Analyse des propriétés optiques des aérosols observés en Arctique pendant la campagne de printemps de l'API/POLARCAT PDF Download
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Author: Raphaël Adam de Villiers
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Languages : fr
Pages : 224
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Book Description
Une campagne de mesures POLARCAT-France, a eu lieu au nord de la Suède en avril 2008 pour l’étude des polluants à courte durée de vie en Arctique. L'étude des panaches d'aérosols repose sur les mesures d'un lidar à rétrodiffusion émettant à 355, 532 et 1064 nm et équipé d'un canal pour mesurer la dépolarisation à 355 nm. Trois paramètres optiques (les rapports de diffusion, le pseudo rapport de couleur et de dépolarisation) fournissent des informations sur l'épaisseur optique, le rapport entre fraction fine et fraction grossière, et la présence d'aérosols minéraux. L’analyse des données du lidar spatial CALIOP a permis l’étude des mêmes paramètres optiques. L'intercomparaison entre les deux instruments a montré une différence importante sur les valeurs absolues de rapport de couleur, qui est dû à des différences de méthode d'étalonnage entre les deux instruments. Néanmoins, les variations relatives des paramètres optiques restent cohérentes. Une climatologie sur les propriétés optiques de l'aérosol a été réalisée en lien avec l'origine des masses d'air. Pour identifier les sources d'aérosols, une étude lagrangienne a été menée avec des simulations du modèle de transport, FLEXPART, combiné aux mesures CALIOP. Cette analyse montre que l'aérosol arctique résulte d'un mélange de trois sources: émissions anthropiques du nord-est de l'Asie et d'Europe, feux de forêt et agricoles de Sibérie et des déserts d'Asie Centrale. Enfin, une étude sur les propriétés optiques de l'aérosol a été effectuée sur les incendies de l'été 2010 en Russie et a permis une comparaison de l'impact de cet épisode d'été avec les observations de l’année polaire internationale.
Author: Raphaël Adam de Villiers
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Une campagne de mesures POLARCAT-France, a eu lieu au nord de la Suède en avril 2008 pour l’étude des polluants à courte durée de vie en Arctique. L'étude des panaches d'aérosols repose sur les mesures d'un lidar à rétrodiffusion émettant à 355, 532 et 1064 nm et équipé d'un canal pour mesurer la dépolarisation à 355 nm. Trois paramètres optiques (les rapports de diffusion, le pseudo rapport de couleur et de dépolarisation) fournissent des informations sur l'épaisseur optique, le rapport entre fraction fine et fraction grossière, et la présence d'aérosols minéraux. L’analyse des données du lidar spatial CALIOP a permis l’étude des mêmes paramètres optiques. L'intercomparaison entre les deux instruments a montré une différence importante sur les valeurs absolues de rapport de couleur, qui est dû à des différences de méthode d'étalonnage entre les deux instruments. Néanmoins, les variations relatives des paramètres optiques restent cohérentes. Une climatologie sur les propriétés optiques de l'aérosol a été réalisée en lien avec l'origine des masses d'air. Pour identifier les sources d'aérosols, une étude lagrangienne a été menée avec des simulations du modèle de transport, FLEXPART, combiné aux mesures CALIOP. Cette analyse montre que l'aérosol arctique résulte d'un mélange de trois sources: émissions anthropiques du nord-est de l'Asie et d'Europe, feux de forêt et agricoles de Sibérie et des déserts d'Asie Centrale. Enfin, une étude sur les propriétés optiques de l'aérosol a été effectuée sur les incendies de l'été 2010 en Russie et a permis une comparaison de l'impact de cet épisode d'été avec les observations de l’année polaire internationale.
