoire ont montré la contribution des COV oxygénés (COVO) dans la formation de composés organiques faiblement volatils en phase aqueuse. Ces études restent cependant incomplètes et il y a un besoin urgent de mieux comprendre la photochimie en phase aqueuse des espèces polyfonctionnelles et d'étudier l'influence des paramètres pertinents pour l'atmosphère (pH, concentrations initiales, présence de composés inorganiques) sur les processus de formation des AOS. Ces voies de formation d'AOS doivent être prises en compte dans les modèles atmosphériques. L'objectif de ce travail est d'évaluer la formation potentielle d'AOS produits lors d'un évènement nuageux observé à la station du Puy de Dôme à l'aide de simulations réalisées avec le modèle Méso-NH. Le réalisme des simulations pour la formation des AOS dépend de l'intégration, dans le schéma chimique en phase gazeuse, des espèces chimiques pertinentes, notamment les COV et leurs produits. Le mécanisme ReLACS2 répond à cette exigence et prend en compte à la fois les précurseurs de l'ozone et la formation des AOS. Ce dernier mécanisme est couplé avec le module ORILAM-SOA qui intègre le partitionnement gaz/particule des espèces inorganiques et organiques et les processus de nucléation, de condensation/évaporation, d'activation et de dynamique des aérosols. Dans un premier temps, ce couplage est évalué sur trois cas d'études réels sur l'Europe dans des conditions météorologiques contrastées. Un exercice d'inter-comparaison des modèles Méso-NH et WRF/CHEM ainsi qu'une comparaison de ces modèles avec les observations in-situ sont réalisés. Dans un deuxième temps, un premier travail de développement conduit à inclure les COVO, solubles et légers (jusqu'à 4 carbones), et la réactivité en phase associée, dans le mécanisme ReLACS2, avant de considérer la formation des AOS en phase aqueuse. Un nouveau mécanisme chimique, ReLACS3, est crée. Parallèlement, un second développement permet d'inclure la part des noyaux de condensation nuageux (CCN) dans la chimie de la goutte d'eau pour obtenir un couplage entre la phase gazeuse, aqueuse et particulaire. Avant de tester ces développements, une simulation 2D idéalisée d'un nuage orographique, observé lors d'une campagne de mesures intensives à la station du puy-de-Dôme durant l'été 2011, est réalisée. Cette étude permet de mettre en évidence le potentiel impact de la réactivité en phase aqueuse et de l'activation des CCN sur la formation des AOS
Atmospheric aerosols play a major role in environmental issues related to climate, air quality and human health. Organic aerosols (OA) are an important fraction of total particulate mass. However, formation mechanisms of OA are poorly understood. In particular, a current challenge remains the definition of semi-volatile organic compounds (SVOC) from atmospheric oxidation of volatile organic compounds (VOC) that will condense on or within existing aerosols to form secondary organic aerosols (SOA). Recent studies in laboratory have shown the contribution of oxygenated VOC (OVOC) in the formation of low volatile organic compounds in aqueous phase. However, these studies still incomplete and there is an urgent need for better understanding photochemistry in aqueous phase of polyfunctional species and to study the influence of the relevant parameters for the atmosphere (pH, initial concentrations, the presence of inorganic compounds) on SOA processes. Moreover, these pathways of SOA formation should be taken into account in atmospheric models. The objective of this thesis is to evaluate the potential SOA production during a cloud event observed at the puy-de-Dôme station with simulations performed using the Meso-NH model. The realism of these simulations for forming SOA depends on the integration, in the chemical gaseous phase scheme, of the relevant chemical species including VOC and their products. The ReLACS2 mechanism meets this requirement and takes into account both ozone precursors and formation of SOA. This latter mechanism is coupled with the ORILAM-SOA module that integrates gas/particle partitionning of inorganic and organic species, and nucleation, evaporation/condensation, activation and dynamic aerosol processes. Firstly, this coupling is tested on three real cases over Europe in contrasted standart meteorological conditions. An exercise of inter-comparison of Meso-NH and WRF/CHEM models and a comparison of these models with in-situ observations over Europe are performed. Secondly, a first work consists in including COVO, short and soluble (up to 4 carbons), and the associated aqueous phase reactivity, in the ReLACS2 mechanism, in order to consider SOA formation in aqueous phase. A new chemical mechanism, ReLACS3, is created. In parallel, a second work consists in including the part of cloud condensation nuclei (CCN) into the chemistry of the water droplets for a complete coupling between the gas, aqueous and particulate phases. To test these developments, an 2D idealized simulation of an orographic cloud, observed during an intensive campaign at the puy-de-Dôme station which occured in summer 2011, is performed. This study highlighted the potential impact of the aqueous phase reactivity and activation of CCN on SOA formation

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La, Yuyi. "Formation des aérosols organiques secondaires : évaluation d'un modèle explicite par la comparaison à des observations de chambre de simulation atmosphérique". Thesis, Paris Est, 2016. http://www.theses.fr/2016PESC1129.

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Abstract (sommario):

Les aérosols organiques secondaires (AOS) représentent une fraction significative de l'aérosol fin, et contribuent donc fortement à leurs impacts sur la santé, l'environnement et le climat. Connaitre les sources, l’évolution et les propriétés des AOS constitue actuellement un véritable enjeu pour la communauté scientifique. Ces AOS sont formés par condensation sur des aérosols préexistants des espèces de faible volatilité produites au cours de l’oxydation progressive de la matière organique gazeuse. L'objectif de ce travail de thèse vise à évaluer nos connaissances sur les processus de formation de l’AOS. La méthodologie mise en place consiste à (i) représenter les processus dans un modèle déterministe et explicite, (ii) confronter le modèle à des expériences de formation d’AOS effectuées dans des environnements contrôlés et (iii) examiner la sensibilité des évolutions simulées aux paramètres peu contraints. Le modèle GECKO-A (Generator for Explicit Chemistry and Kinetics of Organics in the Atmosphere) développé au LISA permet de générer des schémas chimiques explicites sur la base de principes fondamentaux et de renseigner les grandeurs cinétiques et thermodynamiques associées. Sa capacité à représenter la formation des AOS a été évaluée par comparaison avec des expériences en chambres de simulation atmosphérique (CSA). Les comparaisons modèle/mesures des rendements finaux en AOS montrent que l’outil GECKO-A restitue correctement l’influence de la structure moléculaire sur la formation d’AOS. Cependant l’analyse quantitative montre que ces rendements sont systématiquement surestimés. Ceci suggère que des processus sont manquants ou mal représentés dans le modèle, en particulier la perte de composés organiques gazeux aux parois des CSA. L’intégration de ce processus dans le modèle conduit à (i) une diminution des rendements finaux simulés pouvant atteindre un facteur 2, (ii) une modification de la composition de l’AOS avec une sensibilité importante pour les espèces de premières générations (nitrates, hydroxynitrates et carbonylesters) et (iii) une vitesse de production de l’AOS plus faible lorsque la vitesse de transfert vers les parois augmente. La dynamique de formation des AOS n'est cependant pas correctement reproduite par le modèle. Les résultats montrent que les incertitudes sur les paramètres d’accommodation à la surface des particules et de pertes gazeuses aux parois permettent d’encadrer les données expérimentales. Aucune configuration unique de ces deux paramètres ne permet, toutefois, de représenter l’ensemble des expériences
Secondary organic aerosols (SOAs) represent a large fraction of fine particle matter, and contribute therefore to their impacts on human health, environment and climate. Understanding the sources, the evolution and the properties of SOAs is a challenge for the scientific community. These SOAs are produced by condensation onto preexisting aerosols of low volatility compounds formed during the progressive oxidation of gaseous organic matter. The objective of this thesis is to assess our knowledge of SOA formation processes. The methodology aims at (i) representing the processes in a deterministic and explicit model, (ii) comparing the modeling results with SOA measurements performed in controlled environments and (iii) examining the sensitivity of simulated results to poorly constrained parameters. The GECKO-A model (Generator for Explicit Chemistry and Kinetics of Organics in the Atmosphere) developed at LISA generates explicit chemical schemes on the basis of fundamental principles and provides the related kinetic and thermodynamic constants. Its ability to represent SOA formation was evaluated by comparisons with experiments performed in environmental chambers. The comparisons between modeled and measured final SOA yields show that the GECKO-A tool accurately reproduces the influence of molecular structure on the SOA formation. However, quantitative analysis shows that these yields are systematically overestimated. This suggests that processes are missing or misrepresented in the model, in particular the loss of gaseous organic compounds on the chamber walls. The implementation of this process into the model leads to (i) a decrease of the simulated final yields up to a factor 2, (ii) a change on SOA composition with a high sensitivity for the first generation species (nitrates, hydroxynitrates and carbonylesters) and (iii) a decrease in the SOA production rate when the mass transfer rate to the wall is increased. The model fails however to reproduce the dynamic of SOA formation. The results show that the uncertainties on particle surface accommodation and wall losses allow to encompass the experimental data. However, no unique configuration of these two parameters can be selected for all of the experiments

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Duncianu, Marius. "Réacteur à écoulement pour l’étude de la formation des aérosols organiques secondaires par ozonolyse de composés organiques volatils : développement analytique, validation cinétique et ozonolyse d’un composé biogénique". Thesis, Lille 1, 2012. http://www.theses.fr/2012LIL10039/document.

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Abstract (sommario):

Un réacteur à écoulement stationnaire muni d’une tête d’injection mobile a été développé au Département Chimie et Environnement de l’École des Mines de Douai afin de mieux comprendre les processus de formation d’aérosols organiques secondaires (AOS) suite à l’oxydation en phase gazeuse de certaines espèces particulièrement réactives et/ou abondantes dans l’atmosphère. Il permet d'observer la formation des produits dans les premières étapes de la réaction à pression et température ambiantes, et en conditions stationnaires, contrairement aux chambres de simulation atmosphérique. Une première partie de ce travail a consisté à caractériser l’écoulement dans le réacteur, et à développer et optimiser les méthodes utilisées pour l’analyse de la phase gazeuse. Dans un second temps, le système a été validé du point de vue cinétique par l’étude de l’ozonolyse de pentènes méthylés et de l’α-pinène. Les coefficients de vitesse ont été déterminés en excès d’alcène et ont montré un bon accord avec les valeurs de la littérature. Pour l’un des alcènes, les deux voies réactionnelles attendues de dégradation ont été identifiées et quantifiées (en bon accord avec la seule étude existante), et un intermédiaire non oxydé, provenant du réarrangement d’un biradical Criegee, a pu être mis en évidence aux faibles temps de réaction. Enfin, la formation d’AOS par ozonolyse de l’α-pinène a été investiguée, avec caractérisation simultanée des concentrations en réactifs et produits en phase gazeuse (par analyseur d’ozone et TD/GC/FID-MS), de la distribution granulométrique des particules formées (par SMPS et HR-ToF-AMS), et de la composition chimique moyenne des particules (HR-ToF-AMS)
A steady flow reactor equipped with a mobile injection head was developed at the Chemistry and Environment Department, Ecole des Mines de Douai, to better understand the formation processes of secondary organic aerosols (SOA) following the gas phase oxidation of certain species particularly reactive and/or abundant in the atmosphere. In contrast to atmospheric simulation chambers the flow reactor allows to observe in stationary conditions the product formation in the early stages of the reaction at ambient pressure and temperature.The foremost part of this work was to characterize the reactor flow, and to develop and optimize the methods used for the gas phase analysis. In a second stage a kinetic study of the ozonolysis of methylated pentenes and α-pinene was performed to validate the system. The rate coefficients were determined in pseudo first order conditions with excess alkene and showed a good agreement with literature values. The expected oxidation pathways were identified and quantified for one alkene (in good agreement with the only study available), and a nonoxidized intermediate coming from the rearrangement of a Criegee biradical, has been found for short reaction times. Finally, the SOA formation from α-pinene ozonolysis was investigated with simultaneous characterization of the gas phase concentrations of reactants and products (by ozone analyzer and TD/GC/FID-MS), of the particle size distribution (by SMPS and HR-ToF-AMS), and of the average chemical composition of particles (HR-ToF-AMS)

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Aregahegn, Kifle Zeleke. "Réactions photosensibilisées contribuant à la croissance et au vieillissement des aérosols atmosphériques organiques". Thesis, Lyon 1, 2014. http://www.theses.fr/2014LYO10266/document.

