Modélisation de la réponse optique des particules de suie émises dans la Troposphère

Modeling Optical Properties of Combustion Soot emitted in the Troposphere

• Auteur / Autrice : Carlos Garcia Fernandez
• Direction : Sylvain Picaud, Jesús Rubayo Soneira
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 26/11/2015
• Etablissement(s) : Besançon en cotutelle avec Instituto superior de Tecnologias Y Ciencias Aplicadas de Cuba
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut UTINAM (Univers, transport, interfaces, nanostructures, atmosphère et environnement, molécules) (Besançon) - Univers, Transport, Interfaces, Nanostructures, Atmosphère et environnement, Molécules
• Jury : Président / Présidente : Jean-Baptiste Renard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Picaud, Jesús Rubayo Soneira, Jean-Baptiste Renard, Luc Henrard, Jérôme Yon, Michel Devel, Jean-Claude Rayez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Luc Henrard, Jérôme Yon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Carbone -- Composés

Champs magnétiques (physique spatiale)

Rayonnements électromagnétiques

Mots clés libres

Suie

Propriétés optiques à l’échelle nanométrique

Coefficient d’absorption massique (MAC)

PDI (Point Dipole Interaction)

DDA (Discrete Dipole Approximation)

Espèces chlorées

Adsorption

Modélisation

Soot

Optical properties at the nanometer scale

Mass Absorption Coefficient (MAC)

PDI (Point Dipole Interaction)

DDA (Discrete Dipole Approximation)

Chlorinated species

Adsorption

Modeling

Résumé

Ce travail concerne la modélisation, à l’échelle moléculaire, de l’interaction entre des nanoparticules carbonées et le rayonnement électromagnétique. Le but est d’aider à la compréhension des propriétés optiques des particules de suie afin de mieux quantifier l’influence des suies sur l’atmosphère et le climat. L’étude de l’interaction rayonnement/particules de suie fraîche a été effectuée par la méthode PDI ; il a été montré que : i) le coefficient d’absorption massique (MAC) des particules de suie dépend de la répartition des atomes dans la particule et de leurs liaisons, en particulier entre 200 et 350 nm ; ii) le MAC diffère selon que le cœur de la particule carbonée est occupé ou non par des plans graphitiques ; iii) un modèle analytique n’est pas adapté pour calculer le MAC d’une nanoparticule carbonée présentant des défauts structuraux. De plus, des méthodes de chimie quantique ont été utilisées pour caractériser le vieillissement des suies. Les résultats montrent que : i) NO, Cl, et HCl sont physisorbées sur une surface carbonée parfaite alors que sur une surface défective, ces espèces sont chimisorbées et conduisent à une modification de la surface ; ii) la présence de Cl conduit à un piégeage fort des molécules d’eau supérieur à celui obtenu lorsqu’un site oxygéné est présent sur la surface carbonée, expliquant ainsi le caractère hydrophile des suies émises lors d’incendies dans des milieux industriels. Enfin, la méthode PDI a été appliquée au calcul de la polarisabilité de HAP afin d’interpréter des spectres d’absorption des grains carbonés du milieu interstellaire, en incluant des molécules pour lesquelles aucune donnée n’était actuellement disponible.

This work concerns the modeling, at the molecular level, of the interaction between carbonaceous particles of nanometric size and the electromagnetic radiation. The goal is to improve our understanding of the optical properties of soot particles, to better quantify the influence of soot on the atmosphere and on climate change. The study of the interaction between radiation and fresh soot particles was carried out using the point dipole interaction method; it has been shown that: i) the mass absorption coefficient (MAC) of these soot nanoparticles may significantly depend on their atomistic details, especially between 200 and 350 nm; ii) the MAC depends on whether the heart of the carbonaceous particle is occupied or not by graphite planes; iii) an analytical model is not suitable for calculating the MAC of carbonaceous nanoparticles having structural defects. In addition, quantum chemical methods have been used to characterize the ageing of soot. The results obtained are i) NO, Cl, and HCl are physisorbed on a perfect carbonaceous surface whereas on a defective surface, these species are chemisorbed and lead to a modification of the surface; ii) on a carbonaceous surface, the presence of adsorbed Cl atoms leads to a strong trapping of the surrounding water molecules. This may be related to the highly hydrophilic nature of soot emitted during fires in industrial environments. Finally, the PDI method was applied to calculate the polarizability of PAHs to help at interpreting the absorption spectra of carbonaceous grains in the interstellar medium, including molecules for which no data was currently available.