Physico-Chimie de l'Atmosphère

Responsable : Denis PETITPREZ
Co-responsable : Christa FITTSCHEN

Les activités scientifiques de l’Equipe de Recherche "Physicochimie de l’Atmosphère" portent sur l’étude des processus gouvernant la formation et l’évolution des espèces chimiques en phases gazeuse et particulaire dans la troposphère. Ces études ont pour but de mieux comprendre et de quantifier les impacts de ces mécanismes en lien avec les problématiques environnementales que sont les effets sanitaires de la pollution et le réchauffement climatique global liés aux activités anthropiques. Forte de son expérience acquise en chimie atmosphérique et en métrologie, l’équipe a élargi son domaine de compétence plus récemment à l'étude de qualité de l’air intérieur.

Les personnels de l’équipe développent principalement :

  • des techniques de laboratoire permettant d’étudier les mécanismes fondamentaux de réactivité en phases homogène et hétérogène.
  • des équipements de métrologie afin de détecter des espèces très minoritaires et/ou très réactives. Fortement ancrée sur les applications atmosphériques de ses travaux, l’équipe est à l’initiative ou participe à des campagnes de mesures sur terrain. Les résultats issus de ses recherches permettent de caractériser finement et de modéliser les transformations chimiques au sein des atmosphères extérieures et intérieures.

L’Equipe de Recherche "Physicochimie de l’Atmosphère" comprend deux axes de recherche :

Axe 1 : Réactivité atmosphérique homogène et hétérogène
Axe 2 : Qualité de l’air, de la métrologie à la modélisation

Les personnels

Chercheurs CNRS : Fittschen Christa (DR), Hanoune Benjamin (CR, HDR), Pillier Laure (CR, HDR), Schoemaecker Coralie (CR)
Enseignants-chercheurs Lille1 : Fèvre-Nollet Valérie (MCF, HDR), Lebègue Patrick (MCF), Petitprez Denis (PR), Visez Nicolas (MCF, HDR)
Personnels ITA-CNRS et IATOS-Lille1 : Germain Sébastien (T), Gosselin Sylvie (A.I.), Hecquet Christophe (IR)
Post-doctorants et ATER : Assaf Emmanuel (Post-doc Climibio)
Doctorants : Wu Junteng (CaPPA 2018*), Jinane FARAH (co-tutelle Liban, 2018*), Mohamad Al Ajami (2018*), Florent Kravtchenko (2019*), Lise Deschutter (2021*), Mohamed Assali (2021*)

(* soutenance prévue)

DR : Directrice de Recherche CNRS ; CR : Chargé.e de Recherche CNRS ; PR : Professeur des Universités ; PREm : Professeur des Universités Emérite ; MCF : Maître de Conférences ; HDR : Habilité.e à Diriger des Recherches ; IR : Ingénieur de Recherche ; IE : Ingénieur d'Etude ; AI : Assistante-Ingénieur ; T : Technicien.ne

Principaux Equipements et Savoir-faire

  • Réacteur à écoulement, cellule de photolyse, génération et métrologie des gaz et des aérosols.
  • FAGE, PTR-MS, GC-MS, SMPS, APS, FIL, cw-CRDS, spectromètre de masse, analyseurs de gaz (ozone, oxydes d'azote, formaldéhyde et acide nitreux), capteurs miniatures.

Contrats et collaboration en cours

Participation aux actions de vulgarisation scientifique

  • Fête de la science
  • Accueil de stagiaires de collèges et lycées
  • Stand "Qualité de l'air" à l'Xperium.

Liste des thèses en cours

Physico-chimie des aérosols et propriétés optiques : mesures expérimentales dans le domaine IR et inversion des données satellitaires