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Abstract (sommario):

L'atmosphère est un milieu hautement hétérogène contenant de la matière condensée : les aérosols. Ceux-ci sont des composants importants de l'atmosphère car ils impactent le bilan radiatif planétaire mais aussi la qualité de l'air. En particulier les aérosols organiques secondaires (AOS), produits par la transformation chimique dans l'air de nombreux composés organiques, plus ou moins volatils, représentent une fraction conséquente dans le budget global des aérosols atmosphériques pour laquelle de nombreuses incertitudes persistent. En particulier, leurs voies de formation et de transformation dans la troposphère restent très mal décrites. C'est pourquoi, cette thèse décrit principalement l'étude de trois aspects de la croissance et du vieillissement (transformation) des aérosols : caractérisation de la croissance des AOS par des processus photosensibilisés ; investigations mécanistiques du vieillissement des AOS et de la photochimie des photosensibilisateurs ; analyse chimique des composés issus du vieillissement des AOS
Aerosols are important constituents of the atmosphere and secondary organic aerosols (SOA) represent a main fraction of the organic aerosols in the total budget. This thesis mainly reports the investigation of three aspects of the growth and aging of SOA: the photosensitized SOA growth ; the mechanistic investigation of SOA aging and of the photochemistry of photosensitizers ; the analysis of the chemical composition of aged SOA. The photosensitized growth and aging processes of SOA were investigated using an aerosol flow tube coupled with various aerosol and gas sensing instruments. For further analysis of the aerosol composition and a better understanding of the formation and growth of SOA in these experiments the aerosols produced in the dark and in the light were sampled on filters at the exit of the flow tube

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Brégonzio, Lola. "Formation d'aérosols organiques secondaires au cours de la photooxydation multiphasique de l'isoprène". Thesis, Paris Est, 2013. http://www.theses.fr/2013PEST1182/document.

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Abstract (sommario):

L'isoprène est le composé organique volatil biogénique le plus émis à l'échelle de la planète. Il a été montré récemment que, malgré ses faibles rendements de production d'aérosols organiques secondaires (AOS), il pouvait contribuer de manière significative à la matière organique particulaire totale atmosphérique du fait de sa forte émission à l'échelle globale. L'AOS est reconnu pour présenter plusieurs impacts sur l'environnement, et notamment, sur le climat. Cependant, ses processus de formation, et notamment ceux ayant lieu via les gouttelettes nuageuses (voie potentiellement importante) restent encore mal connus. L'objectif de ce travail a été d'étudier la formation d'AOS issus de la photooxydation de l'isoprène (ou de la méthacroléine, un de ses produits d'oxydation majeurs) en conditions sèches ainsi qu'en présence de nuage. La chimie se produisant dans les phases gazeuse, particulaire et aqueuse ; et les échanges ayant lieu entre ces phases ont ainsi été investigués via une approche multiphasique originale dans la chambre de simulation atmosphérique CESAM. Une caractérisation des phases gazeuse et particulaire durant la photooxydation de l'isoprène en absence d'hydrométéores a, dans un premier temps, été effectuée. Les rendements de production d'AOS présents dans la littérature montrent une dispersion générale, les rendements obtenus lors des expériences sont cependant en bon accord avec les valeurs basses présentées dans la littérature. Cette caractérisation en conditions sèches a été complétée par la modélisation 0D des résultats. Les désaccords entre les données mesurées et les simulations issues des modèles explicite et détaillé sont importants et une inadéquation des codes chimiques à la chimie de l'isoprène ne peut être écartée. Pour la première fois en chambre de simulation, des protocoles destinés à étudier la photochimie en phase nuageuse ont été développés. Une méthodologie spécifique permettant de générer des nuages de durée de vie suffisante pour permettre l'établissement de réactions en phase aqueuse a ainsi été mise en place. L'influence de cycles d'évapo-condensation nuageux sur la photooxydation de l'isoprène, ou de ses produits d'oxydation, a ensuite été investiguée. Cette étude a permis de mettre en évidence l'existence d'un impact de la génération de nuage sur les phases gazeuse et particulaire, suggérant fortement l'existence d'une production très significative d'AOS issus de la photooxydation de l'isoprène via les gouttelettes nuageuses
Isoprene is the most abundant volatile organic compound in global scale. Despite its low secondary organic aerosol (SOA) yields, it has been recently shown that isoprene can significantly contribute to total particulate organic mass due to its large emissions. SOA are known to have various impacts on the environment, especially on climate. However, lacks in the comprehension of the SOA formation pathways, particularly via cloud droplets, are still important. The aim of the present work is to study SOA formation from isoprene (or methacrolein, one of isoprene major oxidation products) photooxidation, in dry condition, as well as in the presence of cloud. The chemistry occurring in the gaseous, particulate and aqueous phases, and the exchange between these phases were investigated through an original multiphase approach in the CESAM simulation chamber. Gaseous and particulate phases during isoprene photooxidation without hydrometeor were first characterized. While the SOA yields in the literature exhibit a general dispersion, the SOA yields obtained during the experiments are consistent with the lowest values found in the literature. This characterization in dry condition was completed by a simulation approach using a 0D photochemical box model. SOA yields obtained from explicit and detailed models show important disagreement with those measured: an incompatibility of the chemical codes with the isoprene chemistry cannot be dismissed. For the first time, protocols have been developed to study photochemistry in cloud phase in a simulation chamber. A specific methodology allowing the production of a cloud with an important lifetime was set up. The impact of cloud evapo-condensation cycles on the photooxidation of isoprene and its oxidation products was finally investigated. The impact of the cloud generation on the gaseous and particulate phases has been highlighted, suggesting a significant production of SOA from isoprene photooxidation by interactions with cloud droplets

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Fotsing, Kwetche Césaire Rostand. "Modélisation à l’échelle moléculaire de la réactivité des aérosols atmosphériques". Thesis, Lille 1, 2018. http://www.theses.fr/2018LIL1R058/document.

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Abstract (sommario):

Cette thèse constitue une contribution à la modélisation à l’échelle moléculaire de la réactivité des aérosols atmosphériques. L’objectif est de mettre au point une méthodologie hybride classique/quantique permettant de traiter la réactivité hétérogène à la surface des aérosols atmosphériques attaqués par diverses espèces réactives de nature radicalaire (Cl, OH ou peroxyles RO2) ou saturée (dioxygène, ozone). Tout d’abord, l’approche quantique de la réactivité entre le chlore et les molécules d’acide carboxyliques (acide valérique) ou acides gras (acide palmitique) a été validée en phase gaz. Les résultats ont permis, d’une part, de mettre en évidence la spontanéité de l’abstraction des atomes d’hydrogène de l’acide par le chlore et d’autre part l’augmentation de la constante de vitesse de réaction lorsque la chaîne de la molécule d’acide s’allonge. Dans la deuxième partie dédiée à la simulation d’un aérosol modèle, nous avons, à partir de la dynamique moléculaire classique, construit un agrégat d’acide palmitique et analysé ses propriétés structurales et énergétiques. Ensuite, en ajoutant des molécules d’eau, on constate que celles-ci forment des îlots à la surface de l’agrégat. Enfin, nous avons étudié la réactivité hétérogène à la surface de l’aérosol en découpant le système en deux régions traitées de manière différenciée (approche dite "QM/MM", " Quantum Mechanics/Molecular Mechanics"). Nous avons identifié un échantillon d’atomes hydrogène à la surface de l’agrégat pouvant être capté par le Chlore et calculé pour chacun d’eux la constante de réaction. Nous avons finalement pu déterminer pour la première fois une valeur théorique du coefficient de capture (" uptake") réactif, qui peut être comparée aux résultats expérimentaux
This thesis contributes to the molecular level understanding of atmospheric aerosol chemistry. The objective is to set up an hybrid classical/quantum methodology to treat the heterogeneous chemical mechanisms occurring at the surface of model aerosols attacked by various reactive species, either radicals (Cl, OH or RO2 peroxyl) or saturated (oxygen, ozone). Firstly, the quantum approach used to treat the reactivity between chlorine and a carboxylic acid molecule (valeric acid) or fatty acid (palmitic acid) has been validated in the gas phase. These calculations made it possible, on the one hand, to highlight the spontaneity of the abstraction of the hydrogen atoms of the acid by the chlorine radical and, on the other hand, the increase of the reaction rate constant as the chain of the acid molecule gets longer. In the second part dedicated to the simulation of a model submicrometer aerosol, we have built an aggregate of palmitic acid using classical molecular dynamics and analysed its structural and energetic properties. Then, addition of water molecules leads to the formation of water islands at the surface of the aggregate. Finally, we studied the heterogeneous reactivity at the surface of the aerosol by dividing the system into two regions treated differently (QM/MM approach, Quantum Mechanics/Molecular Mechanics). We have identified a sample of hydrogen atoms at the surface of the aggregate that can be captured by chlorine and calculated for each of them the reaction rate constant within the QM/MM scheme. We have finally been able to determine for the first time a theoretical value of the reactive uptake coefficient, which can be in principle compared to experimental data

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Roig, Rodelas Roger. "Chemical characterization, sources and origins of secondary inorganic aerosols measured at a suburban site in Northern France". Thesis, Lille 1, 2018. http://www.theses.fr/2018LIL1R017/document.

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Abstract (sommario):

Les particules fines troposphériques de diamètre aérodynamique inférieur à 2,5 µm (PM2.5) peuvent impacter la santé et les écosystèmes. Les aérosols inorganiques secondaires (AIS) et organiques (AO) contribuent fortement aux PM2.5. Pour comprendre leur formation et leur origine, une campagne d’1 an (août 2015 - juillet 2016) de mesures horaires de gaz précurseurs inorganiques et d’ions hydrosolubles particulaires a été menée sur un site urbain du nord de la France avec un MARGA 1S, complétées par les concentrations massiques en PM2.5, carbone suie, oxydes d’azote et éléments traces. Des niveaux élevés de nitrate d’ammonium (NA) ont été observés la nuit au printemps et de sulfate d’ammonium la journée en été. L’étude de la contribution des sources par le modèle PMF (Positive Matrix Factorization) a permis d’identifier 8 facteurs sources: 3 régionaux (riche en sulfates, riche en nitrates et marin) pour 73 à 78%, et 5 locaux (trafic, combustion de biomasse, fond industriel métallurgique, industrie locale et poussières minérales) (22-27%). De plus, un HR-ToF-AMS (spectromètre de masse à aérosols) et un SMPS (granulomètre) ont été utilisés lors d’une campagne intensive en hiver, afin de mieux documenter l’AO et la formation de nouvelles particules, respectivement. L’application du PMF aux spectres de masses d’AO a permis d’identifier 5 facteurs liés au trafic (15%), à la cuisson (11%), à la combustion de biomasse (25%), et à une oxydation plus ou moins forte de la matière organique (33% et 16%). Plusieurs événements nocturnes de formation de nouvelles particules impliquant les AIS, notamment du NA, ont été observés
Tropospheric fine particles with aerodynamic diameters less than 2.5 µm (PM2.5) may impact health, climate and ecosystems. Secondary inorganic (SIA) and organic aerosols (OA) contribute largely to PM2.5. To understand their formation and origin, a 1-year campaign (August 2015 to July 2016) of inorganic precursor gases and PM2.5 water-soluble ions was performed at an hourly resolution at a suburban site in northern France using a MARGA 1S, complemented by mass concentrations of PM2.5, Black Carbon, nitrogen oxides and trace elements. The highest levels of ammonium nitrate (AN) and sulfate were observed at night in spring and during daytime in summer, respectively. A source apportionment study performed by positive matrix factorization (PMF) determined 8 source factors, 3 having a regional origin (sulfate-rich, nitrate-rich, marine) contributing to PM2.5 mass for 73-78%; and 5 a local one (road traffic, biomass combustion, metal industry background, local industry and dust) (22-27%). In addition, a HR-ToF-AMS (aerosol mass spectrometer) and a SMPS (particle sizer) were deployed during an intensive winter campaign, to gain further insight on OA composition and new particle formation, respectively. The application of PMF to the AMS OA mass spectra allowed identifying 5 source factors: hydrocarbon-like (15%), cooking-like (11%), oxidized biomass burning (25%), less- and more-oxidized oxygenated factors (16% and 33%, respectively). Combining the SMPS size distribution with the chemical speciation of the aerosols and precursor gases allowed the identification of nocturnal new particle formation (NPF) events associated to the formation of SIA, in particular AN

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Liu, Yao. "Etudes des impacts de la réactivité en phase aqueuse atmosphérique sur la formation et le vieillissement des Aérosols Organiques Secondaires sous conditions simulées". Thesis, Aix-Marseille 1, 2011. http://www.theses.fr/2011AIX10030/document.