Author: Andy Vicente-Luis
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Le réchauffement climatique dans l'Arctique canadien est deux fois plus rapide que la moyenne globale, ce qui accélère la fonte de la banquise et bouleverse radicalement la faune, la flore et les communautés de la région tout entière. Ce réchauffement est causé non seulement par la hausse des émissions de gaz à effet de serre, mais également par des agents de forçage climatique de courte durée comme les aérosols troposphériques. Toutefois, le forçage radiatif des aérosols dans la région polaire est beaucoup moins bien estimé que celui des gaz à effet de serre, notamment le CO2, et demeure toujours incertain. Cette grande incertitude résulte principalement de la grande variabilité spatiotemporelle des propriétés chimiques et physiques des aérosols, en plus de la complexité des boucles de rétroaction observées en Arctique. D'ailleurs, les données sur les caractéristiques des aérosols et de leur répartition à travers la région sont très limitées, et ce, plus particulièrement dans le Haut-Arctique canadien. Pour remédier à ce problème, une série de mesures a été effectuée sur une période de 3 ans (2016-2019) dans le laboratoire de recherche sur l'environnement atmosphérique polaire (PEARL, 80N 86O) situé près de la station météorologique d'Eureka, au Nunavut, Canada. La distribution en taille des aérosols a été mesurée en se servant de plusieurs instruments, dont un compteur optique de particules (OPC), un granulomètre de mobilité électrique à balayage (SMPS) et un granulomètre aérodynamique (APS). Les propriétés optiques des aérosols ont été déterminées avec deux extinctiomètres photoacoustiques (PAX) qui opèrent respectivement à des longueurs d'onde de 405 et 870 nm. Les observations réalisées à l'observatoire PEARL démontrent une forte variation saisonnière dans les propriétés optiques et microphysiques des aérosols polaires. Pendant l'hiver et le printemps, l'atmosphère arctique est envahie par une brume sèche d'origine anthropique qui se traduit par une forte augmentation dans la taille, la concentration en nombre et les propriétés optiques extensives des aérosols. Les épisodes de brume arctique commencent généralement en mi-décembre, où des évènements de poussières minérales ont aussi été observés, et se terminent en mai où la formation et le grossissement de nouvelles particules s'amorcent. Le début du printemps mesure les concentrations d'aérosol en mode accumulation les plus élevées durant l'année. Les aérosols les plus sombres qui composent la brume arctique ont été identifiés comme étant de la suie ou du carbone noir transporté dans l'Arctique à partir de l'Eurasie et de l'Alaska. Quelques relations systématiques entre les propriétés optiques et la distribution de taille des aérosols ont également été calculées et révèlent une différence majeure entre les aérosols interagissant avec la lumière à 405 et 870 nm.
Author: Samantha Tremblay
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Les aérosols atmosphériques, c'est-à-dire les matières particulaires, sont une source importante d'incertitudes dans les modèles climatiques. En raison de cette incertitude, il est important d'analyser la corrélation entre la composition, les propriétés physiques (par exemple la taille des particules) et les propriétés optiques des aérosols atmosphériques en utilisant différents instruments. Dans l'Arctique, l'impact du changement climatique se fait ressentir de façon plus rapide que la moyenne mondiale, d'où ce problème souligne le besoin important d'effectuer des mesures atmosphériques dans cette région. À cette fin, des mesures sur le terrain en rapport avec la composition des aérosols atmosphériques sont actuellement effectuées au Laboratoire de Recherche Atmosphérique sur l'Environnement Polaire (PEARL) à Eureka, au Nunavut (80N, 86O), afin de caractériser les aérosols dans le Grand Nord canadien. Les instruments déployés comprennent deux PAX (Photoacoustic Extinctiometers), qui mesurent la diffusion de la lumière et l'absorption des aérosols à 870 nm et 405 nm, ensuite un spectromètre de masse, appelé aussi AMS (Aerosol Mass Spectrometer), puis un OPC (Optical Particle Counter) et finalement un SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer). En utilisant les données obtenues de ces instruments, qui sont opérationnels depuis août 2015 jusqu'en date d'aujourd'hui, il est possible d'observer des changements dans la distribution de la taille des aérosols et de leur concentration, en plus de changements concomitants dans leurs caractéristiques optiques. Plus particulièrement, les mesures actuelles des aérosols fournissent des observations à long terme sur la distribution de la taille des aérosols dans l'Arctique pour les deux modes extrêmes, soit pour les fines et grosses particules. Des événements sur le grossissement des particules ont été fréquemment observés pendant l'été 2015 et l'été 2016. Cependant, d'autres événements à long terme peuvent être observés au courant de l'année, comme l'événement d'une plume de pollution, ou même le phénomène de brume arctique qui se produit chaque hiver dans le Grand Nord canadien.
