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THÈSE DE DOCTORAT DE L’ÉCOLE POLYTECHNIQUE presentée pour obtenir le grade de D

THÈSE DE DOCTORAT DE L’ÉCOLE POLYTECHNIQUE presentée pour obtenir le grade de Docteur en Sciences Spécialité : Physique et Chimie de l’Atmosphère par Alma HODZIC MODÉLISATION DES AÉROSOLS DE POLLUTION EN ILE-DE-FRANCE Soutenue le 6 Octobre 2005 devant le Jury composé de Hervé LE TREUT Président du jury Robert VAUTARD Directeur de thèse Gilles BERGAMETTI Rapporteur Robert ROSSET Rapporteur Olivier BOUCHER Examinateur Sasha MADRONICH Examinateur Christian ELICHEGARAY Invité Philippe LAMELOISE Invité Thèse préparée à l’Institut Pierre-Simon Laplace (Laboratoire de Météorologie Dynamique, École Polytechnique), ﬁnancée par l’Agence De l’Environnement et de Maîtrise de l’Énergie et AIRPARIF pastel-00001535, version 1 - 27 Jul 2010 pastel-00001535, version 1 - 27 Jul 2010 Ces trois années de thèse se sont déroulées au sein du Laboratoire de Météorologie Dynamique à l’Ecole Polytech- nique, où j’ai été chaleureusement accueillie dès les premiers jours. Cette période a été source de riches expériences professionnelles et humaines et de forts apports scientiﬁques. Mes remerciements s’adressent en premier lieu à mon directeur de thèse Robert Vautard, qui a su me faire partager son enthousiasme et sa passion pour la recherche. J’ai particulièrement apprécié ses conseils scientiﬁques, ainsi que la conﬁance et la grande liberté qu’il m’a accordées tout au long de ce travail. Mes remerciements s’adressent également aux membres du Jury et ses invités. Je remercie tout particulièrement Robert Rosset et Gilles Bergametti d’avoir accepté de rapporter cette thèse. Je remercie Sasha Madronich et Olivier Boucher pour l’intérêt qu’ils ont porté à ce travail. Je remercie Hervé Le Treut pour m’avoir fait l’honneur de présider le jury. Enﬁn, je tiens à remercier l’ADEME et AIRPARIF pour avoir permis la réalisation de ce travail en le ﬁnançant. Mes remerciements s’adressent plus particulièrement à Philippe Lameloise et à Christian Elichegaray pour avoir participé au jury, et à Nathalie Poisson pour son accompagnement au cours de la thèse. Je remercie également toute l’équipe CHIMERE pour la disponibilité de chacun et leurs conseils scientiﬁques, mais aussi pour leur bonne humeur et leur gentillesse qui ont rendu ma thèse encore plus agréable et enrichissante. Un merci tout particulier à Bertrand Bessagnet qui m’a fait découvrir le monde merveilleux des aérosols et est resté le témoin de l’avancement de cette thèse tout au long de ces années. Un grand merci également à Laurent Menut qui a partagé mon bureau pendant ces derniers mois de thèse et qui m’a beaucoup apporté par ses encouragements et son soutien et m’a permis de prendre plus de recul. Je remercie les autres membres de l’équipe : Matthias Beekmann, Cécile Honoré, Nadège Léonard, Mohamed Maidi, Jean-Louis Monge, Isabelle Pison, Laurence Rouïl et Jean Roux. Je tiens aussi à remercier tous ceux qui, par leur aide technique et scientiﬁque, ont contribué à la réalisation de ce projet. Merci tout particulièrement à Hélène Chepfer, qui malgré son éloignement géographique au Mexique a toujours été disponible et de bons conseils. Merci à Patrick Chazette et à Philippe Goloub pour les précieuses discussions et conseils qui m’ont donné une bonne vision du monde de la télédétection. Merci à Vincent-Henri Peuch pour l’intérêt porté à ce travail. Je remercie également AIRPARIF pour son active collaboration à ce travail par l’intermédiaire de Mireille Lattuati et Frédérique Moreto. Je tiens à remercier AERONET, le LOA et le CNES pour la mise à la disposition de leurs données Merci à Eliane Rier, Martine Roux, France-Lise Robin et Stéphane Sportouch pour leur aide précieuse lors des démarches administratives. Merci à Marie-Claire Lanceau pour son travail de recherche bibliographique