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Abstract (sommario):

Cette étude se focalise sur les impacts de la réactivité en phase aqueuse de la méthacroléïne et de la méthyl vinyl cétone sur la formation des nouveaux aérosols organiques secondaires (AOS), et les impacts de la réactivité en phase aqueuse sur le vieillissement des AOS formés par l’isoprène, α-pinène et 1,3,5-triméthylbenzène en phase gazeuse. Les études de la réactivité en phase aqueuse ont été étudiées vis-à-vis des radicaux OH. Dans le but d’identifier et quantifier les produits d’oxydation des différents précurseurs d’intérêt, les échantillons en phase aqueuse ont été analysés par différents systèmes analytiques. Les résultats montrent clairement la formation de petits composés primaires et secondaires qui ont été expliqués par les mécanismes réactionnels. On a observé également la formation de composés à haute masse moléculaire par rapport à leurs précurseurs. Ces produits ont été supposés être très peu volatils et pourraient induire la formation des AOS lors de l’évaporation de l’eau. Leur capacité à former des AOS a été montrée expérimentalement par les expériences de nébulisation des solutions aqueuses à différents temps de réaction. Les résultats montrent qu’au moins une part de ces produits à haute masse moléculaire reste en phase particulaire lors de l’évaporation de l’eau, et contribue à la formation des AOS. L’ensemble de ces résultats met en évidence le fait que la réactivité en phase aqueuse atmosphérique peut induire des effets importants sur la formation et le vieillissement des AOS atmosphériques, qui peut induire une modification des propriétés physico-chimiques des aérosols
This work focused on the impacts of aqueous phase OH-oxidation of methacrolein, methyl vinyl ketone on the SOA formation, and impacts of aqueous phase OH-oxidation on aging of SOA that are formed by isoprene, -pinene and 1,3,5-trimethylbenzene in gas phase. The chemical characterization of aqueous phase was performed by different analytical techniques. The results show the formation of small primary and secondary reaction products that were explained by suitable chemical reaction mechanisms. The formation of oligomers with high molecular mass (compared with their precursors) has also been observed during the OH-oxidation. These oligomers might be low volatile compounds that induce the formation of SOA during water evaporation. Their capacity to form SOA was experimentally demonstrated by nebulizing the aqueous phase solution at different reaction times. The results show that at least a part of oligomers remains in the particle phase during water evaporation, and contributes to the SOA formation. All of these results highlight that aqueous phase reactivity could induce important effects on the formation and aging of atmospheric SOA, which can induce modification of physico-chemical properties of SOA

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Ait-Helal, Warda. "Les composés organiques gazeux en périphérie de deux mégapoles, Paris et Los Angeles : sources, variabilité et impact sur l'aérosol organique secondaire". Thesis, Lille 1, 2013. http://www.theses.fr/2013LIL10173/document.

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Abstract (sommario):

L’aérosol organique secondaire (AOS) a un impact sur la qualité de l’air et le changement climatique, notamment. Mais ses quantités atmosphériques restent mal représentées, aussi bien en région source qu’en région de transport, en raison de la méconnaissance des sources et de la nature des Composés Organiques Gazeux (COG) précurseurs de l’AOS et des mécanismes de formation de l’AOS.Ce travail de thèse a pour objectif (1) de caractériser les sources des COG, parmi lesquels d’importants précurseurs d’AOS, et (2) d’estimer l’impact des COG sur la formation d’AOS en zone urbaine. Ce travail s’appuie sur les mesures de COG en deux sites périurbains de deux mégapoles, Paris et Los Angeles, dans le cadre des programmes MEGAPOLI (été 2009 et hiver 2010) et CalNex (printemps 2010). À partir de la composition de la fraction organique des phases gazeuse et particulaire, des indicateurs de la qualité de l’air et des données météorologiques, nous avons (1) identifié les déterminants des COG, (2) identifié et estimé l’importance relative des sources saisonnières d’émissions des COG par application du modèle sources-récepteur PMF, (3) estimé l’impact des COG sur la formation d’AOS. En été comme en hiver, les COG mesurés en périphérie de Paris sont fortement associés au profil de source des émissions lointaines et à celui des COVO. Les COG mesurés dans l’agglomération de Los Angeles sont majoritairement associés aux profils de sources anthropiques primaires. Quant à la formation d’AOS, ces travaux ont pour la première fois permis de mettre en évidence l’importance des Composés Organiques à la Volatilité Intermédiaire (COV-I) dans la formation d’AOS à partir de leur mesure in-situ à Paris
Secondary Organic Aerosol (SOA) impacts air quality and climate change. However, its ambient concentrations are still underestimated. A large discrepancy has been observed between estimations and observations of SOA in urban areas as well as in remote areas, since the sources and the nature of the SOA precursors, the Gaseous Organic Compounds (GOCs), and the SOA formation mechanisms remain unclear. The studies presented here aim (1) to characterize the GOCs, including important SOA precursors, in urban area by studying their determinants and their sources, and (2) to study the GOCs impact on the SOA formation in urban area. To answer these objectives, we studied GOCs measured at suburban sites of Paris and Los Angeles megacities, as part of the MEGAPOLI (summer 2009 and winter 2010) and CalNex (spring 2010) programs, respectively. From the study of the organic fractions of the particulate- and the gas-phases with air quality indicators and meteorological data, (1) we identified the GOCs determinants, (2) we identified their sources and quantified their relative contribution to the GOCs emissions according to the season, by implementing the source receptor model PMF, and (3) we estimated the impact of the GOCs on the SOA formation. In summer and in winter, the GOCs measured in Paris are strongly associated with the “remote” and “OVOCs” source profiles. The highest contributions to the emissions of GOCs measured in Los Angeles are associated to the anthropogenic source profiles. As for the SOA formation, these studies highlighted for the first time the importance of the Intermediate Volatility Organic Compounds (I-VOCs) in the SOA formation from their measurements in Paris

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Valorso, Richard. "Développement et évaluation d’un modèle explicite de formation d’aérosols organiques secondaires : sensibilité aux paramètres physico-chimiques". Thesis, Paris Est, 2011. http://www.theses.fr/2011PEST1126/document.

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Abstract (sommario):

Les aérosols fins ont un impact environnemental primordial. Ils influencent notamment la santé, ont un impact sur la visibilité et le climat. Les Aérosols Organiques Secondaires (AOS) représentent une fraction importante des aérosols fins. Les AOS résultent de la conversion d'espèces gazeuses, formées au cours de l'oxydation des composés organiques volatils (COV), en particules par des processus de nucléation et/ou condensation sur des aérosols préexistants. L'oxydation gazeuse des COV implique une myriade de composés secondaires intermédiaires pouvant participer à la formation d'AOS. Les AOS regroupent ainsi une très grande variété d'espèces. Afin d'étudier la formation d'AOS, il est nécessaire de développer des schémas chimiques décrivant explicitement la formation des composés secondaires. Le LISA a développé en collaboration avec le NCAR (National Center of Atmospheric Research) un générateur de schémas chimiques d'oxydation des composés organiques volatils : le GECKO-A (Generator for Explicit Chemistry and Kinetics of Organics in the Atmosphere). Ce travail vise à tester (i) la fiabilité de GECKO-A à reproduire les concentrations d'AOS observées lors d'expériences en chambre de simulation atmosphérique (CSA) et (ii) la sensibilité de la formation d'AOS aux paramètres physico-chimiques tels que les pressions de vapeur saturante, effets de parois des CSA ou encore aux constantes cinétiques de réaction. Afin d'évaluer la pertinence des schémas chimiques générés avec GECKO-A, le modèle a été confronté à des expériences effectuées en CSA visant à évaluer la formation d'AOS. Le paramètre clé du partitionnement des composés organiques semi-volatils est la pression de vapeur saturante (Pvap) des espèces. Les trois méthodes considérées comme les plus fiables disponibles dans la littérature ont été implémentées dans GECKO-A afin de tester la sensibilité de la formation d'AOS à l'estimation des Pvap. Les pressions de vapeur saturantes estimées par les différentes méthodes présentent des valeurs très différentes s'étalant sur plusieurs ordres de grandeur. Malgré ces divergences marquées, la concentration et la spéciation simulées pour l'AOS s'avèrent en définitive peu sensibles à la méthode utilisée pour estimer les pressions de vapeur. Aucune méthode d'estimation de Pvap n'a par ailleurs permis de réconcilier les concentrations modélisées et observées. La concentration d'AOS demeure systématiquement surestimée de l'ordre d'un facteur 2. L'absorption des composés organiques gazeux semi-volatils sur les murs d'une chambre de simulation atmosphérique a ensuite été étudiée. L'intégration de ce processus dans le modèle conduit à diminuer de façon importante les concentrations simulées en AOS, jusqu'à un facteur 2. En outre, les rendements simulés après implémentation de ce processus apparaissent en bon accord avec les rendements mesurés en CSA. L'hypothèse d'une mauvaise représentation de certains processus en phase gazeuse a également été testée via des tests de sensibilité. En particulier, la sensibilité de la formation d'AOS aux constantes de réactions entre les COV et le radical OH a été explorée. Le système a montré une grande sensibilité à la variabilité des constantes cinétiques de réaction des COV avec le radical OH, que ce soit au niveau de l'estimation de la constante cinétique ou au niveau de la détermination du site d'attaque du radical OH. La sensibilité à l'estimation des constantes de décomposition des radicaux alkoxyles a également été testée. Cette étude n'a en revanche montré que peu d'effets sur le rendement en AOS formé
Fine aerosols have an important impact on health, visibility and climate. Secondary Organic Aerosols (SOA) represent an important fraction of fine aerosol composition. SOA are formed by nucleation or condensation onto pre-existing particles of gaseous species formed during the oxidation of emitted volatile organic compounds (VOC). VOC oxidation implies a huge number of secondary intermediates which are potentially involved in SOA formation. In order to study SOA formation, it is necessary to develop chemical schemes describing explicitly the formation and condensation of the gaseous secondary intermediates. The LISA has thus developed in collaboration with NCAR (National Center of Atmospheric Research) a generator of explicit chemical schemes : GECKO-A (Generator for Explicit Chemistry and Kinetics of Organics in the Atmosphere). This work aims at testing (i) the reliability of GECKO-A to simulate observed SOA concentrations in Atmospheric Simulation Chamber (ASC) and (ii) exploring the SOA sensitivity to physico-chemical parameters such as saturation vapour pressures, chamber walls effects or kinetics rate constants. In order to assess GECKO-A's chemical schemes, the model has been confronted to chamber experiments performed to study SOA. Saturation vapour pressure (Pvap) is the key parameter controlling the gas/particles partitioning of organic compounds The three Pvap estimation methods considered as the more reliable in the literature have been implemented in GECKO-A. Pvap estimated by the three methods differs highly, up to several orders of magnitude. Despite of these discrepancies, simulated SOA concentration and speciation show a low sensitivity to the method used to estimate the Pvap. Moreover, none of the methods were able to make the model fit the observations. SOA concentration is systematically overestimated of a factor 2. Semi volatile organic compounds deposition on a chamber walls has been investigated. The implementation of this process in the model leads to a significant decrease of the simulated SOA concentrations, up to factor of 2. Simulated SOA yields are in good agreement with measured SOA yields. The hypothesis of a misrepresentation of some gaseous processes has then been investigated through sensitivity tests. SOA formation sensitivity to COV+ OH reactions rate constants has been explored. Results exhibited a high sensitivity to the rate constants estimations (regarding the rate constants values estimation, as well as the determination of the OH attack sites). The estimated alkoxy radicals decomposition rate constants have also been tested. This test showed however no significant impact on the simulated SOA yields

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Couvidat, Florian. "Modélisation des particules organiques dans l'atmosphère". Phd thesis, Université Paris-Est, 2012. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00778086.

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Abstract (sommario):

La formation des aérosols organiques dans l'atmosphère est étudiée via le développement d'un nouveau modèle de formation d'aérosols organiques secondaires nommé H²O (Hydrohilic/Hydrophobic Organics). Dans un premier temps, une paramétrisation de la formation d'aérosols via l'oxydation de l'isoprène est développée. Cette paramétrisation prend notamment en compte l'influence des concentrations d'oxydes d'azote sur la formation d'aérosols et leurs propriétés hydrophiles. Ensuite, H²O incluant cette paramétrisation et d'autres développements est évalué par comparaison aux mesures de carbone organique sur l'Europe. Prendre en compte les émissions de composés semi-volatils primaires gazeux (qui peuvent former des aérosols organiques secondaires après oxydation ou se condenser lors de baisses de température) améliore les performances du modèle de manière significative. En revanche, si les émissions de ces composés ne sont pas prises en compte, il en résulte une très forte sous-estimation des concentrations d'aérosols organiques en hiver. La formation d'aérosols organiques secondaires sur l'Île-de-France durant la campagne d'été de Megapoli (juillet 2009) a aussi été simulée pour évaluer les performances du modèle en zone urbaine. H²O donne de bons résultats sur l'Île-de-France bien que le modèle prévoit un pic d'aérosols organiques, provenant des émissions du trafic durant les heures de pointe, qui n'apparaît pas dans les mesures. La présence de ce pic dans les résultats du modèle peut être due à la sous-estimation de la volatilité des composés semi-volatils primaires. Il est aussi possible que les composés organiques primaires et les composés organiques secondaires ne se mélangent pas et que les composés semi-volatils primaires ne peuvent pas se condenser sur un aérosol organique majoritairement secondaire et très oxydé. Enfin, l'impact de la chimie aqueuse est étudié. Le mécanisme utilisé inclue notamment, la formation d'aérosols organiques secondaires dans la phase aqueuse des nuages par oxydation du glyoxal, du méthylglyoxal, de la méthacroleine et de la méthyl-vinyl-cétone, la formation de méthyltétrols dans la phase aqueuse des particules ou des gouttes d'eau des nuages et le vieillissement des aérosols organiques dans un nuage. L'impact des dépôts humides sur la formation d'aérosols est aussi étudié pour mieux caractériser l'impact des nuages sur les concentrations d'aérosols organiques

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Boulon, Julien. "Approche multi-échelle de la formation des particules secondaires". Phd thesis, Université Blaise Pascal - Clermont-Ferrand II, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00697022.

