Atelier national sur les nuages polaires

24/06/2025 09:00

SIRTA / ICEO : Journée Scientifique 2025

24/06/2025 09:00

Evénement de clôture projet FAIR-EASE

12/06/2025 09:00

Mobiliser la biodiversité cultivée pour l’agro-écologie par des approches de recherche participative

12/01/2023 19:30

Cette présentation reviendra sur les recherches menées sur les manières de concilier biodiversité et agriculture, en mettant l’accent sur l’importance de la recherche participative, en relation avec les agriculteurs qui expérimentent et disposent de données biologiques, physiques et pratiques.

Webinaire ESPRI-IA Deep Learning : introduction aux mécanismes d'attention en géosciences

09/01/2023 15:00

Webinaire sur les mécanismes d’attention en Deep Learning qui présentent des améliorations importantes pour le traitement de phénomènes spatio-temporels. Attention mechanisms in Deep Learning that present important improvements for the processing of spatio-temporal phenomena.

Sobriété Collective et Scénarios de Prospective climatique

06/01/2023 14:00

Nouvelle séance du séminaire « Changement Climatique : Sciences, Sociétés, Politique » co-organisé par le Centre Alexandre-Koyré (EHESS-CNRS) et l’ENS (CERES).

Modélisation numérique multi-échelle de la qualité de l’air pour le milieu urbain

04/10/2024 13:30

La pollution atmosphérique représente un risque environnemental et sanitaire majeur, notamment en milieu urbain, où de nombreuses personnes vivent à proximité de sources de pollution telles que le trafic routier. La distribution spatiale du trafic et la morphologie spécifique des rues influencent fortement les niveaux de concentration locaux, avec des configurations où les polluants tels que les particules et le dioxyde d’azote (NO₂) peuvent s’accumuler en raison d’une dispersion limitée. Le temps de résidence atmosphérique de ces polluants rend également significative la contribution des sources plus éloignées. La concentration locale étant influencée à la fois par la pollution de fond et les sources locales, une modélisation à ces différentes échelles est nécessaire afin de comprendre au mieux les échanges complexes de pollution en milieu urbain. Les simulations numériques réalisées dans le cadre de cette thèse intègrent une modélisation météorologique avec le modèle WRF, l’estimation des concentrations régionales à l’aide du modèle de chimie-transport eulérien 3D CHIMERE, l’évaluation des concentrations locales par le biais du modèle de réseau de rue MUNICH, et enfin, la représentation de la formation des composés secondaires avec le module chimique SSH-aerosol couplé au schéma gazeux MELCHIOR2.

La mise en place de données précises d’occupation des sols s’est avérée cruciale dans les simulations météorologiques effectuées en milieu urbain. La distinction de plusieurs types de tissus urbains et une représentation affinée de la densité urbaine dans le domaine régional étudié permet une modulation appropriée des flux de chaleur anthropique. Une augmentation du flux de chaleur anthropique par un facteur 3 entraîne en moyenne une diminution de 19% des concentrations d’oxydes d’azote (NOx) dans les rues.

Deux méthodes capables d’estimer les concentrations à l’échelle locale ont été comparées : MUNICH et la méthode sous-maille intégrée à CHIMERE. Cette méthode consiste en une approche statistique capable de désagréger les émissions provenant de divers secteurs, notamment le trafic routier. Pour ce faire, des simulations ont été menées sur la période de février à mars 2014. Les polluants étudiés incluent les NOx, le NO2 et les particules fines. Les concentrations générées par la méthode statistique ne sont pas suffisamment précises sur les zones présentant une forte hétérogénéité urbaine. On note un biais de concentrations entre les deux approches pouvant atteindre 58% dans ces zones. MUNICH intègre mieux les hétérogénéités d’émissions et de morphologie dans ces contextes particuliers. La morphologie de la rue, information que connaît MUNICH contrairement à la méthode sous-maille, se révèle être un facteur moins influent que les émissions.

