Etude et modélisation de la formation et de la croissance des aérosols organiques secondaires d'origine biogène PDF Download
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Author: Emmanuel Martin
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Languages : fr
Pages : 204
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Author: Emmanuel Martin
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Pages : 204
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Author: Mounir Chrit
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Le but de cette thèse est de comprendre les origines et les processus de formation des aérosols organiques (AO) et inorganiques (AI)en Méditerranée durant différentes saisons en utilisant le modèle de chimie-transport de la plateforme de la modélisation de la qualité de l'air Polyphemus. Dans le cadre du projet de recherche ChArMEx (Chemistry Aerosol Mediterranean Experiment), des mesures des concentrations des aérosols et de leurs propriétés ont été conduites à la station ERSA du Cap Corse (île de la Corse, France) dans le bassin ouest de la Méditerranée pendant les étés 2012 et 2013 et l'hiver2014. Ce travail de thèse a également bénéficié de mesures effectuées durant des vols avions au-dessus de la Méditerranée pendant l'été 2014.Le modèle est évalué pendant les différentes périodes simulées et des processus/paramétrisations ont été ajoutés ou modifiés afin d'avoir de bonnes comparaisons modèle/mesures pour les concentrations et les propriétés des aérosols. Des études de sensitivité à la météorologie, aux émissions anthropiques et aux émissions marines, en plus des différents paramètres d'entrée du modèle sont conduites pour comprendre les origines des aérosols. La paramétrisation des émissions de sels marins est choisie de manière à avoir de bonnes comparaisons aux mesures de sodium, qui est un composé non volatil émis principalement par les sels marins. Grâce à une paramétrisation qui estime la fraction organique des émissions marines à partir de la chlorophylle-a montre que les organiques marins contribuent à moins de 2% des AO. L'évaluation du modèle montre l'importance de la description des émissions des bateaux pour la modélisation des concentrations du sulfate et des AO. Cependant, les hypothèses faites dans la modélisation de la condensation/évaporation ont beaucoup d'impact sur les concentrations simulées de nitrate et d'ammonium (équilibre thermodynamique, état de mélange).Pendant les étés 2012 et 2013, les AO sont principalement d'origine biogénique, ce qui est bien reproduit par le modèle. Les mesures enregistrent d'importantes concentrations d'AO hautement oxydés et oxygénés. Pour que le modèle reproduire non seulement les concentrations, mais également les propriétés d'oxydation et d'hydrophilicité des AO, trois processus de formation d'aérosols organiques secondaires (AOS) à partir de monoterpènes sont ajoutés au modèle: l'autoxidation qui induit la formation de composés organiques d'extrêmement faible volatilité, un mécanisme de formation du nitrate organique, et un mécanisme de formation d'un produit d'oxydation de deuxième génération. Les états d'oxydation et d'oxygénation des AO à Ersa sont bien simulés en supposant de plus la formation d'organosulfates. Des simulations hivernales montrent que les AO y sont principalement d'origine anthropique. Bien que les émissions des composés organiques semi-volatils et de volatilité intermédiaire (COVIS) qui sont manquants dans les inventaires d'émissions influencent peu les AO en été, leur influence est dominante en hiver. La contribution du secteur du chauffage résidentiel pendant la saison froide s'avère très importante. Différentes descriptions et paramétrisations des émissions et des schémas de vieillissement des COVIS sont ajoutées au modèle, c-à-d distribution de volatilité à l'émission, schéma à une étape d'oxydation vs schéma à plusieurs étapes d'oxydation et la prise en compte de composés organiques volatils non-traditionnels(COVNT). Bien que le modèle reproduise bien les concentrations des AO, les études de sensibilité révèlent que la distribution de volatilité à l'émission influence beaucoup les concentrations des AO. Néanmoins, les états d'oxydation et d'oxygénation de ces derniers restent sous-estimés par le modèle pendant l'hiver quelque soit la paramétrisation utilisée, ce qui suggère la nécessité d'ajouter au modèle d'autres mécanismes de formation des AOS à partir des précurseurs anthropiques (autoxidation, formation du nitrate organique).