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Abstract (sommario):

Dans le cadre de l'étude de l'évolution du système climatique terrestre, comprendre la composition gazeuse et particulaire de l'atmosphère est un enjeu majeur dans notre compréhension de la Terre et de son atmosphère, de son passé et de son évolution à venir. Les aérosols secondaires, i.e. formés par nucléation, représentent la source la plus importante en nombre des aérosols atmosphériques mais prédire où, quand et en quelle proportion ces aérosols sont formés dans l'atmosphère demeure à ce jour un exercice peu fiable. C'est dans ce contexte que cette étude s'est attachée à compléter nos connaissances des processus conduisant à la formation et à la croissance des particules atmosphériques secondaires. Des études réalisées à partir de mesures de terrain à long terme sur différents sites d'altitude en Europe ont permis de mettre en évidence différentes spéciations verticales de la nucléation démontrant que ce phénomène semble être jusqu'à deux fois plus fréquents à la frontière avec la basse troposphère libre que dans la couche limite planétaire. D'autre part ces mêmes études ont pu mettre en évidence que les mécanismes conduisant à la nucléation de nouvelles particules se différencient avec l'altitude impliquant un rôle plus important de la voie de formation induite par les ions ainsi que des composés organiques volatils. La contribution de cette dernière famille de composés à la nucléation a été également testée durant plusieurs campagnes d'expérimentation en systèmes réactifs ainsi qu'en chambre de simulation atmosphérique. Différents comportements et paramétrisation de la nucléation selon la nature chimique du composé parent ont pu être mis en évidence. Enfin, des études numériques réalisées à partir de données de terrain et d'expérimentation ont permis d'explorer, d'infirmer, de confirmer et de proposer différentes approches numériques afin de simuler les évènements de formation des aérosols secondaires.

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Simon, Leïla. "Détermination des sources de composés organiques (gazeux et particulaires) en Ile-de-France". Electronic Thesis or Diss., université Paris-Saclay, 2023. http://www.theses.fr/2023UPASJ011.

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Abstract (sommario):

Afin d'approfondir les connaissances sur la qualité de l'air et la chimie atmosphérique en Ile-de-France, il est nécessaire de documenter la nature et la variabilité des polluants atmosphériques sur le long terme. La station péri-urbaine du SIRTA (intégrée à l'infrastructure de recherche européenne ACTRIS) héberge des instruments de mesure permettant le suivi en continu des propriétés physico-chimiques des particules en suspension et de certains gaz réactifs inorganiques depuis une dizaine d'années. Des questions restent néanmoins encore ouvertes sur les origines de l'aérosol organique secondaire, et plus particulièrement sur son lien avec ses précurseurs gazeux, les composés organiques volatils (COV). Alors qu'ils jouent un rôle important dans la chimie de l'atmosphère, ces derniers n'étaient jusqu'alors pas mesurés sur le long-terme au SIRTA.Dans ce contexte, cette thèse vise à mieux caractériser la pollution organique en Ile-de-France. Cela passe par la mesure de COV en temps réel venant compléter le panel de mesures existantes, ainsi que l'application et l'évaluation de méthodes pour la détermination des sources de polluants organiques adaptées au long-terme.Pour ce faire, des mesures par spectrométrie de masse (PTR-MS), encore très peu utilisée au sein d'ACTRIS, ont été mises en place au SIRTA dans le cadre de cette thèse. Les chaînes de traitement de données automatisé ont été améliorées et adaptées pour le long terme et un contrôle qualité rigoureux a été appliqué aux données de 2020 et 2021. Ces deux premières années de mesures ont ensuite été étudiées en termes de variabilités journalières et saisonnières. Le rôle joué par les conditions météorologiques et par l'origine des masses d'air est particulièrement illustré par les résultats obtenus lors des confinements de 2020. L'influence de sources anthropiques a été observée pour les monoterpènes, composés habituellement identifiés comme biogéniques en site périurbain.Le modèle source-récepteur Positive Matrix Factorisation (PMF) est classiquement utilisé pour la détermination des sources de polluants atmosphériques (aérosols ou COV), mais certaines limites existent pour son application sur le long-terme. Pour dépasser ces limitations, de nouvelles options existent et ont été testées lors de cette thèse. En particulier, les données COV ont servi de marqueurs pour l'analyse des sources de l'aérosol organique en été, par la création d'un jeu de données combiné unifié. Cette méthodologie complexe a été mise en œuvre ici pour la première fois avec ce type d'instruments. Elle a été adaptée au jeu de données du SIRTA, permettant de mieux déconvoluer l'aérosol organique oxygéné par rapport à une méthode classique, et par conséquent de le relier à ses sources/processus respectifs, notamment en distinguant des processus de jour et de nuit
To refine the knowledge on air quality and atmospheric chemistry in the Paris region, it is essential to document the nature and variability of atmospheric pollutants on the long term. The suburban SIRTA station (integrated to the European infrastructure ACTRIS) has been hosting instruments for the continuous measurement of physicochemical properties of suspended particles and of some inorganic reactive gases for a decade. Nonetheless, questions remain open on the origins of secondary organic aerosol and more specifically the link with its precursor gases, volatile organic compounds (VOC). Although their play an important role in atmospheric chemistry, VOC were hitherto not measured on the long term at SIRTA.In this context, this thesis aims at better characterizing organic pollution in the Paris region. This involves the measurement of VOC in real time to complete the panel of existing measurements, as well as the application and evaluation of methods for the source apportionment of organic pollutants adapted to long term studies.For this purpose, measurements using mass spectrometry (PTR-MS), still very little used within ACTRIS, were setup at SIRTA as part of this thesis. Automated data treatment was improved and adapted for the long term and a rigorous quality control was applied to 2020 and 2021. These first two years of measurements were then studied in terms of diel and seasonal variabilities. The role played by meteorological conditions and air masses was particularly illustrated by results obtained during the lockdowns in 2020. An influence of anthropogenic sources was observed for monoterpenes, compounds usually identified as biogenic in suburban sites.The Positive Matrix Factorization (PMF) source-receptor model is classically used for the source apportionment of atmospheric pollutants (aerosol or VOC), but some limits exist for its long-term application. To overcome these limitations, new options exist and were tested during this thesis. Particularly, VOC were used as organic markers for the analysis of organic aerosol sources in summer, by creating a unified combined dataset. This complex methodology was implemented here for the first time with this type of instruments. It was adapted to the SIRTA dataset, allowing a better deconvolution of oxygenated organic aerosol compared to a classical method, and consequently to link it to its respective sources/processes, especially by distinguishing daytime and nighttime processes

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Ahmad, Waed. "Formation d'aérosols organiques secondaires dans l'oxydation du limonène et des méthoxyphénols : Etude de l'influence des conditions environnementales". Thesis, Littoral, 2017. http://www.theses.fr/2017DUNK0441/document.

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Abstract (sommario):

Les modèles de chimie atmosphérique divergent fréquemment des mesures de concentrations en aérosols organiques secondaires (AOS) d'un facteur allant de 8 jusqu'à 100 parfois, et ce, dans différents environnements. Les processus de formation des AOS, encore insuffisamment compris et mal pris en compte dans les modèles ainsi que l'influence des paramètres environnementaux sur ces processus pourraient expliquer l'écart entre les concentrations d'AOS mesurées et modélisées. Dans ce contexte, ce travail se focalise en premier lieu sur la formation d'AOS dans l'ozonolyse du limonène à partir d'expériences réalisées en réacteur à écoulement (SAGE) et en chambre de simulation (LPCA). La phase particulaire a été caractérisée en termes de rendement, granulométrie, masse et seuil de nucléation des aérosols. L'influence de la présence de différents composés : butanol, toluène, acétone, acide acétique et méthylamine sur ces paramètres a été décrite et reportée ; ainsi, le rôle des intermédiaires de Criegee et des radicaux OH dans le processus de formation des AOS a été investigué. La seconde partie a consisté à étudier les AOS générés au cours de l'oxydation par les radicaux OH du 2-méthoxyphénol (guaiacol) et du 2,6-diméthoxyphénol (syringol). Les spectres IR de ces deux méthoxyphénols, des AOS issus de leur oxydation et des composés nitrés dérivés du guaiacol et du syringol ont été étudiés, expérimentalement par la spectroscopie IRTF-RTA et/ou théoriquement par des calculs DFT anharmoniques. Enfin, le caractère hygroscopique de ces aérosols a été reporté pour la première fois dans une cellule d'hydratation
Atmospheric chemistry models frequently diverge from measurements of secondary organic aerosol (SOA) concentrations by a factor ranging from 8 to 100 in different environments. The gap between measured and modeled SOA could be explained by many formation processes that are still not well understood nor well incorporated into the models as well as the influence of environmental parameters on these processes. In this context, this research work focuses primarily on the formation of SOA in the ozonolysis of limonene through experiments carried out in a flow reactor (SAGE) and in a simulation chamber (LPCA). The particulate phase was characterized in terms of aerosol yield, size distribution, mass and nucleation threshold. The influence of the presence of different compounds : butanol, toluene, acetone, acetic acid and methylamine on these parameters has been described and reported and thus, the role of Criegee intermediates and OH radicals in SOA formation process is investigated. The second part consist of studying the SOA generated during the OH oxidation of 2-methoxyphenol (guaiacol) and 2,6-dymethoxyphenol (syringol). The IR spectra of these two methoxyphenols, the SOA formed through their oxidation and the nitro compounds derived from guaiacol and syringol have been studied experimentally by IRTF-RTA spectroscopy and/or theoretically by anharmonic DFT calculations. Finally, the hygroscopic character of these aerosols has been reported for the first time in a hydration cell

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Zhang, Yunjiang. "Estimation multi-annuelle des sources d’aérosols organiques et de leurs propriétés d’absorption de la lumière en région Parisienne". Electronic Thesis or Diss., Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLV013.

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Abstract (sommario):

Les aérosols carbonés, qui incluent les aérosols organiques (AO) et le carbone suie (BC), jouent un rôle majeur sur la qualité de l’air et sur le climat. Il est donc primordial de pouvoir quantifier leurs sources, ainsi que celles de leurs précurseurs gazeux, pour la mise en œuvre de plans d’action appropriés. Les études de tendance sur la composition chimique de l’atmosphère sont également nécessaires afin d’améliorer les connaissances de l’impact des particules sur le réchauffement climatique, actuel et à venir. Ce travail de thèse a permis d’exploiter les mesures automatiques et in situ des aérosols carbonés réalisées au SIRTA (Site de Recherche par Télédétection Atmosphérique) depuis plus de 6 ans. Cet observatoire appartient au programme européen ACTRIS (infrastructure de recherche européenne sur les aérosols, nuages, et espèces gazeuses réactives). Il est situé à 25 km au sud-ouest de Paris et est représentatif de la pollution de fond en région Ile de France. Les principales sources d’AO ont été discriminées à l’aide de l’outil Positive Matrix Factorization appliqué aux données issus d’un Aerosol Chemical Speciation Monitor (ACSM). Les propriétés d’absorption de la lumière de BC et du brown carbon (BrC) ont été mesurées à l’aide d’un aethalomètre multi-longueurs d’onde. L’ensemble des résultats obtenus indiquent des cycles saisonniers, hebdomadaires et journaliers spécifiques aux différentes fractions des aérosols primaires et secondaires. Ils ont confirmé que l’AO primaire (AOP), provenant essentiellement de la combustion de biomasse et du transport routier, est prépondérant sur la période froide (de novembre à février), alors que le reste de l’année est dominé par des aérosols organiques oxygénés. Parmi ces derniers, une fraction moins oxydée, provenant probablement de façon majeure de précurseurs biogéniques, est prépondérante en été (60% de l’AO en moyenne estivale). Les études de tendance ont montré une légère diminution des concentrations (de l’ordre de 0.05-0.20 µg/m3 par an) de toutes les fractions d’AO identifiées au cours de la période étudiée, hormis pour cette fraction d’AO moins oxydée qui ne présente pas de tendance significative. Concernant les propriétés optiques, une contribution moyenne globalement équivalente à celle de BC a été observée pour le BrC dans le proche ultraviolet en hiver. Par ailleurs, il a été mis en évidence une augmentation significative des propriétés d’absorption du BC liée à des interactions avec les aérosols secondaires en mélange interne, en particulier en été (avec une valeur moyenne de 1.6 pour le paramètre Eabs). La fraction organique la plus oxydée a pu être identifiée comme principale responsable de ce phénomène, faisant des aérosols organiques secondaires l’une des fractions des particules les plus importants à considérer par les modèles climatiques
Carbonaceous aerosols, including organic aerosols (OA) and black carbon (BC), are playing important roles on air quality and climate change. Therefore, quantifying contribution of their emission sources, as well as the sources of their gaseous precursors, is needed to implement efficient mitigation measures. Investigating trends in atmospheric composition is also essential to a better knowledge of present and future impacts of airborne particles on global warming. This work aimed at investigating on-line and in situ carbonaceous aerosol measurements performed for more than 6 years at the SIRTA facility (Site Instrumental de Recherche par Télédétection Atmosphérique). This observatory platform is part of the ACTRIS (Aerosols, Clouds, Trace gases Research InfraStructure). It is located 25 km southwest of Paris city center and is representative of background air quality in the Ile de France region. The main sources of submicron OA were discriminated through Positive Matrix Factorization applied to Aerosol Chemical Speciation Monitor (ACSM) data. Light absorption properties of BC and brown carbon (BrC) were obtained from multi-wavelength Aethalometer measurements. Converging results illustrated well-marked seasonal, weekly, and diel cycles of the various primary and secondary carbonaceous aerosol fractions. Primary OA (POA), mainly from wood burning and traffic emissions, were confirmed to dominate submicron OA concentrations during the coldest months (November to February), while Oxygenated OA (OOA) were shown as the major contributors during the rest of the year. Less Oxidized OOA (LO-OOA), possibly with predominant biogenic origins, were found to contribute up to about 60% of total submicron OA on average in summer. Trend analyses indicated slight decreasing features (in the range of 0.05-0.20 µg m-3 yr-1) for every OA fractions over the 6+-year investigated period, except for this LO-OOA factor which showed no significant trend. Regarding absorption properties, BrC - with overwhelming biomass burning origin - was found to have equivalent light absorption impact than BC at near-ultraviolet wavelengths during the winter season. In summer, a mean value of 1.6 was obtained for BC absorption enhancement (Eabs) due to secondary aerosol lensing effect, supporting possible higher BC-related radiative impact than currently expected. Last but not least, More Oxidized OOA (MO-OOA) were shown as the main agent for this Eabs and then appeared as one of the most critical aerosol fraction to be considered within near-future climate models