Afin d’approfondir la compréhension des échanges de flux de pollution entre les niveaux local et régional et d’affiner leur représentation, CHIMERE a été couplé de manière dynamique avec MUNICH. Par rapport au chaînage séquentiel mis en oeuvre précédemment, cela permet d’intégrer une influence du modèle local sur les concentrations de fond. Ce couplage prévient également la double présence des émissions qui sont utilisées à la fois dans le modèle régional et dans le modèle local, dans le cas séquentiel. Sur une période de simulation d’un mois (février 2014), les estimations du système couplé multi-échelle par rapport à celles du chaînage séquentiel montrent des performances très similaires à l’échelle régionale avec une très légère diminution des concentrations des NOx, NO₂ et PM2,5. À l’échelle locale, le couplage améliore légèrement les performances des estimations de NO₂, d’après les mesures disponibles. Tandis que les concentrations moyennes des NOx sont équivalentes à l’échelle de la ville avec les deux méthodes, on note une augmentation d’environ 5% des concentrations de NO, de 4% des concentrations de PM2,5, ainsi qu’une diminution d’environ 8,5% de NO₂ dans le cas du couplage.

Les croûtes noires des monuments, des archives de la pollution atmosphérique ancienne

03/07/2024 14:00

Les croûtes noires sont une altération principalement observée dans les zones abritées de la pluie des monuments en calcaires et en marbre. Elles sont majoritairement composées de gypse (CaSO₄.2H₂O) et se forment par réaction de la calcite (CaCO₃) contenue dans la pierre avec le dioxygène de soufre (SO₂) de l’atmosphère. La coloration noire est apportée par les polluants atmosphériques particulaires piégés dans la couche de gypse formée.

Les concentrations en SO₂ ayant fortement diminué pendant les dernières décennies, les croûtes noires sont considérées comme des altérations du passé. Cependant, leur étude a un intérêt majeur. Non seulement, la compréhension des mécanismes de formation est primordiale pour aider les conservateurs et restaurateurs à trouver des solutions adéquates afin de préserver le patrimoine bâti, mais également, en emprisonnant la pollution atmosphérique particulaire, les croûtes noires agissent comme des préleveurs passifs. Ainsi, elles peuvent être utilisées pour documenter la pollution atmosphérique ancienne et notre histoire industrielle.

Afin de valider la candidature des croûtes noires en tant qu’archives de la pollution atmosphérique ancienne, des échantillons ont été prélevés sur les tombes anciennes (~1820-1850) du cimetière du Père Lachaise. Elles ont ensuite fait l’objet de multiples analyses (DRX, Raman, ATG-DSC, Rock-Eval, ICP-AES, MC-ICP-MS) afin d’étudier leur composition et la variabilité du signal pollution enregistré par ce type d’altération.

Une fois la carte d’identité des croûtes noires du cimetière du Père Lachaise établie, un protocole spécifique a été appliqué afin d’analyser différentes strates : par microscopique électronique à balayage couplée à la spectrométrie à dispersion d’énergie (MEB-EDS) et, après minéralisation, par ICP-AES et ICP-MS. Les résultats montrent une évolution du contenu particulaire au sein des croûtes noires laminaires, avec différentes contributions des cendres volantes issues de la combustion du charbon et de la combustion du pétrole qui correspond en tout point à l’évolution des usages des combustibles fossiles. L’analyse des concentrations en éléments traces métalliques confirme ces résultats. Cette étude démontre donc que les croûtes noires laminaires préservent une stratigraphie interne, hypothèse cruciale pour reconstruire et étudier la pollution atmosphérique ancienne.