Author: Victor Lannuque
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L'oxydation gazeuse des composés organiques émis dans l'atmosphère mène à la formation de milliers de composés organiques secondaires (COS). Une fraction de ces COS est peu volatile, et peut se partager entre la phase gazeuse et la phase particulaire formant ainsi des aérosols organiques secondaires (AOS). Les AOS contribuent majoritairement à la composition des particules, participant entre 20 et 80 % à la masse totale des aérosols fins et influencent ainsi leurs impacts sur l'environnement, en particulier sur la qualité de l'air et le climat. Ces impacts sont quantifiés à l'aide de modèles de chimie-transport (CTM). Les comparaisons avec les mesures in situ montrent que les variations spatiales et temporelles de la masse d'AOS ne sont pas correctement simulées par les CTM. Dans ces modèles, la formation d'AOS est représentée de façon simplifiée à l'aide de paramétrisations empiriques développées sur la base d'observations en chambres de simulation atmosphérique. Il est donc primordial de repenser et d'améliorer la représentation des aérosols organiques dans les CTM pour diagnostiquer l'origine de la pollution atmosphérique par les particules fines, améliorer la fiabilité de la prévision des épisodes de pollution et évaluer l'impact des aérosols sur l'environnement. Les objectifs de cette thèse sont de :• explorer l'influence des conditions environnementales sur la formation et les propriétés des AOS,• développer une nouvelle paramétrisation de formation de l'AOS sur la base d'une représentation déterministe de la chimie atmosphérique,• évaluer cette paramétrisation en CTM par comparaison avec des mesures in-situ.Les modèles déterministes permettent de représenter la non-linéarité des processus de formation de l'AOS. Le modèle déterministe GECKO-A (Generator for Explicit Chemistry and Kinetics of Organics in the Atmosphere) est un outil de modélisation numérique qui intègre les données élémentaires (cinétiques et thermodynamiques) issues des études en laboratoire. Dans le cadre de cette thèse, des scénarios d'oxydation en conditions environnementales ont été développés et GECKO-A a été utilisé pour étudier l'impact des facteurs environnementaux (température, teneur en NOx, ensoleillement...) sur la formation et les propriétés des AOS. Sur la base de ces simulations, une nouvelle paramétrisation pour la formation d'AOS a été développée: VBS-GECKO. L'évaluation de la VBS-GECKO en modèle de boîte a montré une bonne reproduction des concentrations en aérosols organiques (AO) avec une RMSE inférieure à 20%. La VBS-GECKO a été intégrée au CTM CHIMERE pour simuler les concentrations estivales d'AO au dessus de l'Europe. Son utilisation conduit à une sensible amélioration de la masse d'AO simulée par rapport à la paramétrisation de référence utilisée dans CHIMERE. La VBS-GECKO a également été utilisé pour étudier (i) les sources et propriétés des AOS et (ii) différentes représentation des émissions de composés organiques semi-volatils et de volatilité intermédiaire par le trafic routier.
Author: Alexandre Berger
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Les aérosols atmosphériques jouent un rôle majeur dans les questions environnementales liées au climat, à la qualité de l'air et à la santé humaine. Les aérosols organiques (AO) constituent une part importante de la masse particulaire totale. Or les mécanismes de formation des AO sont mal connus. En particulier, un enjeu actuel reste la définition des composés organiques semi-volatils (COSV) issus de l'oxydation dans l'atmosphère de composés organiques volatils (COV) qui vont condenser sur ou au sein des aérosols préexistants pour former les aérosols organiques secondaires (AOS). De récentes études en laboratoire ont montré la contribution des COV oxygénés (COVO) dans la formation de composés organiques faiblement volatils en phase aqueuse. Ces études restent cependant incomplètes et il y a un besoin urgent de mieux comprendre la photochimie en phase aqueuse des espèces polyfonctionnelles et d'étudier l'influence des paramètres pertinents pour l'atmosphère (pH, concentrations initiales, présence de composés inorganiques) sur les processus de formation des AOS. Ces voies de formation d'AOS doivent être prises en compte dans les modèles atmosphériques. L'objectif de ce travail est d'évaluer la formation potentielle d'AOS produits lors d'un évènement nuageux observé à la station du Puy de Dôme à l'aide de simulations réalisées avec le modèle Méso-NH. Le réalisme des simulations pour la formation des AOS dépend de l'intégration, dans le schéma chimique en phase gazeuse, des espèces chimiques pertinentes, notamment les COV et leurs produits. Le mécanisme ReLACS2 