Evolution de l'ammoniac et des particules d'ammonium analysée par télédétection depuis le sol et l'espace

Evolution of ammonia and ammonium particles analyzed by remote sensing from the ground and space

• Auteur / Autrice : Rebecca Deborah Kutzner
• Direction : Pascale Chelin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Univers et Environnement
• Date : Soutenance le 15/12/2021
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire interuniversitaire des systèmes atmosphériques (Créteil ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Valérie Gros
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascale Chelin, Benjamin Loubet, Filipe Aires, Juan Eduardo Cuesta, Yelva Roustan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benjamin Loubet, Filipe Aires

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polluants atmosphériques

Qualité de l'air

Mots clés libres

Qualité de l’air dans les mégacités

Ammoniac

Télédétection

Particules de sulfate d’ammonium

Polluants atmosphériques

Spectroscopie infrarouge

Tropospheric pollutants

Ammonia

Remote-Sensing

Infrared spectroscopy

Ammonium sulfate

Air quality in megacities

Résumé

L'ammoniac (NH3) et les particules d'ammonium (NH4+) jouent un rôle crucial dans la sécurité alimentaire, la qualité de l'air, l'écosystème et le bien-être des organismes. Dans le secteur agricole, l'application d'engrais à base d'ammoniac est la clé d'un rendement élevé qui permet à la population mondiale de subsister. En même temps, l'application de ces engrais peut conduire à l'évaporation de l'ammoniac, qui forme des particules d'ammonium dans l'air avec des ions comme le sulfate (SO42-), le nitrate (NO3-) et le chlorure (Cl-), ces particules plus stables peuvent être transportées sur de plus grandes distances et conduire à une réduction de la qualité de l'air et de la visibilité ainsi qu'à l'acidification des écosystèmes et des bâtiments. En outre, le transport de ces particules peut enrichir les environnements (pauvres en nutriments) et les endommager, comme les lacs et les rivières par eutrophisation, entraînant la mort des poissons et des impacts économiques pour les groupes dépendants. Un autre domaine d'impact est la santé humaine, qui peut être grandement affectée par les particules elles-mêmes ou par leur rôle de vecteur de maladies. Il est donc crucial de comprendre les émissions, ainsi que les voies de pénétration de l'ammoniac et des particules d'ammonium. Celles-ci peuvent être détectées et surveillées par des systèmes de mesure in situ ou des techniques de télédétection depuis le sol et par satellite.Cette thèse étudie les méthodes de télédétection du NH3 et du sulfate d'ammonium ((NH4)2SO4) et les mesures in-situ du nitrate d'ammonium (NH4NO3). D'une part, le spectromètre infrarouge de moyenne résolution de type BRUKER VERTEX80 est déployé en tant qu'observatoire fixe près de Paris appelé OASIS (Observations Atmosphériques par Spectroscopie Infra-rouge Solaire). D'autre part, les observations par satellite proviennent principalement de l'Interféromètre Sondeur Atmosphérique Infrarouge (IASI) et du Sondeur Infrarouge Transversal (CrIS), pour comparer, comprendre et développer davantage la précision des mesures ainsi que pour étendre les observations et les interactions atmosphériques à une plus grande échelle.

Ammonia (NH3) and ammonium (NH4+) particles play a crucial role in food security, air quality, ecosystem and organisms well-being. In the agricultural sector, the application of ammonia based fertilizer is a key to high yield which sustains our large world population. At the same time the application of those can lead to evaporation of ammonia, which will form ammonium particles in the air with ions like sulfate (SO42-), nitrate (NO3-) and chloride (Cl-), those more stable particles can be transported over greater distances and lead to a reduction in air quality and visibility as well as acidification of ecosystems and buildings. Further the transport of those particles can enrich (nutrient poor) environments and damage those, like lakes and rivers by eutrophication, causing fish die and economic impacts for depending groups. Another area of impact is the human health which can be greatly affected by the particles itself or by acting as a carrier of diseases. Therefore, it is crucial to understand the emissions, as well as pathways of ammonia and ammonium particles. Those can be detected and monitored via in-situ measurement systems or ground based and satellite remote sensing techniques.This thesis studies remote sensing methods of NH3 and ammonium sulfate ((NH4)2SO4) and in-situ measurements of ammonium nitrate (NH4NO3). Whereby on the one hand, the mid-resolution infrared spectrometer BRUKER VERTEX80 is deployed as a fixed observatory near Paris called OASIS (Observations Atmosphériques par Spectroscopie Infra-rouge Solaire). On the other hand, satellite observations dominantly from Infrared Atmospheric Sounder Interferometer (IASI) and Cross-track Infrared Sounder (CrIS), to compare, understand and develop further the accuracy of measurements as well as to extend observations and atmospheric interactions on a larger scale.