L’ammoniac (NH₃) est un polluant atmosphérique émis majoritairement par les activités agricoles, qui représentent plus de 90 % des émissions mondiales de ce composé. Cette molécule joue un rôle clé dans le cycle de l’azote et a des impacts majeurs sur l’environnement. C’est également un précurseur de particules fines (PM2.5), contribuant à la dégradation de la qualité de l’air, affectant la santé humaine et influençant le climat. La température contrôle directement la dynamique atmosphérique du NH3 : la température de surface influence sa volatilisation depuis les sols, tandis que la température de l’air conditionne, en partie, sa transformation en PM2.5.

Malgré les réglementations internationales visant à réduire les émissions d’ammoniac via le Protocole de Göteborg (1999), ce n’est qu’en octobre 2024 que l’Europe a imposé la surveillance des concentrations de ce polluant. Cependant, les mesures au sol sont difficiles à réaliser, ce qui induit un manque d’observations continues de NH₃. Depuis 15 ans, les travaux antérieurs ont montré qu’il est possible de cartographier les concentrations de NH₃ depuis l’espace avec les satellites IASI/Metop (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer), mais ces observations depuis l’orbite polaire sont limitées en nombre (2 par jour), ce qui ne permet pas de caractériser la variabilité diurne.

L’ammoniac reste aussi l’un des composés les plus difficiles à modéliser en raison des fortes incertitudes sur les inventaires d’émissions, la difficulté à représenter les processus physico-chimiques impliquant la température atmosphérique, comme la volatilisation et la conversion en aérosols secondaires.
Dans ce contexte, ma thèse vise à améliorer l’observation et la compréhension des variabilités des concentrations de NH3 à différentes échelles spatiales et temporelles. Elle s’appuie sur trois approches complémentaires :

• L’utilisation des mesures au sol et la mise en place d’un consortium de recherche (AMICA) afin de tenter de constituer les prémices du futur réseau de mesures de NH₃ en France. Pour cela, les mesures du mini-DOAS, installé sur la plateforme QUALAIR, ont permis de mettre en avant l’impact des sources agricoles et celles liées au trafic routier sur les variabilités des concentrations de NH₃ à Paris. Ces mesures ont également permis de valider celles de l’instrument satellitaire IASI. Cet instrument à chemin ouvert a aussi constitué une référence pour l’évaluation des performances d’autres analyseurs lors de la campagne 2021.
• L’exploitation d’un instrument satellitaire existant en orbite géostationnaire (GIIRS-B, Chine) pour caractériser la variabilité diurne du NH₃ et son lien avec la température de surface au-dessus de l’Asie. Ces observations, d’abord validées avec celles de IASI, ont permis d’étudier la relation étroite entre NH₃ et température de surface au-dessus de 5 régions d’étude en Asie. Ce travail a posé les jalons d’une caractérisation des types de sources du NH₃ à l’échelle régionale. Enfin, les mesures de GIIRS-B ont permis d’évaluer pour la première fois, depuis l’espace, la variabilité diurne du NH3 au-dessus de l’Asie de l’Est.
• La préparation des futures observations de NH₃ issues de la mission européenne IRS, en orbite géostationnaire. Des simulations réalistes ont été développées pour évaluer ses performances et les incertitudes associées aux mesures de NH₃. Les résultats indiquent que, malgré des incertitudes supérieures à celles de IASI, IRS offrira une résolution spatio-temporelle accrue, qui devrait permettre d’étudier la variabilité diurne du NH₃ au-dessus de l’Europe.

Ce travail s’inscrit dans les enjeux sociétaux actuels et pose les bases d’un futur réseau d’observation intégré. Il apporte une contribution significative à l’étude de la variabilité du NH₃ atmosphérique.

Abstract

Ammonia (NH₃) is an atmospheric pollutant mainly emitted by agricultural activities, which accounts for more than 90% of global emissions for this species. This molecule plays a key role in the nitrogen cycle and has major impacts on the environment. It is also a precursor of fine particulate matter (PM2.5), contributing to air quality degradation, affecting human health, and influencing climate. Temperature directly controls the atmospheric dynamics of NH3: surface temperature drives its volatilization from soils, while air temperature partly determines its transformation into PM2.5.

Despite international regulations aiming to reduce ammonia emissions under the Gothenburg Protocol (1999), it was only from October 2024 that Europe imposed monitoring of concentrations of this pollutant. Ground-based measurements remain challenging, leading to a lack of continuous observations of NH₃. For the past 15 years, it has been possible to map NH₃ concentrations from space using IASI/Metop: Infrared Atmospheric Sounding Interferometer), but these observations from the polar orbit are limited in number (two per day), which does not allow to study its diurnal variability.

Ammonia remains one of the most difficult compounds to model due to large uncertainties in emissions inventories and the difficulty in representing temperature-dependent physico-chemical processes such as volatilization and secondary aerosol formation.
In this context, my PhD aims to improve the observation and understanding of NH₃ concentration variability at different spatial and temporal scales. It is based on three complementary approaches:

• The use of ground-based measurements and the establishment of a research consortium (AMICA) to initiate a future French NH₃ monitoring network. The mini-DOAS instrument, deployed on the QUALAIR platform, highlighted the respective influence of agricultural and traffic sources on NH₃ variability in Paris. These measurements also validated those taken by the IASI satellite instrument. This open-path instrument also served as a reference for evaluating the performance of other analyzers during the 2021 campaign.
• The exploitation of a geostationary satellite instrument (GIIRS-B, China) to characterize the diurnal variability of NH₃ and its relationship with surface temperature over Asia. After validation with IASI, GIIRS-B data were used to investigate the link between NH₃ and surface temperature across five study regions in Asia. Finally, GIIRS-B measurements made it possible to assess, for the first time from space, the diurnal variability of NH3 over East Asia.
• The preparation of future NH₃ observations from the European IRS mission in geostationary orbit. Realistic simulations have been developed to assess its performance and associated uncertainties with NH₃ measurements. Results indicate that, despite higher uncertainties than IASI, IRS should improve the spatio-temporal resolution, enabling the study of NH₃ diurnal variability over Europe.

This work addresses current societal challenges and lays the foundations for a future integrated observation network. It provides a significant contribution to the study of atmospheric NH₃ variability.

Lieu
Jussieu – amphithéâtre Durand, bâtiment Esclangon
4 place Jussieu, 75005 Paris

Informations zoom
https://cnrs.zoom.us/j/98421317258?pwd=y5gzwHhwhnJoyCCXVUug3fv9CiKByb.1
Sujet: thèse Nadir Guendouz
Heure: 19 déc. 2025 02:00 PM Paris
ID de réunion: 984 2131 7258
Code secret: es5CzB

• Jean Christophe Raut Président du jury
• Mme Sophie Génermont Rapportrice
• M. Lilian Joly Rapporteur
• Mme Gaëlle Dufour Examinatrice
• M. Martin Van Damme Examinateur
• M. Pascal Prunet Examinateur
• Mme Carole Deniel Membre Invité