répond à cette exigence et prend en compte à la fois les précurseurs de l'ozone et la formation des AOS. Ce dernier mécanisme est couplé avec le module ORILAM-SOA qui intègre le partitionnement gaz/particule des espèces inorganiques et organiques et les processus de nucléation, de condensation/évaporation, d'activation et de dynamique des aérosols. Dans un premier temps, ce couplage est évalué sur trois cas d'études réels sur l'Europe dans des conditions météorologiques contrastées. Un exercice d'inter-comparaison des modèles Méso-NH et WRF/CHEM ainsi qu'une comparaison de ces modèles avec les observations in-situ sont réalisés. Dans un deuxième temps, un premier travail de développement conduit à inclure les COVO, solubles et légers (jusqu'à 4 carbones), et la réactivité en phase associée, dans le mécanisme ReLACS2, avant de considérer la formation des AOS en phase aqueuse. Un nouveau mécanisme chimique, ReLACS3, est crée. Parallèlement, un second développement permet d'inclure la part des noyaux de condensation nuageux (CCN) dans la chimie de la goutte d'eau pour obtenir un couplage entre la phase gazeuse, aqueuse et particulaire. Avant de tester ces développements, une simulation 2D idéalisée d'un nuage orographique, observé lors d'une campagne de mesures intensives à la station du puy-de-Dôme durant l'été 2011, est réalisée. Cette étude permet de mettre en évidence le potentiel impact de la réactivité en phase aqueuse et de l'activation des CCN sur la formation des AOS.
Author: Christelle Barbet
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Dans l'atmosphère, les particules d'aérosol jouent un rôle clef sur le climat et, par leur action sur la qualité de l'air, ont un impact néfaste sur la santé publique. Ces particules sont composées d'un mélange complexe d'espèces inorganiques et organiques formées à partir d'une grande variété de sources. Si les sources et mécanismes de production des espèces inorganiques sont désormais relativement bien connus, la caractérisation de la fraction organique des aérosols est beaucoup plus complexe : elle est constituée d'aérosols organiques primaires, émis directement dans l'atmosphère, et d'aérosols organiques secondaires (AOS) produits par la conversion gaz-particules de Composés Organiques Volatils (COV). Afin de comprendre les processus de formation des aérosols organiques, des modèles tridimensionnels de chimie-transport sont mis en œuvre. Or, à ce jour, les concentrations en aérosols organiques observées dans l'atmosphère demeurent sous-estimées par ces modèles. L'objectif de cette thèse est d'étudier les différents processus de transport, d'émissions et de transformations chimiques intervenant dans la formation des aérosols organiques à partir du modèle de chimie-transport WRF-Chem (Weather Research and Forecasting - Chemistry). Les sorties du modèle ont été comparées à des mesures effectuées à la station du puy de Dôme au cours de trois situations correspondant à trois saisons (automne, hiver, été) durant lesquelles des masses d'air de diverses origines ont été échantillonnées. Ces mesures documentent les conditions météorologiques, les propriétés des espèces chimiques gazeuses et des particules d'aérosol. En particulier, les mesures fournies par un spectromètre de masse (AMS : Aerosol Mass Spectrometer), fournissent de informations détaillées sur la variabilité temporelle de la composition chimique des aérosols et notamment sur leur concentration en masse. Les comparaisons modèle/mesures ont montré que les variations saisonnières de la composition chimique des aérosols observées au puy de Dôme étaient bien capturées par le modèle. Cependant, il s'est avéré que les concentrations en aérosols organiques étaient fortement sous-estimées par le modèle et plus particulièrement lors de la situation d'été. La confrontation des origines des masses d'air simulées par le modèle WRF-Chem à celles déterminées par le modèle lagrangien HYSPLIT reconnu pour l'étude de la dispersion atmosphérique et l'analyse des variations de la localisation du sommet du puy de Dôme vis-à-vis de la couche limite atmosphérique ont mis en évidence que le transport était correctement reproduit par le modèle. Les mesures de gaz disponibles au puy de Dôme ont mis en évidence une forte sous-estimation des concentrations en COV d'origine anthropique simulées par le modèle. Des tests de sensibilité ont été réalisés sur les émissions de ces espèces pour restituer les niveaux de concentration observés. Les émissions et les rendements en AOS des COV d'origine anthropique implémentés dans la paramétrisation VBS dédiée aux aérosols organiques dans le modèle ont pu être modifiés afin de reproduire les niveaux de concentration en aérosols organiques observés au puy de Dôme.