Author: Vincent Ricard
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Pages : 345
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L'amplitude du forçage radiatif direct par les aérosols dépend d'un grand nombre de facteurs, incluant entre autre leur nature chimique, leurs variations de concentrations temporelles et spatiales, et leur distribution en taille. Les grandes hétérogénéités de ces différents paramètres rendent les études de modélisation de l'impact radiatif délicates. Ces difficultés sont accentuées aux hautes latitudes, avec conditions environnementales particulières et un manque de données d'observation, alors même que les changements climatiques potentiels sont renforcés dans l'Arctique par certains effets de rétroactions, incluant par exemple les changements d'albédo résultants de la fonte des glaces polaires. Dans ce cadre, le programme EAAS (European Arctic Aerosol Study) avait pour objectif l'étude des propriétés physico-chimiques et optiques des aérosols dans l'Arctique européen afin d'en évaluer le forçage radiatif à l'échelle régionale. Cette étude s'est déroulée à Sevettijärvi (69°35' N., 28°50' E., 130 m au-dessus du niveau des mers), en Laponie finlandaise, de Juillet 1997 à Juin 1999. En vue de l'évaluation du forçage radiatif, nous nous sommes ainsi intéressés à la charge des différentes composantes de l'aérosol dans la basse troposphère en prenant en compte l'aérosol carboné (carbone suie et matière organique particulaire) afin de proposer un bilan de masse le plus précis possible. Nous avons ensuite, à des périodes clés de l'année, étudié plus en détail les distributions en taille des composantes de l'aérosol selon le type de masse d'air rencontré. Certaines espèces chimiques présentes au sein de l'aérosol étant issues de précurseurs gazeux, les échanges et les équilibres entre ces deux phases ont été étudiés. Un intérêt particulier a été porté à l'influence de la vapeur d'eau sur les distributions en taille des composantes particulaires. Enfin, nous avons introduit les propriétés optiques des aérosols et les paramètres importants pour une modélisation précise du forçage radiatif à l'échelle régionale.
Author: Boris Quennehen
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Ces travaux, effectués dans le cadre de la 4e année polaire internationale et à partir des mesures in-situ obtenues durant le projet POLARCAT-France, ont pour objectifs de fournir, dans un premier temps, une climatologie des panaches de pollution transportés depuis les continents sources (Amérique du Nord, Europe et Asie) vers l'Arctique. La climatologie contient des informations sur les propriétés physique, chimique et optique des particules d'aérosols, l'origine des panaches ayant été déterminée à l'aide du modèle lagrangien de rétro-trajectoire FLEXPART. Dans un second temps, les processus qui influent sur les propriétés des particules de pollution durant leur transport vers l'Arctique ont été étudiés. Si au cours de la campagne d'été au Groenland, il a été montré que la totalité des panaches rencontrés ont subit un processus de dépôt humide durant leur transport vers l'Arctique, la campagne de printemps au nord de la Suède a permis de mettre en avant l'évolution d'un même panache échantillonné lors de 3 vols consécutifs ainsi que des propriétés de mélange entre les contributions anthropiques et naturelles de deux panaches asiatiques.
