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Modélisation à l’échelle moléculaire des aérosols carbonés dans la Troposphère

Direction : S. Picaud, L. Martin-Gondre

Directeur de thèse : Sylvain Picaud

Co-directeur de thèse : Ludovic Martin-Gondre

Description du travail proposé

La question des effets des aérosols sur la physico-chimie de l’atmosphère, le climat et la santé est aujourd’hui centrale dans les recherches menées en sciences de l’environnement [1]. En effet, les aérosols peuvent diffuser et absorber le rayonnement solaire et celui émis par la Terre ; ils sont impliqués dans la formation des nuages et dans la précipitation des particules de glace ou d’eau qui les composent ; ils peuvent influencer l’abondance et la distribution des gaz traces dans l’atmosphère. Les particules composant les aérosols peuvent également servir de support pour la dispersion d’organismes biologiques, en particulier des agents pathogènes, et peuvent ainsi causer des problèmes respiratoires ou encore participer à la propagation d’épidémies [2].

Un aérosol est défini comme la suspension de particules liquides ou solides dans un gaz, avec un diamètre des particules de l’ordre de l0-9 à 10-4 m. Ces particules peuvent être minérales ou organiques, avoir une origine naturelle ou anthropique. Il peut s’agir de particules primaires, directement émises sous forme d’aérosol, ou secondaires, c’est-à-dire condensées in situ dans l’atmosphère. Toutefois, en sciences atmosphériques, le terme aérosol se restreint traditionnellement aux particules en suspension qui contiennent de la matière condensée autre que l’eau (sels marins, particules désertiques, particules d’origine volcanique, pollens, aérosols organiques, particules issues des phénomènes de combustion …).

Parmi toutes les questions posées dans la problématique aérosol, celle d’une meilleure caractérisation de leur composition chimique, de leur état de surface (liquide ou solide) ainsi que de leurs propriétés optiques est sans doute l’une des plus importantes. Dans ce cadre, les approches à l’échelle moléculaire peuvent sans aucun doute apporter des éléments complémentaires à ceux recueillis lors des études expérimentales en laboratoire. Le travail de thèse proposé s’inscrit donc dans l’objectif d’une meilleure caractérisation des propriétés des aérosols à l’échelle moléculaire, en se focalisant essentiellement sur les aérosols carbonés tels que ceux issus des phénomènes de combustion. Ces aérosols sont en particulier suspectés d’être des noyaux de condensation efficaces pour la formation des gouttelettes d’eau liquide ou de particules de glace dans la troposphère, ce qui conduit à la formation de nuages impactant fortement les conditions météorologiques. De plus, les propriétés optiques de ces particules, nues ou recouvertes d’eau et d’éventuels autres adsorbats, ont un impact direct sur le forçage radiatif de l’atmosphère ce qui contribue donc à aux modifications climatiques. Le premier axe du travail reposera donc sur une modélisation réaliste des aérosols et de leurs interactions avec les molécules environnantes en utilisant des simulations de type dynamique moléculaire et/ou Monte Carlo, classiques ou de type ab initio. Le deuxième axe visera à modéliser les propriétés optiques de ces aérosols, en se basant sur un code de calcul reposant sur une description atomique des particules et la méthode dite des dipôles distribués.

Ce sujet de thèse s’inscrit pleinement dans les axes de recherche du nouveau GDR SUIE crée par le CNRS début 2014 dont le projet a été porté par UTINAM et FEMTO-ST.

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[1B.J. Finlayson-Pitts, J.N. Pitts, Chemistry of the Upper and Lower Atmosphere, Academic Press, San Diego, 2000.