Author: Florian Couvidat
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La formation des aérosols organiques dans l'atmosphère est étudiée via le développement d'un nouveau modèle de formation d'aérosols organiques secondaires nommé H2O (Hydrohilic/Hydrophobic Organics). Dans un premier temps, une paramétrisation de la formation d'aérosols via l'oxydation de l'isoprène est développée. Cette paramétrisation prend notamment en compte l'influence des concentrations d'oxydes d'azote sur la formation d'aérosols et leurs propriétés hydrophiles. Ensuite, H2O incluant cette paramétrisation et d'autres développements est évalué par comparaison aux mesures de carbone organique sur l'Europe. Prendre en compte les émissions de composés semi-volatils primaires gazeux (qui peuvent former des aérosols organiques secondaires après oxydation ou se condenser lors de baisses de température) améliore les performances du modèle de manière significative. En revanche, si les émissions de ces composés ne sont pas prises en compte, il en résulte une très forte sous-estimation des concentrations d'aérosols organiques en hiver. La formation d'aérosols organiques secondaires sur l'Île-de-France durant la campagne d'été de Megapoli (juillet 2009) a aussi été simulée pour évaluer les performances du modèle en zone urbaine. H2O donne de bons résultats sur l'Île-de-France bien que le modèle prévoit un pic d'aérosols organiques, provenant des émissions du trafic durant les heures de pointe, qui n'apparaît pas dans les mesures. La présence de ce pic dans les résultats du modèle peut être due à la sous-estimation de la volatilité des composés semi-volatils primaires. Il est aussi possible que les composés organiques primaires et les composés organiques secondaires ne se mélangent pas et que les composés semi-volatils primaires ne peuvent pas se condenser sur un aérosol organique majoritairement secondaire et très oxydé. Enfin, l'impact de la chimie aqueuse est étudié. Le mécanisme utilisé inclue notamment, la formation d'aérosols organiques secondaires dans la phase aqueuse des nuages par oxydation du glyoxal, du méthylglyoxal, de la méthacroleine et de la méthyl-vinyl-cétone, la formation de méthyltétrols dans la phase aqueuse des particules ou des gouttes d'eau des nuages et le vieillissement des aérosols organiques dans un nuage. L'impact des dépôts humides sur la formation d'aérosols est aussi étudié pour mieux caractériser l'impact des nuages sur les concentrations d'aérosols organiques.
Author: Bruno Guillaume
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On regroupe sous le nom d'« aérosols carbonés » deux espèces chimiques différentes : le « carbone suie » (« Black Carbon » BC) et le carbone organique ( « Organic Carbon » OC). BC est intégralement émis par les sources de combustion tandis que OC comporte à la fois une partie émise (OC primaire, OCp) et une partie formée secondairement par photochimie dans l'atmosphère (aérosols organiques secondaires, SOA). La complexité de ce type d'aérosols n'est aujourd'hui que peu représentée dans les modèles existants. On relève deux sources principales d'incertitude dans l'étude de l'impact climatique des aérosols carbonés. La première porte sur les inventaires d'émissions, la deuxième sur la modélisation complexe de leur évolution dans l'atmosphère (transport, interactions gaz-particules, dépôts sec et humide). Dans le contexte de ma thèse réalisée au Laboratoire d'Aérologie de Toulouse (LA), j'ai pris en compte cette complexité en développant un inventaire d'émissions d'aérosols carbonés sur l'Europe mais aussi un nouvel outil de modélisation 3D à l'échelle globale. Stratégiquement, mon travail s'articule en cinq étapes:une meilleure