Author: Matthieu Pommier
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Pages : 235
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L’Arctique est une région qui malgré l'absence et l'éloignement de sources d'émission de polluants, est l'une des plus touchées par le transport à longue échelle de la pollution, qui peut affecter les niveaux de fond de pollution et qui influence le changement climatique à l'échelle régionale et mondiale. Malgré l'amélioration des systèmes d'observations et des modèles numériques durant ces dernières décennies, il reste encore difficile de reproduire les épisodes de pollution observés en Arctique notamment en été. Une explication possible est la sous-estimation de la production d'ozone (O3) modélisée dans les panaches des feux de forêt. Le monoxyde de carbone (CO) est utilisé comme un traceur du transport de la pollution du fait de sa longue durée de vie (plusieurs semaines) dans la troposphère. C’est un gaz toxique produit par la combustion des énergies fossiles et des feux de biomasse. De plus, étant régulé par sa réaction avec le radical OH, il joue aussi un rôle important dans le bilan de l'O3 troposphérique. Le but de mes travaux de thèse a donc été de contribuer à une meilleure compréhension du transport et des mécanismes chimiques de formation des polluants secondaires dans la troposphère arctique. Pour cela j'ai utilisé en parallèle les nouvelles mesures de CO de l'instrument satellitaire IASI qui a été lancé en octobre 2006 à bord du satellite MetOp-A et les données récoltées par des avions instrumentés lors des campagnes POLARCAT de l'Année Polaire Internationale (API), au printemps et en été 2008. Les observations CO IASI ont tout d'abord été validées en les comparant avec les mesures aéroportées in situ montrant leurs capacités à observer des panaches de signatures élevées en CO comme près des régions sources. Le deuxième volet de la thèse illustre l'apport de l'assimilation (filtre de Kalman) des mesures quotidiennes de CO IASI dans le modèle global LMDz-INCA dans l'amélioration de notre compréhension sur les émissions et des chemins de transport des polluants impactant sur la troposphère arctique. L’assimilation a ainsi permis d’améliorer la modélisation des épisodes de pollution en CO dans la troposphère libre arctique. Enfin les résultats du modèle ont également été évalués en utilisant les observations POLARCAT et utilisés pour examiner la sensibilité des concentrations de polluants en Arctique (à savoir une surestimation de la distribution de l’O3 et une sous-estimation de celle du PAN) provenant des différentes régions et en particulier des feux de forêt boréale.
Author: ISABELLE.. CHIAPELLO
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Pages : 251
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L'OBJET DE CE TRAVAIL EST DE DOCUMENTER LES PARAMETRES PHYSICO-CHIMIQUES QUI CONTROLENT LES PROPRIETES OPTIQUES DES AEROSOLS ATMOSPHERIQUES DANS LA REGION DE L'ATLANTIQUE NORD TROPICAL ORIENTAL. IL S'AGIT, DE FACON PLUS GENERALE, D'AMELIORER LA PARAMETRISATION DE L'EFFET RADIATIF DES AEROSOLS DANS LES SIMULATIONS CLIMATIQUES, ET DE FOURNIR UNE BASE DE DONNEES REGIONALE DE VALIDATION POUR LES MODELES GLOBAUX D'AEROSOL. POUR CE FAIRE UNE STATION DE MESURES A ETE MISE EN PLACE AUX ILES DU CAP VERT, INCLUANT UN SUIVI JOURNALIER DES CONCENTRATIONS D'AEROSOL SUR UNE PERIODE DE PLUSIEURS ANNEES, DES MESURES DE L'EPAISSEUR OPTIQUE EN AEROSOL (QUI TRADUIT SON EFFET RADIATIF DIRECT), ET DES MESURES DES PROPRIETES GRANULOMETRIQUES DES AEROSOLS. L'ANALYSE CHIMIQUE DES ECHANTILLONS A PERMIS DE DETERMINER LES CONCENTRATIONS ELEMENTAIRES ET DE QUANTIFIER LES DIFFERENTES ESPECES D'AEROSOL PRESENTES. LA REGION DE