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Zhang, Yunjiang. "Estimation multi-annuelle des sources d’aérosols organiques et de leurs propriétés d’absorption de la lumière en région Parisienne". Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLV013.

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Abstract (sommario):

Les aérosols carbonés, qui incluent les aérosols organiques (AO) et le carbone suie (BC), jouent un rôle majeur sur la qualité de l’air et sur le climat. Il est donc primordial de pouvoir quantifier leurs sources, ainsi que celles de leurs précurseurs gazeux, pour la mise en œuvre de plans d’action appropriés. Les études de tendance sur la composition chimique de l’atmosphère sont également nécessaires afin d’améliorer les connaissances de l’impact des particules sur le réchauffement climatique, actuel et à venir. Ce travail de thèse a permis d’exploiter les mesures automatiques et in situ des aérosols carbonés réalisées au SIRTA (Site de Recherche par Télédétection Atmosphérique) depuis plus de 6 ans. Cet observatoire appartient au programme européen ACTRIS (infrastructure de recherche européenne sur les aérosols, nuages, et espèces gazeuses réactives). Il est situé à 25 km au sud-ouest de Paris et est représentatif de la pollution de fond en région Ile de France. Les principales sources d’AO ont été discriminées à l’aide de l’outil Positive Matrix Factorization appliqué aux données issus d’un Aerosol Chemical Speciation Monitor (ACSM). Les propriétés d’absorption de la lumière de BC et du brown carbon (BrC) ont été mesurées à l’aide d’un aethalomètre multi-longueurs d’onde. L’ensemble des résultats obtenus indiquent des cycles saisonniers, hebdomadaires et journaliers spécifiques aux différentes fractions des aérosols primaires et secondaires. Ils ont confirmé que l’AO primaire (AOP), provenant essentiellement de la combustion de biomasse et du transport routier, est prépondérant sur la période froide (de novembre à février), alors que le reste de l’année est dominé par des aérosols organiques oxygénés. Parmi ces derniers, une fraction moins oxydée, provenant probablement de façon majeure de précurseurs biogéniques, est prépondérante en été (60% de l’AO en moyenne estivale). Les études de tendance ont montré une légère diminution des concentrations (de l’ordre de 0.05-0.20 µg/m3 par an) de toutes les fractions d’AO identifiées au cours de la période étudiée, hormis pour cette fraction d’AO moins oxydée qui ne présente pas de tendance significative. Concernant les propriétés optiques, une contribution moyenne globalement équivalente à celle de BC a été observée pour le BrC dans le proche ultraviolet en hiver. Par ailleurs, il a été mis en évidence une augmentation significative des propriétés d’absorption du BC liée à des interactions avec les aérosols secondaires en mélange interne, en particulier en été (avec une valeur moyenne de 1.6 pour le paramètre Eabs). La fraction organique la plus oxydée a pu être identifiée comme principale responsable de ce phénomène, faisant des aérosols organiques secondaires l’une des fractions des particules les plus importants à considérer par les modèles climatiques
Carbonaceous aerosols, including organic aerosols (OA) and black carbon (BC), are playing important roles on air quality and climate change. Therefore, quantifying contribution of their emission sources, as well as the sources of their gaseous precursors, is needed to implement efficient mitigation measures. Investigating trends in atmospheric composition is also essential to a better knowledge of present and future impacts of airborne particles on global warming. This work aimed at investigating on-line and in situ carbonaceous aerosol measurements performed for more than 6 years at the SIRTA facility (Site Instrumental de Recherche par Télédétection Atmosphérique). This observatory platform is part of the ACTRIS (Aerosols, Clouds, Trace gases Research InfraStructure). It is located 25 km southwest of Paris city center and is representative of background air quality in the Ile de France region. The main sources of submicron OA were discriminated through Positive Matrix Factorization applied to Aerosol Chemical Speciation Monitor (ACSM) data. Light absorption properties of BC and brown carbon (BrC) were obtained from multi-wavelength Aethalometer measurements. Converging results illustrated well-marked seasonal, weekly, and diel cycles of the various primary and secondary carbonaceous aerosol fractions. Primary OA (POA), mainly from wood burning and traffic emissions, were confirmed to dominate submicron OA concentrations during the coldest months (November to February), while Oxygenated OA (OOA) were shown as the major contributors during the rest of the year. Less Oxidized OOA (LO-OOA), possibly with predominant biogenic origins, were found to contribute up to about 60% of total submicron OA on average in summer. Trend analyses indicated slight decreasing features (in the range of 0.05-0.20 µg m-3 yr-1) for every OA fractions over the 6+-year investigated period, except for this LO-OOA factor which showed no significant trend. Regarding absorption properties, BrC - with overwhelming biomass burning origin - was found to have equivalent light absorption impact than BC at near-ultraviolet wavelengths during the winter season. In summer, a mean value of 1.6 was obtained for BC absorption enhancement (Eabs) due to secondary aerosol lensing effect, supporting possible higher BC-related radiative impact than currently expected. Last but not least, More Oxidized OOA (MO-OOA) were shown as the main agent for this Eabs and then appeared as one of the most critical aerosol fraction to be considered within near-future climate models

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Debevec, Cécile. "Identification des déterminants de la concentration en polluants organiques gazeux dans le bassin méditerranéen Est". Thesis, Lille 1, 2017. http://www.theses.fr/2017LIL10138/document.

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Abstract (sommario):

Les composés organiques volatils (COV) jouent un rôle majeur au sein du système atmosphérique en tant que précurseurs d’ozone troposphérique et d’aérosols organiques (AO) secondaires. En région méditerranéenne, les concentrations en polluants particulaires et gazeux sont généralement plus élevées que dans la plupart des régions d’Europe continentale, en particulier en période estivale. Cependant, la pollution de l’air dans cette région reste difficile à caractériser en raison d’un manque de mesures atmosphériques. Cette thèse permet de mieux comprendre les sources et le devenir des COV en région méditerranéenne orientale. Lors de la campagne de mesure intensive de Mars 2015 réalisée sur un site de fond chypriote, des mesures en continu d’un grand nombre de COV ont permis d’évaluer leurs teneurs, de mieux comprendre leurs principales sources dans la région et de décrire leurs variabilités et leurs origines potentielles. Une analyse factorielle a montré que les sources biogéniques et la pollution de fond régionale étaient les plus importants contributeurs aux concentrations en COV observées sur ce site. Bénéficiant de mesures d’AO en continu, un parallèle entre la composition en aérosol organique et la phase gazeuse a été réalisé. Les interactions des COV biogéniques avec des composés anthropiques peuvent influencer la formation et la croissance de nouvelles particules, induisant un renforcement de la fraction d’AO secondaire. Finalement, des mesures en continu de COV primaires ont été effectuées de Janvier 2015 à Février 2016 afin de mieux caractériser la variation saisonnière des COV et de leurs sources affectant la région méditerranéenne orientale
Volatile organic compounds (VOCs) play a key role within the atmospheric system acting as precursors of ozone and secondary organic aerosols (OA). In the Mediterranean region, particulate and gaseous concentrations are usually higher than in most continental European regions especially during summertime. However, air pollution in this region remains difficult to characterize because of a lack of atmospheric measurements. This thesis provides a better understanding of the sources and fate of VOCs in the Eastern Mediterranean region. During the intensive field campaign held in March 2015 at a background site of Cyprus, real-time measurements of a large number of VOCs have been performed, allowing the evaluation of their concentration levels in ambient air, improving the understanding of their major sources in the area, and describing their variabilities and their potential origins. A factorial analysis (PMF) showed that the local biogenic sources and the regional background were found to be the largest contributors to the VOC concentrations observed at this site. Benefiting from real-time OA measurements, a parallel between organic aerosol and gas phase composition was conducted. Biogenic VOC interactions with anthropogenic compounds can influence formation and growth of newly particles, inducing a reinforcement of secondary OA fraction. Finally, on-line measurements of primary VOCs were performed from January 2015 to February 2016 to provide a better characterization of the seasonal variation in VOCs and their sources impacting the Eastern Mediterranean region

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Ait-Helal, Warda. "Les composés organiques gazeux en périphérie de deux mégapoles, Paris et Los Angeles : sources, variabilité et impact sur l'aérosol organique secondaire". Electronic Thesis or Diss., Lille 1, 2013. http://www.theses.fr/2013LIL10173.

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Abstract (sommario):

L’aérosol organique secondaire (AOS) a un impact sur la qualité de l’air et le changement climatique, notamment. Mais ses quantités atmosphériques restent mal représentées, aussi bien en région source qu’en région de transport, en raison de la méconnaissance des sources et de la nature des Composés Organiques Gazeux (COG) précurseurs de l’AOS et des mécanismes de formation de l’AOS.Ce travail de thèse a pour objectif (1) de caractériser les sources des COG, parmi lesquels d’importants précurseurs d’AOS, et (2) d’estimer l’impact des COG sur la formation d’AOS en zone urbaine. Ce travail s’appuie sur les mesures de COG en deux sites périurbains de deux mégapoles, Paris et Los Angeles, dans le cadre des programmes MEGAPOLI (été 2009 et hiver 2010) et CalNex (printemps 2010). À partir de la composition de la fraction organique des phases gazeuse et particulaire, des indicateurs de la qualité de l’air et des données météorologiques, nous avons (1) identifié les déterminants des COG, (2) identifié et estimé l’importance relative des sources saisonnières d’émissions des COG par application du modèle sources-récepteur PMF, (3) estimé l’impact des COG sur la formation d’AOS. En été comme en hiver, les COG mesurés en périphérie de Paris sont fortement associés au profil de source des émissions lointaines et à celui des COVO. Les COG mesurés dans l’agglomération de Los Angeles sont majoritairement associés aux profils de sources anthropiques primaires. Quant à la formation d’AOS, ces travaux ont pour la première fois permis de mettre en évidence l’importance des Composés Organiques à la Volatilité Intermédiaire (COV-I) dans la formation d’AOS à partir de leur mesure in-situ à Paris
Secondary Organic Aerosol (SOA) impacts air quality and climate change. However, its ambient concentrations are still underestimated. A large discrepancy has been observed between estimations and observations of SOA in urban areas as well as in remote areas, since the sources and the nature of the SOA precursors, the Gaseous Organic Compounds (GOCs), and the SOA formation mechanisms remain unclear. The studies presented here aim (1) to characterize the GOCs, including important SOA precursors, in urban area by studying their determinants and their sources, and (2) to study the GOCs impact on the SOA formation in urban area. To answer these objectives, we studied GOCs measured at suburban sites of Paris and Los Angeles megacities, as part of the MEGAPOLI (summer 2009 and winter 2010) and CalNex (spring 2010) programs, respectively. From the study of the organic fractions of the particulate- and the gas-phases with air quality indicators and meteorological data, (1) we identified the GOCs determinants, (2) we identified their sources and quantified their relative contribution to the GOCs emissions according to the season, by implementing the source receptor model PMF, and (3) we estimated the impact of the GOCs on the SOA formation. In summer and in winter, the GOCs measured in Paris are strongly associated with the “remote” and “OVOCs” source profiles. The highest contributions to the emissions of GOCs measured in Los Angeles are associated to the anthropogenic source profiles. As for the SOA formation, these studies highlighted for the first time the importance of the Intermediate Volatility Organic Compounds (I-VOCs) in the SOA formation from their measurements in Paris

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Cholakian, Arineh. "Evolution de la composition chimique de l’atmosphère au-dessus du bassin Méditerranéen : forçages, mécanismes et scénarios". Electronic Thesis or Diss., Sorbonne Paris Cité, 2018. https://wo.app.u-paris.fr/cgi-bin/WebObjects/TheseWeb.woa/wa/show?t=5441&f=39753.

