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Terre Univers Environnement

Le carbone-suie dans l’atmosphère Européenne : identification, transfert, dépôts et impacts

Marco Zanatta, LGGE, Oct. 2012- Oct. 2015

par assistant com’ - 25 avril 2013 ( maj : 10 décembre 2014 )

Doctorant : Marco Zanatta, LGGE, Oct. 2012- Oct. 2015
Direction : Paolo Laj (Physicien CNAP, LGGE) ; Urs Baltensperger, Head of Laboratory for Atmospheric Chemistry
Financement : 50% LabEx, 50% Paul Scherrer Institute (Suisse)
Ecole Doctorale : Terre-Univers-Environnement

- Sujet de Thèse

Bilan intermédiaire
2ème année de thèse

Les aérosols atmosphériques jouent un rôle important à la fois sur des problématiques d’évolution climatique comme un des éléments de forçage sur le climat et sur celles liées à l’amélioration de la qualité de l’Air comme principal agent responsable des dépassements des seuils réglementaires dans les villes françaises et Européennes. La prise de conscience par les pouvoirs publics de l’intérêt d’associer les politiques de réduction des émissions pour la qualité de l’air aux politiques de réduction des émissions d’espèces agissant sur la climat a réorienté le débat scientifique sur les aérosols. Le cobénéfice d’un couplage Qualité de l’Air-Climat ne peut être entrepris que sur la base d’une connaissance approfondie des propriétés des particules atmosphériques. Ceci est particulièrement vrai pour la fraction absorbante de l’aérosol et notamment la carbone-suie puisque les bénéfices d’une réduction des émissions pour cette espèce sont potentiellement très forts. Le Carbone-suie (BC) est constitué de sous-produits carbonés hautement condensés (e.g. soot) et de résidus (e.g. charcoal) de combustion incomplète de fuel fossile et de végétaux ou encore en tant que sous-produit de procédés industriels comme la production de coke. Dans l’atmosphère, BC représente quelques pourcents des aérosols atmosphériques, plusieurs centaines de ng/m3 d’air en zone reculée de haute altitude (Cozic et al., 2008), voire plusieurs milliers de ng/m3 dans certaines villes.
La particularité du BC du point de vue climatique réside dans sa capacité d’absorption du rayonnement solaire, et donc de son forçage positif. Dans son dernier rapport l’IPCC estime ce forçage à +0.34 W/m2 à comparer avec le forçage par le CO2 de +1.66 W/m2. Cette
valeur n’inclue pas le forçage par le BC en mélange interne dans les particules qui pourrait augmenter l’absorption du BC jusqu’à 50%. Les facteurs affectant les propriétés chimiques et physiques de la suie dans l’environnement comprennent la composition du matériau étant brûlé, le procédé de combustion (oxygène-carbone ratio), et le mécanisme de transport à partir du site de leur formation. En tenant compte de ces hypothèses de mélange interne, Bond et al. (2010) estime +0.46 0.23 W/m2 le forçage par le BC auquel il convient d’ajouter +0.05 W/m2 provenant du forçage par le BC depose sur la neige. C’est donc globalement un forçage qui loin d’être négligeable, même en comparaison avec celui du CO2. Cette valeur moyenne éclipse de plus une très grande disparité des impacts, estimée à plusieurs dizaines de W/m2 dans certaines zones du globe.
Calculer l’impact d’une politique de réduction des émissions est donc encore très problématique tant au niveau global qu’au niveau national, c’est-à-dire celle de la prise de décision politique. Il ressort néanmoins que le potentiel bénéfice d’une réduction de BC est élevé et que son impact pourrait être rapide compte tenu du temps de vie limité des particules dans l’atmosphère. La prise de décision doit cependant s’accompagner de travaux permettant de mieux évaluer l’intensité des sources de BC dont les estimations varient d’un facteur 2, son cycle de vie atmosphérique (transport/dépôt, notamment par les précipitations) et des informations sur ses concentrations ou ses propriétés physico-chimique (état de mélange, taille, etc) qui manquent actuellement.