L'ATLANTIQUE NORD TROPICAL EST CARACTERISEE PAR DES CONCENTRATIONS EN POUSSIERES MINERALES D'ORIGINE SAHARIENNE PARMI LES PLUS ELEVEES MESUREES EN REGION OCEANIQUE, AUSSI CES PARTICULES D'ORIGINE CRUSTALE ONT-ELLES FAIT L'OBJET D'UNE ATTENTION PARTICULIERE. LA VARIABILITE SAISONNIERE DES CONCENTRATIONS DE POUSSIERES MINERALES ET L'ANALYSE DES SITUATIONS METEOROLOGIQUES REGNANT SUR L'ATLANTIQUE NORD TROPICAL, ONT PERMIS DE COMPRENDRE LES MECANISMES DE TRANSPORT DE L'AEROSOL SAHARIEN. L'EXISTENCE D'UN TRANSPORT ADDITIONNEL EN HIVER DANS LES BASSES COUCHES DE L'ATMOSPHERE A ETE MISE EN EVIDENCE. UNE APPROCHE METEOROLOGIQUE ET GEOCHIMIQUE DES REGIONS-SOURCE DE POUSSIERES A PERMIS DE DISTINGUER TROIS GRANDES REGIONS PRODUCTRICES (NORD SAHARIENNE, SUD SAHARIENNE ET SAHELIENNE). L'ETUDE COMBINEE DES TRAJECTOGRAPHIES DE MASSE D'AIR ET DES FLUX DE PRODUCTION SIMULES SUR LE SAHARA A PERMIS DE PRECISER LA LOCALISATION DES ZONES DE SOULEVEMENT AU SEIN DE CES GRANDES REGIONS. LA VARIABILITE DES CONCENTRATIONS DE SELS MARINS, AUTRE COMPOSANTE IMPORTANTE EN TERME DE MASSE DE L'AEROSOL EN REGION OCEANIQUE, A PU ETRE EXPLIQUEE EN RELATION AVEC LA VITESSE DU VENT LOCAL EN HIVER, LES NIVEAUX DE CONCENTRATIONS OBSERVES EN ETE ETANT PROBABLEMENT LIES A DES PHENOMENES D'ADVECTION. LE SOUFRE A ETE UTILISE, APRES CORRECTION DE SES COMPOSANTES MARINE ET CRUSTALE, POUR LE TRACAGE DES SULFATES EN EXCES, PRODUITS PAR CONVERSION GAZ-PARTICULES. L'ETUDE DE LA VARIABILITE TEMPORELLE DES CONCENTRATIONS DE SOUFRE EN EXCES ET DES TRAJECTOGRAPHIES DE MASSE D'AIR NOUS A CONDUIT A PRIVILEGIER UNE INFLUENCE MAJEURE DES SOURCES ANTHROPOGENIQUES (AFRICAINES EN HIVER ET PROBABLEMENT EUROPEENNES EN ETE) SUR LES CONCENTRATIONS DE SULFATES EN EXCES. DE PLUS, LE TRANSFERT D'UNE PARTIE IMPORTANTE DE LA MASSE DES SULFATES EN EXCES SUR LES SELS MARINS EN PERIODE CLAIRE, ET SUR LES PARTICULES DE CALCITE D'ORIGINE CRUSTALE EN PERIODE DE POUSSIERES A ETE MIS EN EVIDENCE A PARTIR DES DISTRIBUTIONS GRANULOMETRIQUES DE CES PARTICULES. AFIN D'EVALUER LA CONTRIBUTION DE CHACUNE DE CES ESPECES A L'EPAISSEUR OPTIQUE TOTALE EN AEROSOL, LEURS PROPRIETES OPTIQUES (SECTIONS EFFICACES SPECIFIQUES D'EXTINCTION) ONT ETE CALCULEES, EN RELATION AVEC LEURS NATURES CHIMIQUES ET LEURS DISTRIBUTIONS GRANULOMETRIQUES. CECI A PERMIS DE CALCULER, A PARTIR DES CONCENTRATIONS DE CHACUNE DES COMPOSANTES DE L'AEROSOL, L'EXTINCTION DU RAYONNEMENT SOLAIRE, QUI COMBINEE A UNE EVALUATION DE LA REPARTITION VERTICALE DES DIFFERENTES ESPECES D'AEROSOL, PERMET D'ATTEINDRE L'EPAISSEUR OPTIQUE EN AEROSOL. L'EPAISSEUR OPTIQUE EN AEROSOL AINSI CALCULEE EST EN BON ACCORD GENERAL AVEC L'EPAISSEUR OPTIQUE MESUREE. LES RESULTATS OBTENUS MONTRENT QU'IL EXISTE UN BRUIT DE FOND PEU VARIABLE, DE L'ORDRE DE 0.05 EN EPAISSEUR OPTIQUE, DU AUX SELS MARINS ET AUX SULFATES EN EXCES, MAIS QUE LA VARIATION DE L'EPAISSEUR OPTIQUE TOTALE EN AEROSOL DANS CETTE REGION EST PRESQUE TOTALEMENT GOUVERNEE PAR LA VARIATION DE L'EPAISSEUR OPTIQUE EN POUSSIERES MINERALES D'ORIGINE SAHARIENNE. AINSI, DE FACON PLUS GENERALE, EN REGION OCEANIQUE, LES EPAISSEURS OPTIQUES EN AEROSOL SUPERIEURES A 0.3 NE SEMBLENT POUVOIR ETRE OBSERVEES QUE SOUS LE PANACHE DE POUSSIERES D'ORIGINE DESERTIQUE. CES RESULTATS TENDENT A CONFIRMER LA NECESSITE DE PRENDRE EN COMPTE L'EFFET RADIATIF DE CE TYPE D'AEROSOL NATUREL, DONT LES EMISSIONS SONT TRES SENSIBLES AUX CHANGEMENTS METEOROLOGIQUES, POUR L'EVALUATION DU FORCAGE RADIATIF DU AUX AEROSOLS TROPOSPHERIQUES
Author: Fanny Minvielle-Moncla
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Pages : 162