Par ailleurs, pour mieux comprendre les mécanismes de formation des croûtes noires et expliquer la préservation de cette stratigraphie, des expériences en chambre atmosphérique ont permis de simuler les conditions dans lesquelles se forment les croûtes noires. Dans un premier temps, des coupons de calcaire sain de Saint-Maximin ont été altérés pendant 6 mois puis analysés par microscopie numérique et spectrométrie de fluorescence des rayons X (SFX) pour évaluer le rôle des gaz (SO₂, O₃) et des particules (suies, sel NaCl) sur la vitesse de croissance des croûtes noires. Dans un second temps, des croûtes noires anciennes ont été remises en altération dans les mêmes conditions en injectant du SO₂ marqué en 34S puis analysés par nanoSIMS afin de localiser les sites de formation du gypse. Des zones marquées au 34S ont été retrouvées au niveau de l’interface croûte noire-atmosphère, démontrant ainsi une croissance vers l’extérieur de la croûte noire concomitante du dépôt. Ces résultats permettent donc de démontrer que la formation des croûtes noires résulte de la dissolution de la calcite, de la migration du calcium vers la surface et de sa réaction avec le SO₂ dissous.

 

---

Black crusts are a weathering pattern mainly observed in sheltered area from the rain on limestone and marble monuments. The formed gypsum (CaSO₄.2H₂O) layer is the result of the reaction between the calcite (CaCO₃) of the stone and the sulphur dioxide (SO₂) from the atmosphere. The black coloration is explained by airborne particulate matter trapped inside the gypsum crust.

Although black crusts are considered as a weathering form from the past, as SO₂ has decreased during the last decades, their study is still relevant. Firstly, to have a good understanding of the formation mechanisms of black crusts can help curators to find adequate solutions to preserve the build heritage. Secondly, black crusts act like passive sampler of air pollution. Therefore, they can be used to document air pollution in the past and our industrial history or in areas where no data are available.

To validate black crusts nomination as air pollution archives, samples of black crusts were collected at the Père Lachaise cemetery on ancient tombs (~1820-1850). They were then analysed using multiples techniques (XRD, Raman, TGA-DSC, Rock-Eval, ICP-AES, MC-ICP-MS) to study their composition and the pollution signal variability registered in such weathering pattern.

Once the id-card of Père Lachaise cemetery black crusts was done, a specific protocol was adapted to separate strata for each other. Each of them was characterized using SEM-EDS and after digestion by ICP-AES and ICP-MS. The results show a different particulate content as a function of the depth, with different contributions of fly-ash typical of coal and oil combustion. This is confirmed by the chemical analyses as the trace metal concentrations are in agreement with those first results. This study demonstrates that laminar black crusts have an internal stratigraphy, this hypothesis is crucial to reconstruct past air pollution.
To better understand black crusts formation mechanisms and explain the observed stratigraphy, atmospheric chamber experiments were performed to simulate the conditions in which the black crusts were formed. Pristine Saint-Maximin limestone samples were weathered for 6 months and then analysed by numerical microscopy et by X rays fluorescence (XRF) to evaluate the role of gas (SO₂, O₃) and of particulate matter (soots, salts NaCl) on the black crust growth rate. Ancient black crusts were again weathered, in the same conditions as the pristine Saint-Maximin, by injecting 34S marked SO₂ and analysed by nanoSIMS in order to localise the site of new gypsum formation. 34S marked areas were found at the black crust-atmosphere interface, showing then a growth directed toward the exterior of the black crust, coexisting with the atmospheric deposit. Those results show that black crust formation is the result of the dissolution of calcite and the migration of calcium toward the surface and of its reaction with dissolved SO₂.

Propriétés, distribution et effet radiatif des aérosols en Île-de-France par une approche couplée mesure-modélisation

