Le numérique responsable

15/04/2022 12:30

(In)Justice climatique : éclairages apportés par le WGIII du GIEC

12/04/2022 18:00

Journée scientifique du groupe SAMA-IPSL

11/04/2022 08:45

Biodiversité et changement climatique : alliance ou rivalité ?

07/01/2022 14:00

Nouvelle séance du séminaire « Changement Climatique : Sciences, Sociétés, Politique » co-organisé par le Centre Alexandre-Koyré (EHESS-CNRS) et l’ENS (CERES). Un vendredi sur deux de 14 h à 17h, du 17 septembre 2021 au 21 janvier 2022 à l’École Normale Supérieure.

L'attribution d'événements extrêmes, et le cas de la sécheresse au Grand Sud de Madagascar

07/01/2022 12:00

L’attribution d’événements extrêmes, qui s’est considérablement développée dans les dernières années, permet aujourd’hui d’analyser le lien entre le changement climatique et un événement spécifique. Dans ce séminaire, après avoir passé en revue l’approche générale utilisée pour l’attribution d’événements extrêmes, je détaillerai spécifiquement le cas de la grande sécheresse qui sévit à Madagascar.

Le changement climatique vu d'Afrique

10/12/2021 14:00

Nouvelle séance du séminaire « Changement Climatique : Sciences, Sociétés, Politique » co-organisé par le Centre Alexandre-Koyré (EHESS-CNRS) et l’ENS (CERES). Un vendredi sur deux de 14 h à 17h, du 17 septembre 2021 au 21 janvier 2022 à l’École Normale Supérieure.

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.

 

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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.

 

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** 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.

Conception de modèles d'apprentissage profond pour les inversions de surface et atmosphériques à partir du sondeur infrarouge IASI

02/07/2024 10:00

L’observation de la Terre est essentielle pour comprendre et surveiller le comportement complexe de notre planète. Les satellites, équipés d’un certain nombre de capteurs sophistiqués, constituent une plateforme clé à cet égard, offrant une opportunité d’observer la Terre à l’échelle globale et de manière continue. Les tech- niques d’apprentissage automatique (ML) sont utilisées depuis plusieurs décennies, dans la communauté de la télédétection, pour traiter la grande quantité de données générées quotidiennement par les systèmes d’observation de la Terre. La révolution apportée par les nouvelles techniques de Deep Learning (DL) a toute- fois ouvert de nouvelles possibilités pour l’exploitation des observations satellitaires.

Cette thèse vise à montrer que des techniques de traitement d’images telles que les réseaux neuronaux convolutifs (CNN), à condition qu’elles soient bien maîtrisées, ont le potentiel d’améliorer l’estimation des paramètres atmosphériques et de surface de la Terre. En considérant les observations à l’échelle de l’image plutôt qu’à l’échelle du pixel, les dépendances spatiales peuvent être prises en compte. De telles techniques sont utilisées dans cette thèse pour l’estimation des tempéra- tures de surface et atmosphériques, ainsi que pour la détection et la classification des nuages à partir des observations de l’Interféromètre Atmosphérique de Sondage dans l’Infrarouge (IASI). IASI, qui est placé à bord des satellites en orbite polaire Metop, est un sondeur hyperspectral collectant des données sur une large gamme de longueurs d’onde dans l’infrarouge. Chacune est adaptée à l’identification des constituants atmosphériques à différents niveaux de l’atmosphère, ou de paramètres de surface.

En plus d’améliorer la qualité des restitutions, de telles méthodes d’Intelligence Artificielle (IA) sont capables de traiter des images contenant des données manquantes, de mieux estimer les événements extrêmes (souvent négligés par les techniques statistiques traditionnelles) et d’estimer les incertitudes des restitutions. Cette thèse montre pourquoi les méthodes d’IA, et en particulier les CNN avec convolutions partielles, devraient constituer l’approche privilégiée pour l’exploitation des observations provenant de nouvelles missions satellitaires telles que IASI-NG ou MTG-S IRS.