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Abstract (sommario):

Soumise à de nombreux forçages anthropiques (charge en polluants atmosphériques gazeux et particulaires) et naturels (recirculations côtières, évènements de poussières désertiques…), mais aussi fortement peuplée sur l’ensemble de ses rives, la Méditerranée est reconnue comme une région particulièrement sensible à l’évolution des émissions de polluants et au changement climatique. Aujourd’hui, l’évaluation de la composition future de l’atmosphère en Méditerranée constitue un enjeu environnemental et sanitaire majeur. En particulier, la simulation de l’aérosol organique secondaire (AOS) dans le bassin occidental reste un volet peu abordé dans les travaux de recherche, notamment en raison de la complexité du sujet. La campagne intensive ChArMEx (Chemistry-Aerosol MEditerranean Experiment), qui vise à l’évaluation scientifique de l'état actuel et futur de l'environnement atmosphérique méditerranéen, nous a offert l’opportunité d’améliorer notre compréhension de la fraction organique des aérosols de l’atmosphère au-dessus de la Méditerranée, par une approche de modélisation 3D. Dans un premier temps, différents schémas de simulation d'aérosol organique (AO) prenant en compte l'évolution de la matière organique semi-volatile dans l'atmosphère (fonctionnalisation versus fragmentation), ainsi que la formation de l'AOS non-volatile, ont été implémentés dans le modèle CHIMERE. La comparaison de ces schémas avec les mesures a permis de mettre en évidence les principales sources de formation de l’AO dans le bassin ouest de la Méditerranée et de définir la configuration du modèle la plus appropriée pour la simulation de cet aérosol. Nous avons constaté que le schéma qui prend en compte les processus de fragmentation et de formation de l’AOS non-volatile correspondait le mieux avec la masse, l’état d’oxydation et l’origine de l’AO mesurés dans le projet ChArMEx, notamment au Cap Corse et à Majorque. Dans un deuxième temps, nous avons mis en œuvre le modèle CHIMERE dans sa version améliorée afin de proposer une analyse future du bassin Méditerranéen. Des scénarios futurs proposant différentes intensités pour le changement climatique ont été investigués. Notamment, les effets isolés des forçages (climat, émissions anthropiques, transport longue-distance) ont été identifiés, et la part de chacun dans l’évolution de la composition de l’atmosphère a été estimée, pour les principaux composants de la matière particulaire. Afin de quantifier l’effet du changement de schéma sur l’évolution de l’AO sur les scénarios futurs, 15 années de simulations historiques et 15 années de simulations futures ont été effectuées avec trois schémas distincts. Les résultats montrent que le pourcentage de changement d’AOS biogénique peut être sous-estimé d’un facteur 2 dans avec un schéma simple pour la simulation de l’AOS d’origine biogénique, par rapport à un schéma prenant en compte la fonctionnalisation, la fragmentation et la formation de l’AOS non-volatile. Avec la volonté d’apporter un regard plus régional sur les côtes de la Méditerranée, 5 années de simulations ont été effectuées sur la région PACA, dans le but d’étudier l’exposition de la population aux polluants, ainsi que l’impact combiné de l’évolution démographique et de scénarios atmosphériques futurs sur cette exposition dans deux cas d’étude aux horizons 2030 et 2050. Les résultats montrent que l’exposition individuelle ainsi que le cumul d’exposition de la population diminue pour plupart des composés atmosphériques. En revanche, le risque lié à l’exposition de l’ensemble de la population à l’ozone, aux AOS biogéniques ainsi qu’aux poussières désertiques pourrait augmenter sur de larges parties du territoire, en particulier dans les zones urbaines montrant de forts taux de croissance démographique
Subject to numerous anthropogenic (gaseous and particulate atmospheric pollution burden) and natural (desert dust events ...) forcings, but also heavily populated on its shores, the Mediterranean is recognized as a region particularly sensitive to the evolution of atmospheric pollutants and climate change. Today, the assessment of the future composition of the atmosphere in the Mediterranean is a major environmental and health issue. In particular, the simulation of the secondary organic aerosol (SOA) in the western basin remains little discussed in the literature, particularly because of the complexity of the subject. The ChArMEx (Chemistry-Aerosol MEditerranean Experiment) intensive campaign, which aims to scientifically evaluate the current and future state of the Mediterranean atmospheric environment, has given us the opportunity to improve our understanding of the organic fraction as well as total aerosols over the Mediterranean, using a 3D modeling approach. As a first step, different simulation schemes of organic aerosols (OA) taking into account the evolution of the semi-volatile organic compounds in the atmosphere (functionalization versus fragmentation), as well as the formation of the non-volatile SOA, have been implemented in the CHIMERE model. The comparison of these schemes with the measurements make it possible to highlight the main sources of OA formation in the western basin of the Mediterranean and to define the configuration of the most appropriate scheme for the simulation of this aerosol. We found that the scheme that takes into account the non-volatile SOA fragmentation and formation processes fits best to the mass cocnentration, oxidation state, and origin of the OA measured in the ChArMEx project, especially in Cap Corse and Mallorca. Subsequently, we utilized the CHIMERE model in order to present a detailed look at the future conditions of the Mediterranean basin. Future scenarios proposing different intensities for climate change have been investigated. In particular, the isolated effects of different drivers (regional climate, anthropogenic emissions and long-distance transport) have been identified, and the share of each in the evolution of the composition of the atmosphere for the main components of particulate matter has been estimated. In order to quantify the effect of the change of the scheme used for the simulation of the OA on future scenarios, 15 years of historic simulations and 15 years of future simulations were performed with three different OA simulation schemes. The results show that the percentage change in biogenic SOA can be underestimated by a factor of 2 in a simple scheme for the simulation of the SOA, compared to a scheme taking into account the functionalization, fragmentation and formation of non-volatile SOA. In order to bring a more regional perspective on the Mediterranean coasts, 5 years of simulations have been carried out on the PACA region on the south-eastern coasts of France, in order to study the exposure of the population to atmospheric pollutants, as well as the combined impact of demographic evolution (population change) and future atmospheric scenarios on this exposure in two case studies at the 2030 and 2050 horizons. The results show that the individual exposure as well as the cumulative exposure of the population decreases for most atmospheric compounds. On the other hand, the risk associated with the exposure of the entire population to ozone, biogenic SOA and desert dust could increase over large parts of the region, particularly in urban areas with high levels of population growth

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Renard, Pascal. "Photochimie et oligomérisation des composés organiques biogéniques en phase aqueuse atmosphérique". Thesis, Aix-Marseille, 2014. http://www.theses.fr/2014AIXM4748.

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Abstract (sommario):

La pollution atmosphérique liée aux aérosols organiques secondaire (SOA) représente un des enjeux majeurs du XXIème siècle. La photochimie multiphasique des SOA constitue le coeur et l'originalité de cette thèse.Le réacteur photochimique permet de simuler en laboratoire, l'oxydation en phase aqueuse atmosphérique des composés organiques volatils biogéniques (BVOC), et notamment, la méthyl vinyl cétone (MVK), afin d'étudier la formation ces SOA.Nous étudions la réactivité de la MVK en présence de ●OH et sa capacité à oligomériser en fonction des concentrations initiales de MVK, d'oxygène, et de ●OH. Une large stratégie analytique basée sur la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse (MS) permet d'identifier des produits de réaction, et d'établir un mécanisme réactionnel, expliquant la formation des oligomères, leurs rendements et leur vieillissement.Les données colligées servent d'entrées à un modèle de boîte multiphasique, afin d'explorer la sensibilité de l'oligomérisation aux conditions atmosphériques.Ensuite, nous comparons la réactivité de la MVK en présence de ●OH à celle induite par la photolyse de l'acide pyruvique; puis nous mesurons la tension de surface engendrée par ces deux systèmes d'oligomères. Enfin, la mobilité ionique couplée à la MS permet d'observer la co-oligomérisation d'une gamme étendue de BVOC en présence de ●OH.L'oligomérisation atmosphérique implique (i) une concentration minimale de précurseurs pouvant être atteinte dans les aérosols humides via la co-oligomérisation; (ii) une réactivité en compétition avec l'oxygène dissous dans la phase aqueuse, et dont la pertinence atmosphérique reste à explorer
Air pollution caused by secondary organic aerosol (SOA) is one of the major challenges of this century. We focus this thesis on SOA , through an innovative approach, i.e. multiphase photochemistry.The photochemical reactor allows to simulate in laboratory, the atmospheric aqueous phase oxidation of biogenic volatile organic compounds (BVOC) and in particular, methyl vinyl ketone (MVK), and thus, to study SOA.We study the reactivity of MVK in the presence of ●OH and its ability to oligomerize under various initial concentrations of oxygen, MVK and ●OH. A wide analytical strategy based on liquid chromatography-mass spectrometry is used to identify the reaction products, and establish a chemical mechanism. We focus on these oligomers systems, formation, yield and aging. Collected data are used as inputs to a multiphase box model to explore the sensitivity of oligomerization to the variations of physical and chemical atmospheric parameters. The photochemistry of pyruvic acid generates radical chemistry and initiates MVK oligomerization. We closely compare this reaction to MVK ●OH oxidation. Then, we measure the surface activity of both systems. The ability of oligomers to partition to the interface could affect the climate. Finally, we used ion mobility - mass spectrometry to observe ●OH co-oligomerization of a mixture of organic compounds most representative of the atmosphere.Atmospheric oligomerization implies (i) a minimal concentration of precursors that could be reached in wet aerosol via the co-oligomerization; (ii) a reactivity in competition with the addition of the dissolved oxygen, whose the atmospheric relevance remains to be explored

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Roose, Antoine. "Experimental and theoretical study of the uptake of peroxy radicals by organic aerosol surfaces". Thesis, Lille 1, 2019. http://www.theses.fr/2019LIL1R069.

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Abstract (sommario):

De nombreuses incertitudes sont encore associées aux mécanismes réactionnels utilisés dans les modèles de chimie atmosphérique, notamment sur la chimie des radicaux ROx (OH, HO2, RO2). En particulier, l’absence ou une description approximative des processus hétérogènes (capture des radicaux) à la surface des aérosols représente un point à améliorer. L’objectif de cette thèse est de combiner une approche expérimentale (macroscopique) et théorique (point de vue moléculaire) de la capture de radicaux peroxyles à la surface d’aérosols organiques. Dans la première partie de ce travail, un réacteur à écoulement laminaire couplé à un système de mesure de HO2 et RO2 par amplification chimique a été développé et caractérisé. Ce dispositif expérimental permet de mesurer la capture des radicaux HO2 sur des aérosols organiques et également celle des radicaux RO2 à terme. Dans le cadre de cette étude, la capture des radicaux HO2 a été mesurée sur des aérosols d’acide glutarique et comparée aux données de la littérature qui présentaient des désaccords.La deuxième partie de ce travail a consisté à utiliser des outils de modélisation moléculaire (dynamique moléculaire et/ou chimie quantique) afin de décrire les différents processus de la capture du radical HO2 sur une particule modèle d’acide glutarique. Le coefficient d’accommodation a été déterminé et une première caractérisation de la réactivité hétérogène a été menée en utilisant la méthode hybride QM/MM (quantique/classique) ONIOM
Many uncertainties are still associated to chemical reaction mechanisms implemented in atmospheric models, especially for ROx radicals (OH, HO2, RO2). Of particular interest, heterogeneous processes (uptake of radicals) occurring at the aerosol surface have yet to be better described in models. The objective of this work is to investigate the peroxy radical uptake onto organic aerosol surfaces. The uptake is investigated both experimentally (macroscale observation) and theoretically (molecular level description).In the first part of this thesis an aerosol flow tube coupled to a peroxy radical measurement system (chemical amplification) has been developed and characterized. This system allows the measurement of HO2 uptake onto organic aerosols and could be used to measure RO2 uptakes as well. In this work, the uptake coefficient of HO2 onto glutaric acid particles has been measured and compared to conflicting literature data.The second part of this work consisted in the computation of fundamental processes driving the HO2 uptake onto glutaric acid model particles, using molecular modelling tools (molecular dynamics (MM) and/or quantum mechanics (QM)). The accommodation coefficient has been determined and a preliminary investigation of heterogeneous reactions has been carried out using the hybrid QM/MM ONIOM method

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Lovrić, Josip. "Molecular modeling of aerosols". Thesis, Lille 1, 2017. http://www.theses.fr/2017LIL10080/document.