caractérisation des inventaires d'émissions de BC et OCp, en développant un nouvel inventaire des sources principales que sont les combustions de fuels fossiles et de biofuels (secteur industriel, secteur domestique, trafic). Cet inventaire, de résolution 25kmx25km, fournit les émissions de BC et OCp pour 1995, 2000, 2005, 2010 et comporte deux zooms régionauxsur la France à la résolution 10kmx10km et sur la région de la campagne Escompte à la résolution 1kmx1km, le développement d'un nouvel outil de modélisation globale de BC et OC (primaire et secondaire) par couplage du module d'aérosol ORISAM (module sectionnel) (LA/INERIS/ADEME) avec le modèle global de chimie-transport TM4 (collaboration LA/KNMI), qui permet à la fois la prise en compte d'une distribution des aérosols suivant 8 classes de taille (0.04μm-10 μm) et la prise en compte d'une composition chimique détaillée des aérosols (BC et OCp constituant le noyau de la particule sur lequel condensent plus de 6 réactifs chimiques organiques/inorganiques), des simulations avec ce nouveau modèle global baptisé ORISAM-TM4, des confrontations de résultats avec les mesures de BC et OC et l'étude du transport longue distance des aérosols, des tests de sensibilité sur la formation des aérosols organiques secondaires (SOA) portant sur différentes familles de composés organiques volatils (COV) précurseurs de SOA et portant également sur l'hygroscopicité des SOA (caractère hydrophile/hydrophobe), enfin, j'ai couplé ce nouvel outil ORISAM-TM4 à un module radiatif pour déterminer les propriétés optiques des aérosols (épaisseur optique, albédo de simple diffusion) en mélange interne à l'échelle globale.
Author: Joris Leglise
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La compréhension de la formation des aérosols organiques secondaires (AOS) reste lacunaire, notamment lors de l'ozonolyse de composés organiques volatils (COV) insaturés. La mesure de composés de faible volatilité participant à la génération des AOS est un défi auquel la communauté scientifique tente de répondre. Un des objectifs de ce travail de thèse était l'installation et l'emploi d'un système d'échantillonnage et de mesure de la composition chimique de l'aérosol par spectrométrie de masse à ionisation chimique (FIGAERO-CI-ToF-MS). Cet instrument a été utilisé dans le cadre de l'ozonolyse de COV insaturés dans la chambre de simulation atmosphérique HELIOS et a permis d'évaluer les conditions de formation d'acides carboxyliques et de composés organosoufrés. Les voies de formation spécifiques des organosulfates (OS) ont par ailleurs été étudiées en injectant des particules d'ensemencement acidifiées. Cette étude a confirmé la faible efficacité de l'estérification des groupements hydroxyles. A l'inverse, la formation d'OS par ouverture de cycle époxyde est plus efficace et augmente à pH plus acide. Par ailleurs, l'augmentation de l'humidité relative a un impact positif sur la génération d'acides carboxyliques en phase particulaire.Un deuxième objectif était la caractérisation d'un système de collecte de l'aérosol et de mesure de sa composition chimique, couplé à un spectromètre de masse à transfert de protons (CHARON-PTR-ToF-MS). La mesure de la fragmentation de 26 composés purs en phase particulaire a permis le développement d'une procédure corrective tenant compte du phénomène de fragmentation. Cette procédure a été appliquée à la mesure d'AOS générés par l'ozonolyse de COV biogéniques en réacteur a écoulement. La volatilité de l'aérosol produit a été estimée par l'installation d'un tube thermodénudeur. La prise en compte de la fragmentation a grandement amélioré l'accord entre la mesure de la volatilité et son calcul par plusieurs équations paramétriques.