A ce jour, de nombreux instruments de sondage à distance de l’atmosphère permettent de détecter et de quantifier des espèces gazeuses atmosphériques clés à partir de spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) embarqués sous ballon, avions ou plateformes satellites. Or ces spectres infrarouges à haute résolution spectrale contiennent aussi des signatures imputables aux aérosols atmosphériques. Bien qu’encore très peu exploités, il est possible d’inverser ces spectres IR pour identifier la nature chimique des particules d’aérosols et leur granulométrie. Ceci s’explique d’une part, par la complexité du traitement du transfert radiatif dans ce cas (absorption + diffusion + émission thermique + émission solaire…) et d’autre part, par le manque de propriétés optiques de références obtenues en laboratoire. C’est pourquoi les laboratoires PC2A et LOA ont développé une méthodologie originale permettant de dériver les indices de réfraction de particules à partir de spectres d’extinction enregistrés dans la gamme spectrale infrarouge et UV-vis compatibles avec celles des instruments satellitaires, tels que IASI ou GOSAT, facilitant ainsi l’intégration directe des mesures de laboratoire dans les modèles d’inversion. Ces expériences alimenteront les bases de données encore peu renseignées dans le domaine infrarouge. Nous proposons de poursuivre ce projet en élargissant la nature des aérosols étudiés : particules liquides, particules mixtes, particules solides recouvertes d’organiques. Enfin une partie de l’étude plus exploratoire portera sur le lien entre vieillissement atmosphérique des particules et évolution de leurs propriétés optiques.

mots clés : Métrologie des aérosols  -  Réactivité hétérogène - Propriétés optiques – Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier et UV-vis – Sondage atmosphérique

Programmes de recherche en lien avec le sujet : LaBEX CaPPA

Financement : 50% Lille1, 25% Labex CaPPA(PC2A), 25% labex CaPPA (LOA)

Doctorant : Alexandre Deguine

Direction de la thèse : Denis Petitprez (PC2A), Hervé Herbin (LOA)

Modifications physico-chimiques du pollen par la pollution atmosphérique

mots clés : Pollen, Lipides, Allergie

La pollution atmosphérique transforme le pollen : sa composition chimique est modifiée, sa structure physique est altérée, ses fonctions biologiques de reproduction sont diminuées et surtout, les pollens allergisants le sont généralement plus lorsqu’ils sont pollués.

Malgré une littérature abondante sur le sujet, les modifications chimiques induites par la pollution sur le pollen ne sont pas connues en détail. Certains effets de la pollution sur le pollen sont encore incertains et la dose de polluants affectant le pollen n’est pas connue.

Dans ce travail, nous proposons de travailler sur l'effet de la pollution atmosphérique sur les lipides du pollen.

Programmes de recherche en lien avec le sujet : Climibio, Labex CaPPA

Financement : 50% Lille1, 50% Univ. Tripoli

Doctorant : Jinane Farah

Direction de la thèse : Denis Petitprez, Moomem Baroudi (Univ. Tripoli, Liban), Nicolas Visez

Investigation of the atmospheric reactivity through experimental measurement of the oxidizing capacity of the atmosphere

mots clés :

Programmes de recherche en lien avec le sujet :

Financement : 

Doctorant : Mohamad Al Ajami

Direction de la thèse :

Reactivity of peroxy radicals studied using a fast flow reactor coupled to LIF, cw-CRDS and mass spectroscopy

mots clés :

Programmes de recherche en lien avec le sujet :

Financement : 

Doctorant : Florent Kravtchenko

Direction de la thèse : Laure Pillier

Etude de la qualité de l'air intérieur grâce à des mesures par systèmes multicapteurs

Doctorante : Eliane Assy

Financement: 50% U. Lille et 50% Rincent Air

date prévue de fin: 2020

Direction de la thèse : Benjamin Hanoune

mots-clés: air intérieur, pollution, capteurs

résumé : 

L’objet de ce travail de thèse est de comprendre les phénomènes régissant la qualité de l’air à l’intérieur des bâtiments, en particulier les bâtiments récents à basse consommation. En effet, pour respecter les normes énergétiques actuelles, les bâtiments nouvellement construits sont d’une part de plus en plus étanches à l’air, et d’autre part ventilés avec un système de renouvellement d’air canalisé et programmable, et non plus diffus et naturel. De plus, ils sont construits avec des nouveaux matériaux et de nouvelles techniques, dont l’impact sur la qualité de l’air est encore méconnu. Il est donc nécessaire de réaliser des études documentant ces nouvelles constructions.