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Abstract (sommario):

Cette thèse est une étude, au niveau moléculaire, par des méthodes de simulation numérique, des propriétés des aérosols organiques, notamment des aérosols marins, et de leur interaction avec des espèces présentes dans l’atmosphère. L’organisation de la matière organique au sein de ces aérosols joue un rôle fondamental pour leurs propriétés optiques, chimiques et leur rôle comme noyau de condensation pour les nuages.Dans une première partie, on présente contexte atmosphérique et les méthodes de dynamique moléculaire classique et les méthodes mixtes quantique/classique utilisées pour simuler ces aérosols. Ensuite, on décrit l’application de ces méthodes à trois cas.Tout d’abord, on a étudié, par dynamique moléculaire classique (logiciel Gromacs), l’organisation, notamment l’orientation, de molécules d’acide palmitique absorbées sur une surface de sel (NaCl) en fonction du taux de couverture en acide gras et de la température. On présente aussi une étude détaillée de l’influence de l’humidité sur l’organisation de ce film organique à la surface du sel, mettant en évidence l’existence d’îlots d’acide gras monocouches structurés. Dans une seconde étude, la réactivité de NO2 avec cet aérosol marin est traitée par une approche mixte quantique/classique (logiciel CP2K), avec prise en compte de l’impact de l’humidité sur cette réactivité.Enfin, la dernière étude concerne une étude par dynamique moléculaire de phases condensées organiques (n-butanol) et de leur interaction avec des molécules d’eau. Cette étude théorique, complémentaire d’expériences de jets moléculaires, a pour but de mieux comprendre le rôle fondamental que jouent ces interactions pour les propriétés des aérosols et des nuages
In this thesis numerical methods are used to study the properties, described at the molecular level, of organic aerosols, especially marine aerosols, and their interaction with species in the atmosphere. The organisation of the organic matter in these aerosols plays a key role for their optical, chemical properties, and their ability to act as a cloud condensation nuclei.The first part reviews atmospheric context and the methods (classical molecular dynamics and hybrid quantum/classical approaches) used in this thesis. Then applications to three cases are detailed.Firstly, the organization, more particularly the orientation, of palmitic acid molecules adsorbed on a salt (NaCl) surface as a function of the fatty acid coverage and temperature has been studied using classical molecular dynamics (Gromacs package). The impact of the humidity on the structuration of this organic coating has been described in details, showing the existence of structured fatty acid island-like monolayers on NaCl surface.In a second study, the reactivity of NO2 with these heterogeneous marine aerosols has been investigated by a hybrid quantum/classical method (CP2K package), with taking into account the effect of the humidity.The last study is a classical molecular dynamics of n-butanol crystal, water accommodation at these surfaces and simulation of water jet collision with n-butanol surface. These simulations, complementary to experiments, were performed to better understand the fundamental role of the water-organic matter interaction on the properties of the aerosols and clouds

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Fayad, Layal. "Caractérisation de la nouvelle chambre de simulation atmosphérique CHARME et étude de la réaction d’ozonolyse d’un COV biogénique, le γ-terpinène". Thesis, Littoral, 2019. https://documents.univ-littoral.fr/access/content/group/50b76a52-4e4b-4ade-a198-f84bc4e1bc3c/BULCO/Th%C3%A8ses/LPCA/These_Fayad_Layal.pdf.

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Abstract (sommario):

L’étude des mécanismes et interactions atmosphériques est un des sujets majeurs actuels de recherches environnementales. La façon la plus directe et pertinente pour étudier la transformation des polluants et la formation des aérosols dans l'atmosphère est de simuler les processus dans des conditions contrôlées et simplifiées. Une nouvelle chambre de simulation CHARME (CHamber for the Atmospheric Reactivity and the Metrology of the Environment) a été développée au Laboratoire de Physico-Chimie Atmosphérique (LPCA) de l’Université du Littoral Côte d’Opale (ULCO). CHARME est également dédiée à la validation de dispositifs optiques utilisés pour la métrologie d’espèces atmosphériques stables et instables (radicaux). La première partie de ces travaux de recherche concerne la caractérisation de tous les paramètres techniques, physiques et chimiques de cette nouvelle chambre et l’optimisation des méthodes pour étudier la réactivité des composés organiques volatiles (COV) et simuler la formation d’aérosols organiques secondaires (AOS). Les résultats obtenus démontrent que CHARME est un outil adapté pour reproduire les réactions se produisant dans la troposphère. La deuxième partie est dédiée à l’étude de la réaction d’ozonolyse d’un COV biogénique, le γ-terpinène. La constante de vitesse à (294 ± 2) K et la pression atmosphérique a été mesurée et les produits d’oxydation identifiés dans la phase gazeuse. L’hygroscopicité des aérosols organiques secondaires a également été étudiée. A notre connaissance, ce travail représente la première étude sur la formation des AOS à partir de l’ozonolyse du γ-terpinène
The study of atmospheric processes is among the central topics of current environmental research. The most direct and significant way to investigate the transformation of pollutants and the formation of aerosols in the atmosphere, is to simulate these processes under controlled and simplified conditions. In this regard, a new simulation chamber, CHARME (CHamber for the Atmospheric Reactivity and the Metrology of the Environment) has been designed in the Laboratory of Physico-Chemistry of the Atmosphere (LPCA) in the University of Littoral Côte d’Opale (ULCO). CHAE is also dedicated to the development and validation of new spectroscopic approaches for the metrology of atmospheric species including gases, particles and radicals.The first aim of this research was to characterize all the technical, physical and chemical parameters of this new chamber and to optimize the methods for studying the atmospheric reactivity of volatile organic compounds (VOCs) and simulating the formation of secondary organic aerosols (SOA). The results of numerous experiments and tests show that CHARME is a convenient tool to reproduce chemical reactions occurring in the troposphere. The second research objective was to investigate the reaction of the biogenic VOC, γ-terpinene, with ozone. The rate coefficient at (294 ± 2) K and atmospheric pressure was determined and the gas-phase oxidation products were identified. The physical state and hygroscopicity of the secondary organic aerosols was also studied. To our knowledge, this work represents the first study on SOA formation from the ozonolysis of γ-terpinene

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Osseiran, Noureddin. "Spectroscopic characterization of molecules of atmospheric interest : internal dynamics and microsolvation with hydrogen sulfide (H2S)". Electronic Thesis or Diss., Université de Lille (2018-2021), 2021. http://www.theses.fr/2021LILUR062.

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Abstract (sommario):

Les composés organiques volatils biogéniques (COVBs), et en particulier les monoterpènes (C10H16), sont des molécules naturellement présentes dans l’atmosphère, qui sont liées à la formation d’aérosols organiques secondaires (SOA). Ils peuvent altérer les propriétés physiques et chimiques de l’atmosphère, avoir des effets négatifs sur la santé humaine et contribuer aux changements climatiques. Une forte relation existe entre la structure d’un système moléculaire et les interactions inter- et intramoléculaires présentes à l’échelle moléculaire. Par conséquent, l’accès aux informations sur la structure, en phase gazeuse, et la dynamique interne pourrait être essentiel pour prédire les voies possibles de réaction ou de la formation de complexes et d’agrégats.La spectroscopie micro-ondes à transformée de Fourier (FTMW) une fois combinée aux calculs de chimie quantique, sont une approche fiable pour étudier le paysage conformationnel, la structure et la dynamique interne de plusieurs types des molécules, et notamment les molécules d’intérêt atmosphérique, leurs produits d’oxydation et leurs complexes associés.Dans le cadre de cette thèse, nous avons appliqué cette approche théorique-expérimentale pour caractériser les complexes de deux monoterpénoïdes : le fenchol (C10H18O) et la fenchone (C10H16O) avec un autre contaminant atmosphérique, à savoir le H2S. Les conformations stables en phase gazeuse ont été identifiées dans le spectre de rotation pure à l’aide des calculs ab initio et DFT. Une analyse comparative des complexes observés avec leurs analogues hydratés a confirmé la présence d’une liaison hydrogène plus faible. En plus, nous avons observé un mouvement de grande amplitude, décrit qualitativement. Les interactions non covalentes stabilisantes des deux complexes ont également été évaluées.De manière similaire, et dans le même contexte général, nous avons également caractérisé le paysage conformationnel et la rotation interne du groupe méthyle dans le cas de la limona cétone (C9H14O), qui est un BVOC issu de l’oxydation du limonène. La hauteur de barrière expérimentale de la torsion du méthyle a montré un certain écart par rapport aux valeurs calculées, ce qui nous a poussé vers une investigation plus approfondie, qui a révélé la présence d’une interaction intermoléculaire.La deuxième partie de cette thèse a été consacrée à la construction et à l’évaluation d’un nouveau spectromètre FTMW à dérive de fréquence, large bande (6-18 GHz). Une description technique détaillée du spectromètre est donnée dans ce manuscrit. De plus, les tests préliminaires effectués pour évaluer les performances du spectromètre sont rapportés
Biogenic volatile organic compounds (BVOCs), and especially monoterpenes (C10H16), are molecules naturally occurring in the atmosphere, which have been linked to the formation of secondary organic aerosol (SOA). They can alter the physical and chemical properties in the atmosphere, have negative effects on human health and contribute to climate change. There exists a strong relationship between the structure of a molecular system and the inter- and intramolecular interactions present on the molecular scale.Hence, having in-depth information about the gas phase structure and internal dynamics of these molecules, or their molecular complexes, is important to better understand their reaction pathways and complexation patterns.The synergic combination of quantum chemical calculations and Fourier transform microwave (FTMW) spectroscopy has been shown to be a reliable approach to examine the conformational landscape, structure and internal dynamics of several types of molecules of atmospheric interest, their oxidation products and their complexes. In the framework of this thesis, we have applied this theoretical-experimental approach to characterize the complexes of two monoterpenoids: fenchol (C10H18O) and fenchone (C10H16O) with another atmospheric contaminant: the H2S molecule. The gas phase stable conformations were identified in the pure rotational spectrum with the supportof ab initio and DFT calculations. A comparative analysis of the observed complexes with their water analogues confirmed the presence of weaker hydrogen bonds. On top of that, we observed a large amplitude motion, that was qualitatively described. The stabilizing non-covalent interactions of the two complexes were also evaluated.In a similar manner, and within the same general context, we also characterized the conformational landscape and methyl internal rotation in the case of limona ketone (C9H14O), which is a biogenic volatile organic compounds (BVOC) originating from the oxidation limonene. The experimental barrier height of the methyl torsion showed some deviation from the calculated values, which pushed toward a more thorough examination, that revealed the presence of an intermolecular interaction.The second part of this thesis was dedicated to the construction and evaluation of a broadband chirped pulse FTMW spectrometer, operating in the range 6-18 GHz. A detailed technical description of the spectrometer is given herein. Moreover, the preliminary tests performed to evaluate the performance of the spectrometer are reported

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Srivastava, Deepchandra. "Improving the discrimination of primary and secondary sources of organic aerosol : use of molecular markers and different approaches". Thesis, Bordeaux, 2018. http://www.theses.fr/2018BORD0055/document.