et sa bonne humeur au quotidien. Bien sûr, un tel projet n’aurait pu être réalisable sans le support logistique et informatique apporté par Jean-Louis Monge, Christophe Boitel, Raymond Armante, Karim Ramage, Patrick Rabéranteau et Bernard Bonnet. J’aimerais dire un grand merci à tous ceux qui ont rendu l’ambiance si agréable au LMD, sur qui j’ai pu compter, qui m’ont encouragé quand j’en avais besoin : Nicolas Arnault, Sophie Bastin, Asma Ben Rehouma, Michel Capderou, Marjolaine Chiriaco, Olivier Chomette, Chantal Claud, Juan Cuesta, Abdulaye Deme, Michel Desbois, Philippe Dro- binski, Thomas Dubos, Fadoua Eddounia, Fabien Gibert, André Guilbaud, Martial Haeffelin, Albert Hertzog, Robert Kandel, Anne Mathieu, Yohan Morille, Flore Mounier, Eric Pequignot, Clémence Pierangelo, Christophe Piétras, Rémy Roca, Claudia Stubenrauch, André Szantai, François Vial, Taï-Feng Yang. Merci à Franck Chopin qui m’a accueilli dans son bureau pendant les travaux. Tout au long de ma thèse, j’ai pu m’appuyer sur le soutien sans faille et les encouragements sans limites de ma famille et de mes amis. Je remercie tout particulièrement mes chers parents et mon petit frère qui ont toujours été de très bons conseils et d’un optimisme à toute épreuve. Pour ﬁnir, un grand merci à mon chéri Grégory qui a partagé cette thèse au quotidien avec moi, et a su m’apporter l’équilibre nécessaire pour me faire oublier les moments difﬁciles. Quel courage ! pastel-00001535, version 1 - 27 Jul 2010 pastel-00001535, version 1 - 27 Jul 2010 Table des matières 1 Introduction générale 9 1.1 Problématiques de la pollution atmosphérique en milieu urbain . . . . . . . . . . 9 1.2 L’enjeu de l’étude des aérosols atmosphériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3 La réglementation et le dispositif de surveillance . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.4 État de la pollution particulaire en Ile-de-France . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.5 Vers la modélisation des aérosols de pollution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.6 Objectifs scientiﬁques de la thèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.7 Plan de la thèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2 Les aérosols atmosphériques 19 2.1 Propriétés physico-chimiques des aérosols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1.1 Origine des particules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1.2 Distribution en taille et mécanismes de formation . . . . . . . . . . . . . 21 2.1.3 Composition chimique des aérosols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.1.4 Les propriétés hygroscopiques des particules . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.1.5 Le cas particulier de l’aérosol urbain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2 Les propriétés optiques de l’aérosol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.2.1 Sections efﬁcaces et albédo de diffusion simple . . . . . . . . . . . . . . 29 2.2.2 Indice de réfraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.2.3 Coefﬁcient d’extinction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.2.4 Épaisseur optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2.5 Inﬂuence de l’humidité relative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.2.6 Inﬂuence du type de mélange considéré . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.3 Modélisation des aérosols : État de l’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.3.1 Paramétrisation de la composition chimique des particules . . . . . . . . 38 2.3.2 Paramétrisation de la distribution en taille des particules . . . . . . . . . 41 2.3.3 Performances des modèles actuels et principales sources d’incertitude . . 46 2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . uploads/Geographie/ hodzic-a-modelisation-des-aerosols-de-pollution-en-ile-de-france.pdf