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Les particules d'aérosols peuvent avoir une influence non négligeable sur l'équilibre énergétique du système climatique terrestre. Leurs forçages radiatifs sur l'atmosphère sont encore estimés avec une grande incertitude. Cette thèse, à partir d'une étude numérique, s'inscrit dans les travaux visant à amé̀liorer la connaissance du rôle radiatif des aérosols. Elle s'appuie pour cela sur les mesures de la campagne internationale INDOEX 98-99 (INDian Ocean EXperiment) qui s'est déroulée au nord de l'Océan Indien. Tout d'abord, le transport des aérosols est simulé à l'aide du modè́le météorologique RAMS à méso-échelle. Cette échelle est particulièrement adaptée aux caractéristiques des aérosols. On considère ici le carbonne suie, les sulfates (dioxyde de soufre) et les poussières minérales. Leur transport s'organisent selon deux couches, ce qui est en accord avec les mesures. De plus, les résulats montrent que la dynamique contribuerait à un fort mélange des aérosols. Puis, l'effet radiatif semi-direct des carbonnes suies est étudié, au moyen du code radiatif EC3, qui a été couplé "on-line" à RAMS. Cet effet radiatif, encore mal connu aujourd'hui, a été notamment observé pendant INDOEX. Le code EC3 a la particularité de prendre en compte les propriétés optiques des aérosols. Le couplage "on-line" permet d'obtenir la répercussion de l'effet radiatif des aérosols au cours de la simulation sur les paramètres météorologiques gérés par RAMS. L'étude simule précisément la perturbation des conditions atmosphériques induite par l'effet radiatif des aérosols influençant alors la formation des nuages. On montre que la présence des panaches de carbone de suie produit un réchauffement local significatif de l'atmosphère, qui conduit à une diminution du contenu en eau nuageuse. Les valeurs de forçage simulé sont en accord avec ceux de la littérature. De plus, on montre qu'une rétroaction de l'effet radiatif existerait sur la structure verticale des panaches eux-mêmes
Author: Laura-Hélèna Rivellini
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Ce travail de thèse a consisté à étudier la nature chimique, les origines, ainsi que les propriétés des aérosols en Afrique de l'Ouest. Nous avons en particulier recherché les liens entre la composition chimique des particules fines en surface et les propriétés optiques des aérosols. Notre étude s'est appuyée sur les mesures effectuées au cours de la campagne de terrain SHADOW sur le site de M'Bour (Sénégal) durant deux périodes d'observations intensives : mars à juin 2015 (POI-1) et novembre 2015 à janvier 2016 (POI-2). Un dispositif instrumental permettant une caractérisation chimique en ligne et à haute résolution temporelle des aérosols submicroniques (TEOM-FDMS, ACSM, aéthalomètre) a été mis en place, en parallèle d'instruments de mesure des propriétés optiques des aérosols en surface (aéthalomètre, néphélomètre) et sur la colonne atmosphérique par télédétection (photomètre, Lidar). Les données météorologiques couplées à différents outils statistiques ont permis de classer les espèces ayant une contribution locale et/ou régionale, et d'identifier les zones sources à l'origine des fortes concentrations. La modélisation sources-récepteur (PMF) a permis une analyse approfondie de la fraction organique des PM1, mettant en évidence une photochimie très active et l'influence d'activités anthropiques spécifiques (incinération de déchets, fumage de poisson). Nous avons pu caractériser, selon la saison, les types d'aérosols contribuant majoritairement à l'extinction des particules fines mesurée en surface à M'Bour, ainsi que mettre en évidence les liens/différences entre mesures de télédétection et propriétés chimiques/optiques des particules fines au cours des deux POI.
Author: Serge Nadon
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