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Abstract (sommario):

Les aérosols organiques (AO), issus de nombreuses sources et de différents processus atmosphériques, ont un impact significatif sur la qualité de l’air et le changement climatique. L’objectif de ce travail de thèse était d’acquérir une meilleure connaissance de l’origine des AO par l’utilisation de marqueurs organiques moléculaires au sein de modèles source-récepteur de type positive matrix factorization (PMF). Ce travail expérimental était basé sur deux campagnes de prélèvements réalisées à Grenoble (site urbain) au cours de l’année 2013 et dans la région parisienne (site péri-urbain du SIRTA, 25 km au sud-ouest de Paris) lors d’un intense épisode de pollution aux particules (PM) en Mars 2015. Une caractérisation chimique étendue (de 139 à 216 espèces quantifiées) a été réalisée et l’utilisation de marqueurs moléculaires primaires et secondaires clés dans la PMF a permis de déconvoluer de 9 à 11 sources différentes de PM10 (Grenoble et SIRTA, de façon respective) incluant aussi bien des sources classiques (combustion de biomasse, trafic, poussières, sels de mer, nitrate et espèces inorganiques secondaires) que des sources non communément résolues telles que AO biogéniques primaires (spores fongiques et débris de plantes), AO secondaires (AOS) biogéniques (marin, oxydation de l’isoprène) et AOS anthropiques (oxydation des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et/ou des composés phénoliques). En outre, le jeu de données obtenu pour la région parisienne à partir de prélèvements sur des pas de temps courts (4h) a permis d’obtenir une meilleure compréhension des profils diurnes et des processus chimiques impliquées. Ces résultats ont été comparés à ceux issus d’autres techniques de mesures (en temps réel, ACSM (aerosol chemical speciation monitor) et analyse AMS (aerosol mass spectrometer) en différée) et/ou d’autres méthodes de traitement de données (méthodes traceur EC (elemental carbon) et traceur AOS). Un bon accord a été obtenu entre toutes les méthodes en termes de séparation des fractions primaires et secondaires. Cependant, et quelle que soit l’approche utilisée, la moitié de la masse d’AOS n’était toujours pas complètement décrite. Ainsi, une nouvelle approche d’étude des sources de l’AO a été développée en combinant les mesures en temps réel (ACSM) et celles sur filtres (marqueurs moléculaires organiques) et en utilisant un script de synchronisation des données. L’analyse PMF combinée a été réalisée sur la matrice de données unifiée. 10 facteurs AO, incluant 4 profils chimiques différents en lien avec la combustion de biomasse, ont été mis en évidence. Par rapport aux approches conventionnelles, cette nouvelle méthodologie a permis d’obtenir une meilleure compréhension des processus atmosphériques liés aux différentes sources d’AO
Organic aerosols (OAs), originating from a wide variety of sources and atmospheric processes, have strong impacts on air quality and climate change. The present PhD thesis aimed to get a better understanding of OA origins using specific organic molecular markers together with their input into source-receptor model such as positive matrix factorization (PMF). This experimental work was based on two field campaigns, conducted in Grenoble (urban site) over the 2013 year and in the Paris region (suburban site of SIRTA, 25 km southwest of Paris) during an intense PM pollution event in March 2015. Following an extended chemical characterization (from 139 to 216 species quantified), the use of key primary and secondary organic molecular markers within the standard filter-based PMF model allowed to deconvolve 9 and 11 PM10 sources (Grenoble and SIRTA, respectively). These included common ones (biomass burning, traffic, dust, sea salt, secondary inorganics and nitrate), as well as uncommon resolved sources such as primary biogenic OA (fungal spores and plant debris), biogenic secondary AO (SOA) (marine, isoprene oxidation) and anthropogenic SOA (polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and/or phenolic compounds oxidation). In addition, high time-resolution filter dataset (4h-timebase) available for the Paris region also illustrated a better understanding of the diurnal profiles and the involved chemical processes. These results could be compared to outputs from other measurement techniques (online ACSM (aerosol chemical speciation monitor), offline AMS (aerosol mass spectrometer) analyses), and/or to other data treatment methodologies (EC (elemental carbon) tracer method and SOA tracer method). A good agreement was obtained between all the methods in terms of separation between primary and secondary OA fractions. Nevertheless, and whatever the method used, still about half of the SOA mass was not fully described. Therefore, a novel OA source apportionment approach has finally been developed by combining online (ACSM) and offline (organic molecular markers) measurements and using a time synchronization script. This combined PMF analysis was performed on the unified matrix. It revealed 10 OA factors, including 4 different biomass burning-related chemical profiles. Compared to conventional approaches, this new methodology provided a more comprehensive description of the atmospheric processes related to the different OA sources

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Hallemans, Elise. "Étude de la formation, du vieillissement et de la composition chimique de l'aérosol organique secondaire dans le bassin méditerranéen". Thesis, Paris Est, 2016. http://www.theses.fr/2016PESC1122/document.

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Abstract (sommario):

L’aérosol organique secondaire (AOS) est issu de processus d’oxydation des précurseurs gazeux, les composés organiques volatils (COV). Des lacunes persistent encore dans la connaissance des voies de formation et d’évolution de l’AOS et de sa composition chimique à l’échelle moléculaire. Ces différents aspects expliquent en partie la sous-estimation de sa concentration globale par les modèles. Pour apporter des éléments de réponse à ces problématiques, le bassin méditerranéen a été sélectionné comme région d’étude. Celui-ci est, en effet, caractérisé par une forte photochimie, notamment en été, et des sources de COV très intenses, à la fois biogéniques et anthropiques, réunissant ainsi les conditions favorables à la formation d’AOS dans l’atmosphère. Dans ce contexte, deux campagnes de mesures ont été réalisées dans le cadre des programmes Canopée et ChArMEx.Grâce au déploiement d’une méthode de prélèvement et d’analyse par TD-GC/MS, la caractérisation de la fraction organique a permis la détermination de plus d’une centaine de composés oxygénés de C2 à C18 en phases gazeuse et particulaire. La complémentarité des jeux de données obtenus avec des méthodes plus traditionnelles (PTR-MS, AMS) a permis d’apporter des éléments de réponse sur la réactivité des composés oxygénés vis-à-vis du radical OH, sur la composition de la matière organique sur deux sites aux caractéristiques contrastées et sur la propension de différents précurseurs biogéniques et anthropiques à former de l’AOS. La détermination des coefficients de partage théoriques et expérimentaux apportent également des éléments de réponse quant à la représentation de l’AOS dans les modèles
Secondary Organic Aerosol or « SOA » is formed in the atmosphere by oxidative process of volatile organic compounds (VOC). Gaps in knowledge of SOA formation and evolution pathways and of molecular characterization still exist. These aspects are an important source of uncertainties and can explain the underestimation of SOA budget calculated by models. In order to give new insights on these issues, the Mediterranean basin appears like an ideal area to study SOA. Actually, this region is characterized by high photochemistry, above all during summer season, and by intense VOC biogenic and anthropogenic emissions implying the formation of SOA in the atmosphere. In this context, two field campaigns have been performed in the frame of Canopée and ChArMEx projects.Thanks to a sampling and analyzing method by TD-GC/MS, the characterization of organic fraction enables one to determine more than one hundred compounds from C2 to C18 in gaseous and particulate phases. In combination with traditional datasets (PTR-MS, AMS), new insights were brought in reactivity of gaseous oxygenated compounds with OH radical, in chemical composition of organic material in particulate phase and about the contribution of various precursors to the capacity to form SOA. The determination of experimental and theoretical partitioning coefficients gives new information on SOA representation in models

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Bertrand, Amélie. "Vieillissement atmosphérique de l'aérosol de combustion de biomasse : du potentiel de formation d'aérosol organique secondaire à la modification de l'empreinte chimique à l'échelle moléculaire". Thesis, Aix-Marseille, 2017. http://www.theses.fr/2017AIXM0149/document.

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Abstract (sommario):

La combustion de bois, ou plus largement de la biomasse, est une source de pollution très importante en particules atmosphériques en hiver, particulièrement en France. Si les émissions primaires ont été étudiées depuis de nombreuses années, il existe de grandes incertitudes sur le devenir de ces émissions dans l’atmosphère. Le travail de thèse a donc porté sur l’étude du vieillissement en chambre de simulation atmosphérique de l’aérosol émis par 3 appareillages pour le chauffage au bois (conçus entre 2000 et 2010 et représentatifs de la politique de renouvellement mis en place par l’ADEME), avec un intérêt particulier pour le potentiel de formation d’aérosol organique secondaire (SOA) et la modification de l’empreinte chimique à l’échelle moléculaire au cours du transport atmosphérique. Les expériences ont montré un potentiel de formation de SOA très important. La concentration en OA peut ainsi être multipliée par 7 (1.5 – 7.1) entre l’émission et après un temps de résidence atmosphérique équivalent à 5 h. Cette étude met également en évidence l’impact de l’efficacité de combustion sur les facteurs d’émission et par conséquent le rôle crucial de l’opérateur. L’étude à l’échelle moléculaire a mis en évidence la formation de composés susceptibles de servir de marqueurs de combustion de biomasse âgée, principalement des nitrocatéchols. Enfin, cette étude démontre le rôle clé de la volatilisation du lévoglucosan, principal marqueur organique de la combustion de biomasse, au cours du processus de dilution dans l’atmosphère, et pose clairement la question de la pertinence des constantes cinétiques de dégradation préalablement calculées en chambre de simulation atmosphérique
Biomass burning is in winter a main source of air pollution by particulate matter, especially in France. While primary emissions have been characterized extensively before, few studies have addressed the aging of these emissions in the atmosphere and large uncertainties remain. Therefore, the objectives of this thesis was to study in a smog chamber the aging of the aerosol emitted by 3 different woodstoves used for residential heating (fabricated from between 2000 and 2010, and representative of the policy engaged by the French environmental agency to renew the appliances across the country), with a specific focus on the Secondary Organic Aerosol (SOA) production potential and the modification of the chemical fingerprint of the emissions at the molecular level during their transport in the atmosphere. The experiments showed the SOA production potential can be significant. The OA concentration can be increased by up to a factor of 7 (1.5 – 7.1) after being aged in the smog chamber with a time equivalent to 5 hours in the atmosphere. The study also further demonstrated the influence of the combustion efficiency on the emissions and implicitly the role of the operator. The study of the composition of the aerosol at the molecular level showed the formation of compounds, likely to serve as markers for aged biomass burning, mainly nitrocatechols. Finally, the work also illustrates the influence of the volatilization of levoglucosan, main marker of biomass burning, during the dilution process occurring in the atmosphere, and challenge the pertinence of the degradation rate constant determined previously in smog chamber

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Ma, Prettiny. "Modélisation de la formation des aérosols organiques secondaires dans les régions polluées". Thèse, 2016. http://hdl.handle.net/1866/18657.

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Abstract (sommario):

Les aérosols atmosphériques (par exemple les matières particulaires ou PM) sont une source majeure d’incertitude dans les modèles climatiques. Plusieurs études ont démontré que des concentrations élevées de PM réduisent l’espérance de vie. Les aérosols organiques secondaires (Secondary Organic Aerosols en anglais, SOA) sont formés dans l’atmosphère à partir des précurseurs gazeux à travers les réactions chimiques et les SOA représentent des composants majeurs de la masse des PM à l’échelle mondiale. Afin de mieux comprendre les processus chimiques responsables de la formation des SOA, un modèle en 0-D est élaboré pour simuler dynamiquement l’évolution des espèces organiques dans une parcelle d’air qui subit une oxydation photochimique produisant des SOA. Le modèle incorpore des paramètres récemment publiés pour la formation des SOA à partir des composés organiques volatiles (VOCs), ainsi que des composés organiques semi-volatiles et des composés organiques à volatilité intermédiaire (SVOCs et IVOCs). Le modèle est restreint par plusieurs mesures de précurseurs, incluant des mesures récemment développées qui fournissent des contraintes grandement améliorées sur les concentrations des précurseurs, et les prédictions sont comparées par rapport aux mesures des SOA prises au cours de la campagne CalNex. Lorsque les effets des pertes sur les parois des chambres à smog sont considérés pour les rendements des VOCs, la quantité et la vitesse de la formation des SOA dans le modèle sont plus en accord avec les observations. Les résultats de cette étude indiquent que les SVOCs et les IVOCs primaires sont responsables de la majorité (70 à 86 %) de la masse de SOA modélisée, accentuant leur grande contribution en tant que précurseurs des SOA. Cependant, la masse de SOA simulée est sous-estimée à des temps courts d’oxydation lorsque comparée aux données sur le terrain, mais à des temps plus longs, un accord modèle/mesures est observé. Cet écart peut être dû à un ΔIVOC/ΔCO ratio d’émission bas ou une sous-estimation basse des constantes d’oxydations des IVOCs, ce qui met en évidence la nécessité de poursuivre les études sur le terrain et dans les laboratoires de ces composés.
Atmospheric aerosols (i.e. particulate matter or PM) are a major source of uncertainty in climate models. Many studies have also shown that elevated concentrations of PM reduce life expectancies. Secondary organic aerosol (SOA) is formed in the atmosphere from gaseous precursors through chemical reactions and SOA represents a major component of PM mass globally. To better understand the chemical pathways responsible for SOA formation, a box model is designed to simulate dynamically the evolution of organic species in an air parcel as it undergoes photochemical oxidation producing SOA. The model incorporates recently published parameterizations for the formation of SOA from volatile organic compounds (VOCs), as well as from semi-volatile and intermediate-volatility organic compounds (SVOCs and IVOCs). The model is constrained by several measurements of precursors, including recently developed measurements that provide greatly improved constraints on precursor concentrations, and the predications are compared against measurements of SOA taken during the CalNex campaign. When accounting for the effect of chamber wall-losses on VOC yields, the amount and rate of SOA formation in the model is more consistent with observations. The results of this study also indicate that the primary SVOCs and IVOCs are responsible for a majority (70 – 86 %) of the model SOA mass, emphasizing their high contribution as SOA precursors. However, the SOA mass predicted is underestimated at shorter photochemical ages when compared to field measurements, but at longer ages, model/measurement agreement is observed. This bias may be due to low IVOC/CO emissions ratios or low estimated IVOC oxidation rate constants, which highlights the need for further field and laboratory studies of these compounds.

Tesi sul tema "Aérosols organiques secondaires – Toxicologie"

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