Physico-Chimie de l'Atmosphère

Responsable : Coralie SCHOEMAECKER
Co-responsable : Denis PETITPREZ

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-Lille : Germain Sébastien (T), Gosselin Sylvie (A.I.)
Post-doctorants et ATER : Isabelle Weber (Climibio)
Doctorants : Florent Kravtchenko (2019*), Eliane Assy (2020*), Lise Deschutter (2021*), Mohamed Assali (2021*), Mona Hamzé (2021*), Mirna Shamas (2022*)

(* 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

Etude de la réactivité d'espèces radicalaires de type peroxyles d'intérêt atmosphérique

Dans l’atmosphère, les polluants organiques, tels que les Composés Organiques Volatils (COV) issus de sources biogéniques et anthropogéniques, sont oxydés par photochimie pour former les radicaux peroxyles HO2 et RO2, qui jouent un rôle prépondérant dans la chimie troposphérique. La réactivité de ces radicaux contrôle la capacité oxydante de l’atmosphère et la formation d’ozone troposphérique et de polluants secondaires. Cependant la réactivité des radicaux RO2 et HOx (OH et HO2) est encore mal comprise et controversée dans la littérature, particulièrement en atmosphère propre contenant des concentrations faibles en oxydes d’azote NOx (forêts tropicales, couche limite marine). Les incertitudes ou le manque de données sur les constantes de vitesse et les rapports de branchement des réactions entre les radicaux RO2, OH et HO2 peuvent conduire à d’importantes erreurs sur la modélisation des concentrations en ozone et en radicaux dans l’atmosphère.

Ainsi, de nouvelles mesures expérimentales, avec une caractérisation plus détaillée à la fois des radicaux et des produits de réaction sont indispensables pour une meilleure compréhension des mécanismes chimiques de l’atmosphère.

L’objectif de ce projet est l’étude des réactions RO2+HOx dans un dispositif expérimental récemment développé et validé au PC2A, il comprend un réacteur à écoulement rapide couplé à trois techniques expérimentales complémentaires : la cw-CRDS (continuous-wave Cavity Ring Down Spectroscopy) pour la mesure du radical HO2, la Fluorescence Induite par Laser (FIL) pour la mesure du radical OH et la Spectrométrie de Masse avec prélèvement par Faisceau Moléculaire (FM/SM) pour la mesure des espèces stables et réactives.

L’étude des réactions RO2+HOx débutera par les radicaux RO2 les plus simples (R= CH3, C2H5, C3H7, etc) pour comparaison avec les résultats de la littérature puis nous poursuivrons avec des systèmes plus complexes, notamment les radicaux peroxyles issus de l’isoprène, COV biogénique le plus émis dans l’atmosphère.

Doctorante : Mirna Shamas

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

Mots clés : Chimie atmosphérique, réactivité, radicaux peroxyles, techniques laser, spectrométrie de masse          

Responsables et coordonnées :

Laure PILLIER                     laure.pillier@univ-lille.fr                     Tel 0320336466

Christa FITTSCHEN             christa.fittschen@univ-lille.fr            Tel 0320337266

Financement :  50% labex CaPPA / 50% ED SMRE ULille

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.

 

Effets de la pollution atmosphérique sur le pollen allergisant – Comparaison entre l’exposition réelle des habitants de la région Hauts-de-France et les études de laboratoire

 

Doctorant : Mona Hamzé

Financement : ADEME/région Hauts-de-France

Date prévue de fin : 2021

Direction de la thèse : Nicolas Visez, Marie Choël et Yeny Tobon

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

Mots clés : Bioaérosols, pollens, pollution atmosphérique, allergie

Résumé :

La littérature sur la pollution du pollen est abondante (Sénéchal et al., 2015)* et il est désormais acquis que les grains de pollen sont modifiés par la pollution atmosphérique. L’importance du rôle de la pollution atmosphérique sur l’allergie n’est pourtant toujours pas clairement définie ; il est en effet délicat de faire le lien entre les études de laboratoire fondamentales sur la pollution artificielle du grain et les études de terrain prélevant les pollens en atmosphère réelle.

L’objectif principal de ce travail de thèse est d’analyser finement l’état de pollution de pollens allergisants respirés par les habitants de la région Hauts-de-France.

Ce travail s’articulera en deux volets. Dans le premier volet, du pollen sera exposé en laboratoire aux deux polluants gazeux principalement observés en atmosphère urbaine : NO2 et O3 à différentes humidités relatives. Ce pollen artificiellement exposé sera analysé avec détails en multipliant les approches expérimentales : microscopie et cryomicroscopie électronique à balayage couplée à la spectrométrie d’émission de rayons X (MEB/EDX), techniques spectroscopiques vibrationnelles (Raman et infrarouge), microscopie à force atomique et chromatographie liquide et gazeuse. L’effet du gaz polluant et de l’humidité sur le pollen à l’échelle du grain individuel sera étudié in-situ par techniques de microspectrométrie Raman et infrarouge couplées à des cellules environnementales (LinkamTM et lévitation acoustique). L’influence des polluants sur la rupture du grain de pollen par exposition à l’humidité sera aussi considérée. Ces analyses doivent permettre de déterminer des indicateurs de la pollution à l’ozone et au dioxyde d’azote à l’échelle du  grain de pollen.

Dans le second volet, des collecteurs de pollen seront portés par quelques volontaires. Les pollens ainsi collectés pendant les périodes de pollinisation seront analysés selon les mêmes techniques que le premier volet pour rechercher les indicateurs de la pollution qui auront été mis en évidence. Cette comparaison nous permettra de déterminer l’état de pollution du pollen respiré en conditions réelles, ce qui d’après notre connaissance de la littérature n’a jamais été étudié avec notre protocole original.

Cette étude sera focalisée sur deux des pollens parmi les plus problématiques pour les habitants de notre région Hauts-de-France : le bouleau, l’un des arbres dont le pollen est le plus allergisant et la phléole des prés, une graminée également avérée comme extrêmement allergisante. Ce travail sera effectué en partenariat avec l’Association de Prévention de la Pollution Atmosphérique APPA qui est un acteur reconnu dans notre région sur la prévention des allergies et la surveillance des concentrations en pollens.

*(Sénéchal et al. 2015, doi.org/10.1155/2015/940243)

 

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

Laboratory experiments and field deployment for the understanding of the gas phase chemical oxidation processes in the atmosphere

Financement : CPER Climibio

Post-doctorante : Isabelle Weber

This post-doctoral position is in the frame of the CPER CLIMIBIO project and focuses on the understanding of the gas phase chemical oxidation processes taking place in the atmosphere through a twofold approach: experiments in laboratory to study kinetics of reactions involving the radicals OH, HO2 and RO2 and field deployment to quantify these radicals as well as the OH reactivity in the atmosphere. The laboratory experiments are carried out with a FAGE instrument developed in our laboratory coupled to a photolysis cell. The instrument improvements necessary to be able to measure simultaneously OH, HO2 and RO2 concentration and OH reactivity will be done in order to deploy the instrument  during a field campaign in a rural environment in July 2019.

Évaluation des effets de pollens pollués sur l'appareil respiratoire humain.

Financement : Climibio

Post-doctorante : Jinane Farah

Expériences de laboratoire portant sur les effets de la pollution sur le grain de pollen allergisant. Mise au point de techniques permettant d’extraire, à partir de pollen, des composés lipidiques ayant des effets adjuvants sur la réaction allergique. Étude de la réponse de cellules épithéliales pulmonaires. Collaboration entre les laboratoires PC2A (U.Lille) et UCEIV (ULCO).