08/07/2024 14:00

** FRANÇAIS **

Les aérosols atmosphériques sont l’une des composantes clés du système climatique et sont également des acteurs majeurs de la pollution atmosphérique. L’interaction entre les aérosols et le rayonnement solaire et infrarouge (l’Effet Radiatif Direct, ERD) reste l’une des principales incertitudes dans la compréhension du système climatique à l’échelle régionale et globale. Le dernier rapport du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) atteste que l’Interaction Aérosols-Rayonnement (IAR) représente un forçage effectif global négatif moyen de -0.22±0.25 Wm-2 qui s’oppose et contrebalance une fraction du forçage radiatif direct positif des gaz à effet de serre. À ce jour, l’estimation de l’intensité et du signe de l’ERD des aérosols reste très incertain, en particulier à l’échelle régionale et lorsque des aérosols d’origine et de type différents se mélangent. Ceci est particulièrement le cas pour les environnements mixtes anthropogéniques et biogéniques, tels que les flux sortants des grandes agglomérations urbaines. La façon dont les composants anthropogéniques et biogéniques interagissent et affectent les propriétés des aérosols et l’ERD est une question majeure et ouverte, pour laquelle les connaissances scientifiques sont encore faibles.

L’objectif de cette thèse est de mettre en œuvre une approche synergique de mesure et de modélisation afin d’atteindre deux objectifs principaux: i) mieux comprendre les propriétés optiques spectrales des aérosols (épaisseur optique des aérosols, albédo de diffusion simple et indice de réfraction complexe) à l’échelle régionale où se produit le mélange entre les aérosols anthropogéniques et biogéniques, et évaluer leur variabilité temporelle et spatiale dans des conditions variables ; ii) produire une estimation robuste de l’effet radiatif direct des aérosols et étudier la dépendance de l’ERD à l’état de mélange des aérosols et à la contribution des différentes espèces d’aérosols. Le cadre d’application de cette étude est l’Ile-de-France, une zone très peuplée d’Europe théâtre de l’interaction entre les émissions anthropiques de l’agglomération métropolitaine Parisienne et biogéniques des zones forestières limitrophes.

La stratégie de ce travail se base sur la combinaison des observations de la campagne internationale ACROSS (Atmospheric ChemistRy Of the Suburban ForeSt) et des observations des bases de données existantes au sol et par satellite, avec les simulations du modèle de chimie-transport 3-D WRF-CHIMERE, permettant une évaluation la plus complète possible de la masse d’aérosol simulée, de la composition chimique et des propriétés optiques spectrales, qui sont des paramètres clés pour l’estimation de l’ERD.

 

---

** ENGLISH **

Atmospheric aerosols are one of the key components of the climate system and also major contributors to air pollution. One of the most significant uncertainties in the understanding of the climate system at both regional and global scales is the interaction between aerosols and solar and infrared radiation (the Direct Radiative Effect, DRE). The latest Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) report attests that the aerosol Aerosol-Radiation Interaction (ARI) represents an average negative global effective forcing of -0.22±0.25 Wm-2, which opposes and counteracts a fraction of the positive direct radiative forcing by greenhouse gases. At present, there is still large uncertainty in estimating the magnitude and sign of the aerosol DRE, in particular at the regional scale, where aerosol of different origin and types mix. This is particularly the case for the mixed anthropogenic-biogenic environments, such as in the outflow of big urban agglomerations. How the anthropogenic and biogenic components interact and affect aerosol properties and DRE is an open and relevant question, for which scientific knowledge is still low.

The objective of this thesis work is to apply a synergistic measurement-modelling approach in order to achieve two main objectives: i) get more deeper understanding of the aerosol spectral optical properties (aerosol optical depth, single scattering albedo and complex refractive index) at the regional scale where the mixing between anthropogenic and biogenic aerosols occurs and evaluate their temporal and spatial variability under varying conditions; ii) produce a robust direct radiative effect estimate in the region and investigate the DRE dependency on the aerosol mixing state and the contribution of the different aerosol species.

This thesis focuses on the Ile-de-France region, a densely populated area in central Europe affected by the interaction between anthropogenic emissions from the Paris metropolitan area and biogenic emissions from surrounding forested areas. The strategy of this work is based on the combination of field campaign observations from the international ACROSS (Atmospheric ChemistRy Of the Suburban ForeSt) campaign and observations from ground-based and remote sensing existing databases with the WRF-CHIMERE 3-D chemistry transport model (CTM), allowing for a comprehensive evaluation of the simulated aerosol loading, chemical composition and spectral optical properties, which are key parameters to drive the DRE estimation.