L’objectif de ce travail de thèse est de contribuer à mieux comprendre le cycle de vie du BC une fois émis dans l’atmosphère et de mieux évaluer son impact, notamment dans l’atmosphère Européenne et la cryosphère. Le travail contribuera en particulier aux 3 points suivants :

  • Quel est l’ordre de grandeur du forçage radiatif pour diverses régions Européennes
  • Quelle est l’efficacité de transfert du BC vers la phase liquide atmosphérique pour divers types de nuages ?
  • Quel est l’impact potentiel du BC une fois déposé sur le manteau neigeux ?

La spécificité de ce travail sera liée à une approche essentiellement expérimentale basée sur l’utilisation de la technique SP2, disponible dans les laboratoires proposants le cadre de cette thèse.

Plan et Déroulement du travail de thèse
Le travail proposé dans cette thèse est essentiellement expérimental et sera basé sur l’utilisation de la nouvelle technique SP2 pour la mesure des concentrations de BC dans l’atmosphère Européenne, l’étude sur le transfert de BC vers la phase liquide atmosphérique et l’étude de l’impact du BC sur le manteau neigeux.

    • Partie 1 : caractérisation des concentrations de BC dans l’atmosphère Européenne et estimation des impacts. Ce travail se déroulera principalement dans le cadre du projet Européen PEGASOS avec trois campagnes de mesures destinées à caractériser concentrations, spectres dimensionnel et état de mélange de l’aérosol dans l’atmosphère Européenne. Les mesures seront faites dans la vallée du Pô, une des zones les plus polluées d’Europe (campagne été 2012 et hiver 2013). Lors de chacune des campagnes, nous disposerons en séries de 2 instruments type SP2 et de 2 instruments type aethalomètres 7-ainsi que l’ensemble des variables aérosols nécessaires au calcul des impacts. Le livrable final de cette partie du projet sera de fournir les caractéristiques du BC mesurables par SP2, une intercomparaison avec les mesures 7-aethalomètre et une estimation de l’impact radiatif calculé à partir d’une méthode identique ou similaire à la méthode décrite dans Marcq et al. (2010).
    • Partie 2 : étude du transfert atmosphère/nuage du BC. Le travail sera fait ici en utilisant l’infrastructure des supersites Puy de Dôme et Junfraujoch en Suisse équipés en continu par des mesures de coefficient d’absorption et du spectre dimensionnel des particules et disposant d’une installation permettant l’échantillonnage simultanée en phase interstitielle du nuage et de la phase liquide soit directement (CVI au Jungfraujoch) soit indirectement (Whole air inlet au PDD). Les méthodes suivies seront similaires à celles décrites dans Sellegri et al. (2003) et Cozic et al., (2008). Le livrable sera alors une efficacité de capture du BC par les nuages mixtes, glacés et chaud en fonction de la taille des particules de BC ainsi
      qu’une étude du rôle du degré de mélange sur cette efficacité.
    • Partie 3 : Caractérisation des dépôts de BC sur le manteau neigeux et calcul des impacts. Ce travail se déroulera principalement dans le cadre de l’ANR CLIMSLIP et sur la base d’une campagne de mesure ayant eu lieu en Mars –Avril 2012 sur le supersite de Zeppelin (Svalbards) ayant permis de recueillir des données à la fois sur le BC atmosphérique et simultanément sur le BC dans le manteau neigeux. Ces informations permettront de valider le livrable de la partie 2 et d’évaluer l’impact du BC sur la fonte du manteau neigeux. Ces calculs se feront en utilisant le logiciel CROCUS disponible au laboratoire LGGE sous la responsabilité de Hans-Werner Jacobi.
      Le(a) candidat(e) effectuera sa thèse en étroite collaboration avec le groupe du Paul-Scherrer Institut en Suisse où il (elle) effectuera donc de longs séjours. Le LGGE et le PSI disposent chacun d’un appareil de mesure en-ligne du BC type SP2 et utilisent les mêmes procédures d’inversion des signaux développées par le PSI. Compte tenu de l’utilisation du SP2, nous croyons fortement que les résultats obtenus seront tout à fait originaux dans le contexte actuel et pourront remettre en question notre compréhension du cycle du BC et de ses impacts.

Le financement des travaux de thèse est apporté dans le cadre de projets FP7-EU PEGASOS et du projet ANR CLIMSLIP.


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