Classiquement, les études en air intérieur se font grâce à des moyens de prélèvements des polluants, qui fournissent, après analyse différée en laboratoire, une  réponse intégrée sur la période du prélèvement. Nous proposons dans ce travail d’utiliser des microcapteurs de polluants, qui sont des outils technologiques récents, miniatures, performants, autonomes, et à bas coût, ce qui permet d’équiper simultanément plusieurs lieux. Leur temps de réponse rapide permet de vérifier l’effet de la ventilation sur la réduction des polluants émis par des sources intérieures et également de relier des épisodes de pollution (intérieure ou venant de l’extérieur) à un évènement. Il existe de tels capteurs sélectifs vis-à-vis de certains polluants, d’autres qui donnent une réponse à des familles de polluants, fournissant plutôt une signature du type de pollution. Ces deux types de capteurs sont déjà opérationnels au PC2A, grâce à des collaborations avec l’INRIA et Mines-Douai.

Ces capteurs seront utilisés pour équiper des bâtiments existants, anciens, rénovés, ou en construction, sur le campus Lille 1 principalement. Des mesures complémentaires avec des instruments « classiques » (analyseurs online, compteurs de particules, techniques chromatographiques, PTR-MS…) seront également réalisées. La qualité de l’air à l’intérieur de ces bâtiments sera analysée en conjonction avec la ventilation et la performance énergétique du bâtiment. Les protocoles d’analyse des données issues des capteurs et leur automatisation devront être développés lors de cette thèse.

Ces mesures serviront à valider et exploiter un indice de qualité de l’air intérieur.

 

Études cinétiques des réactions d’intérêt atmosphériques par détection simultanée des radicaux OH et RO2 couplé à la photolyse laser

 

Doctorant : Mohamed ASSALI

Financement :

Date prévue de fin : 2021

Direction de la thèse : Christa Fittschen, Coralie Schoemaecker

Programme de recherche en lien avec le sujet : LaBEX CaPPA, ClimiBio

Mots clés : Réactivité homogène – Chimie radicalaire – Photolyse laser – Spectroscopie

Résumé :

Les radicaux OH ainsi que des radicaux peroxyles (HO2 et RO2) sont des espèces clés dans les mécanismes réactionnels en chimie de l’atmosphère mais également en combustion, deux domaines de recherches développés au laboratoire PC2A.  Dans ce cadre, nous avons mis en place un dispositif expérimental résolu dans le temps pour la mesure de ces radicaux afin d’étudier les cinétiques de réactions élémentaires. Il s’agit d’une cellule de photolyse laser, qui initie la réaction par photolyse pulsée d’un précurseur approprié (p.e. H2O2 pour faire le radical OH), couplée à deux techniques de détection :

 
le radical OH est détecté par la technique FIL (Fluorescence Induite par Laser) à haute cadence (10 kHz) : cette technique permet de suivre l’évolution de la concentration des radicaux OH après l’impulsion du laser de photolyse avec une résolution temporelle de 100 µs.
les radicaux peroxyles RO2 sont détectés par le technique cw-CRDS (continous wave Cavity Ring Down Spectroscopy) : cette technique est une technique d’absorption très sensible, basée sur la mesure du taux de déclin d’une impulsion lumineuse, piégée dans une cavité optique.        
 

Le couplage simultané de ces deux techniques avec une initiation de réaction par impulsion laser est unique au monde et très puissante. Elle a mené dans les derniers 5 ans à 19 publications dans des journaux de rang A. Dans le cadre de cette thèse ce dispositif sera utilisé pour l’étude de différents systèmes d’intérêt atmosphérique ou en combustion, par exemple :

 
la dégradation de l’isoprène, un composé organique volatile (COV) émis en grande quantité par la végétation, est un sujet de haute actualité : la mesure directe et simultanée de OH et RO2 peut apporter des informations importantes pour mieux comprendre son oxydation.
 les réactions entre le radical HO2 et d’autre radicaux peroxyle RO2, importantes aussi bien en atmosphère qu’en combustion basse température. La mesure simultanée de OH et RO2 / HO2 permet de déterminer le rapport de branchement entre ces deux voies.

Dans le cadre de cette thèse nous prévoyons d’installer un deuxième laser à photolyse afin de mieux maîtriser la génération de différents radicaux.