Author: Richard Valorso
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Les aérosols fins ont un impact environnemental primordial. Ils influencent notamment la santé, ont un impact sur la visibilité et le climat. Les Aérosols Organiques Secondaires (AOS) représentent une fraction importante des aérosols fins. Les AOS résultent de la conversion d'espèces gazeuses, formées au cours de l'oxydation des composés organiques volatils (COV), en particules par des processus de nucléation et/ou condensation sur des aérosols préexistants. L'oxydation gazeuse des COV implique une myriade de composés secondaires intermédiaires pouvant participer à la formation d'AOS. Les AOS regroupent ainsi une très grande variété d'espèces. Afin d'étudier la formation d'AOS, il est nécessaire de développer des schémas chimiques décrivant explicitement la formation des composés secondaires. Le LISA a développé en collaboration avec le NCAR (National Center of Atmospheric Research) un générateur de schémas chimiques d'oxydation des composés organiques volatils : le GECKO-A (Generator for Explicit Chemistry and Kinetics of Organics in the Atmosphere). Ce travail vise à tester (i) la fiabilité de GECKO-A à reproduire les concentrations d'AOS observées lors d'expériences en chambre de simulation atmosphérique (CSA) et (ii) la sensibilité de la formation d'AOS aux paramètres physico-chimiques tels que les pressions de vapeur saturante, effets de parois des CSA ou encore aux constantes cinétiques de réaction. Afin d'évaluer la pertinence des schémas chimiques générés avec GECKO-A, le modèle a été confronté à des expériences effectuées en CSA visant à évaluer la formation d'AOS. Le paramètre clé du partitionnement des composés organiques semi-volatils est la pression de vapeur saturante (Pvap) des espèces. Les trois méthodes considérées comme les plus fiables disponibles dans la littérature ont été implémentées dans GECKO-A afin de tester la sensibilité de la formation d'AOS à l'estimation des Pvap. Les pressions de vapeur saturantes estimées par les différentes méthodes présentent des valeurs très différentes s'étalant sur plusieurs ordres de grandeur. Malgré ces divergences marquées, la concentration et la spéciation simulées pour l'AOS s'avèrent en définitive peu sensibles à la méthode utilisée pour estimer les pressions de vapeur. Aucune méthode d'estimation de Pvap n'a par ailleurs permis de réconcilier les concentrations modélisées et observées. La concentration d'AOS demeure systématiquement surestimée de l'ordre d'un facteur 2. L'absorption des composés organiques gazeux semi-volatils sur les murs d'une chambre de simulation atmosphérique a ensuite été étudiée. L'intégration de ce processus dans le modèle conduit à diminuer de façon importante les concentrations simulées en AOS, jusqu'à un facteur 2. En outre, les rendements simulés après implémentation de ce processus apparaissent en bon accord avec les rendements mesurés en CSA. L'hypothèse d'une mauvaise représentation de certains processus en phase gazeuse a également été testée via des tests de sensibilité. En particulier, la sensibilité de la formation d'AOS aux constantes de réactions entre les COV et le radical OH a été explorée. Le système a montré une grande sensibilité à la variabilité des constantes cinétiques de réaction des COV avec le radical OH, que ce soit au niveau de l'estimation de la constante cinétique ou au niveau de la détermination du site d'attaque du radical OH. La sensibilité à l'estimation des constantes de décomposition des radicaux alkoxyles a également été testée. Cette étude n'a en revanche montré que peu d'effets sur le rendement en AOS formé
Author: Matthieu Riva
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Ce travail a pour objectif d'étudier la formation des aérosols organiques secondaires (AOS) formés dans l'atmosphère à partir de l'oxydation en phase gazeuse de composés organiques volatils en présence d'oxydants atmosphériques (ozone, radicaux hydroxyle, chlore et nitrate). Parmi eux, les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) ont été proposés comme étant une source potentiellement importante d'AOS d'origine anthropique. Ainsi, l'oxydation de quatre HAP gazeux majoritaires (naphtalène, acénaphtylène, acénaphtène et phénanthrène) en présence des principaux oxydants atmosphériques a été menée afin de déterminer la formation d'AOS. La caractérisation des phases gazeuse et particulaire par spectrométrie de masse et spectroscopie optique a permis d'identifier les principaux produits d'oxydation afin de proposer des mécanismes réactionnels conduisant à la formation d'AOS. Les différents rendements de formation ont également été déterminés dans le but d'évaluer l'impact de l'oxydation des HAP en phase gazeuse comme source d'aérosols. Les expériences ont été conduites en chambres de simulation atmosphérique ainsi qu'en réacteur à écoulement. L'évolution de l'AOS au cours de son vieillissement a également été étudiée pour identifier les différents processus oxydatifs mis en jeu au sein de l'aérosol organique.