 

Physico-chimie des aérosols et propriétés optiques: mesures de laboratoire et applications à la télédétection

 

Doctorante : Lise DESCHUTTER

Date prévue de fin de thèse : 2021

Financement :

Programmes de recherche en lien avec le sujet : Climibio, Labex CaPPA

Mots clés : aérosols, indices complexes de réfraction, spectromètres IRTF et UV-vis, télédétection

Direction de la thèse : Denis Petitprez, Hervé Herbin (LOA)

Actuellement, de nombreux instruments de sondage à distance de l’atmosphère permettent de détecter les aérosols que ce soit avec une instrumentation au sol ou embarquée. Il est notamment possible, à partir de spectromètre InfraRouge à Transformée de Fourier (IRTF), de quantifier la nature, la granulométrie et la concentration des particules atmosphériques liquides et solides. Or, bien que des études de faisabilité aient démontré le potentiel des spectres infrarouge à haute résolution spectrale, ces derniers sont encore très peu exploités et leur utilisation reste confinée aux analyses d’espèces gazeuses. Ceci s’explique d’une part, par la complexité du traitement du transfert radiatif et d’autre part, par la méconnaissance des propriétés optiques des aérosols. Ces propriétés sont décrites par l’indice complexe de réfraction qui, outre une forte variabilité spectrale, dépendent fortement de la composition chimique des aérosols, de leur concentration en nombre, de leur taille et de leur morphologie. Ceci explique pourquoi l’incertitude liée à la détermination de ces indices représente l’une des principales limites dans la détection et la caractérisation des aérosols par sondage atmosphérique.

Soutenu par le Labex CaPPA et grâce à une collaboration fructueuse entre le LOA et le PC2A, nous avons mis au point une méthodologie novatrice pour restituer les indices complexes de réfraction à partir de mesures de laboratoire réalisées avec des particules en suspension. Cette méthode a été validée pour des particules modèles de silice1,2 dans le cadre de la thèse de Patrice Hubert (soutenue en novembre 2016). Elle a actuellement mise en œuvre avec succès pour des échantillons réels de cendres volcaniques (thèse Alexandre Deguine, soutenance prévue en sept 2018).

Dans le cadre du CPER Climibio, nous avons acquis un spectromètre IRTF de dernière génération ainsi qu’un nouveau granulomètre et nous proposons donc de mettre à profit notre  méthodologie, afin d’établir un lien entre propriétés optiques d’aérosols réels et composition chimique, taille et morphologie des particules. Cette étude sera appliquée à des échantillons prélevés sur les pentes de volcans islandais, péruviens et italiens (collaborations avec l’université libre de Bruxelles et le Finnish Meteorological Institute of Finland). Nous envisageons aussi d’appliquer notre approche pour particules désertiques (collaboration avec le LOG). Enfin un autre volet plus prospectif portera sur des particules liquides ou des particules solides recouvertes d’organiques, système complexe mais représentif du processus de vieillissement subi par les particules atmosphériques.

Ce processus complet et original au niveau mondial, mêlant études de laboratoire et méthode numérique d’inversion, permet d’obtenir un jeu complet et robuste d’indices complexes de réfraction, dans une gamme spectrale très vaste (de l’IR lointain à l’UV). Ces bases de données sont cruciales pour la communauté, puisque les indices sont les paramètres clés utilisés dans les méthodes d’inversion des observations issues de sondage optiques de l’atmosphère pour identifier et quantifier les particules d’aérosols.

1Herbin, H.; Pujol, O.; Hubert, P.; Petitprez, D., New approach for the determination of aerosol refractive indices - Part I: Theoretical bases and numerical methodology, Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, Volume 200, p. 311-319, 2017.

2Hubert, P.; Herbin, H.; Visez, N.; Pujol, O.; Petitprez, D., New approach for the determination of aerosol refractive indices - Part II: Experimental set-up and application to amorphous silica particles,  Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, Volume 200, p. 320-327, 2017.

 

 

Liste des post Docs en cours

Etude de la chimie des radicaux peroxyles

mots clés : Cinétique chimique, chimie radicalaires, radicaux peroxyles

Programmes de recherche en lien avec le sujet : Climibio, CaPPA

Financement : Climibio

Post-doctorant : Emmanuel Assaf

Résumé : Les radicaux peroxyles sont des espèces clefs dans l'oxydation des hydrocarbures aussi bien en condition de combustion qu'en chimie atmosphérique. Leur chimie en atmosphère de basse concentration de NOx est peu connue. Dans le cadre de ce stage postdoctorales, les réactions de quelques radicaux peroxyles seront étudiées à l'aide de la photolyse laser couplé à une détection de différents radicaux par cw-Cavity Ring Down Spectroscopy (cw-CRDS) et Fluorescence Induite par Laser (FIL).