Détermination des sources de composés organiques (gazeux et particulaires) en Ile-de-France

Source apportionment of organic compounds (gaseous and particulate) in the Ile-de-France region

• Auteur / Autrice : Leïla Simon
• Direction : Valérie Gros, Olivier Favez, Jean-Eudes Petit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 31/03/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Géosciences, climat, environnement et planètes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Sauvage
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Agnès Borbon, Laurent Poulain, Marie Camredon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Agnès Borbon, Laurent Poulain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles statistiques

Île-de-France (France)

Pollution atmosphérique

Aérosols organiques primaires

Aérosols organiques secondaires

Composés organiques volatils

Mots clés libres

Composés organiques volatils

Aérosol organique

Détermination des sources

Pollution secondaire

Volatile organic compounds

Organic aerosol

Source apportionment

Secondary pollution

Résumé

Afin d'approfondir les connaissances sur la qualité de l'air et la chimie atmosphérique en Ile-de-France, il est nécessaire de documenter la nature et la variabilité des polluants atmosphériques sur le long terme. La station péri-urbaine du SIRTA (intégrée à l'infrastructure de recherche européenne ACTRIS) héberge des instruments de mesure permettant le suivi en continu des propriétés physico-chimiques des particules en suspension et de certains gaz réactifs inorganiques depuis une dizaine d'années. Des questions restent néanmoins encore ouvertes sur les origines de l'aérosol organique secondaire, et plus particulièrement sur son lien avec ses précurseurs gazeux, les composés organiques volatils (COV). Alors qu'ils jouent un rôle important dans la chimie de l'atmosphère, ces derniers n'étaient jusqu'alors pas mesurés sur le long-terme au SIRTA.Dans ce contexte, cette thèse vise à mieux caractériser la pollution organique en Ile-de-France. Cela passe par la mesure de COV en temps réel venant compléter le panel de mesures existantes, ainsi que l'application et l'évaluation de méthodes pour la détermination des sources de polluants organiques adaptées au long-terme.Pour ce faire, des mesures par spectrométrie de masse (PTR-MS), encore très peu utilisée au sein d'ACTRIS, ont été mises en place au SIRTA dans le cadre de cette thèse. Les chaînes de traitement de données automatisé ont été améliorées et adaptées pour le long terme et un contrôle qualité rigoureux a été appliqué aux données de 2020 et 2021. Ces deux premières années de mesures ont ensuite été étudiées en termes de variabilités journalières et saisonnières. Le rôle joué par les conditions météorologiques et par l'origine des masses d'air est particulièrement illustré par les résultats obtenus lors des confinements de 2020. L'influence de sources anthropiques a été observée pour les monoterpènes, composés habituellement identifiés comme biogéniques en site périurbain.Le modèle source-récepteur Positive Matrix Factorisation (PMF) est classiquement utilisé pour la détermination des sources de polluants atmosphériques (aérosols ou COV), mais certaines limites existent pour son application sur le long-terme. Pour dépasser ces limitations, de nouvelles options existent et ont été testées lors de cette thèse. En particulier, les données COV ont servi de marqueurs pour l'analyse des sources de l'aérosol organique en été, par la création d'un jeu de données combiné unifié. Cette méthodologie complexe a été mise en œuvre ici pour la première fois avec ce type d'instruments. Elle a été adaptée au jeu de données du SIRTA, permettant de mieux déconvoluer l'aérosol organique oxygéné par rapport à une méthode classique, et par conséquent de le relier à ses sources/processus respectifs, notamment en distinguant des processus de jour et de nuit.

To refine the knowledge on air quality and atmospheric chemistry in the Paris region, it is essential to document the nature and variability of atmospheric pollutants on the long term. The suburban SIRTA station (integrated to the European infrastructure ACTRIS) has been hosting instruments for the continuous measurement of physicochemical properties of suspended particles and of some inorganic reactive gases for a decade. Nonetheless, questions remain open on the origins of secondary organic aerosol and more specifically the link with its precursor gases, volatile organic compounds (VOC). Although their play an important role in atmospheric chemistry, VOC were hitherto not measured on the long term at SIRTA.In this context, this thesis aims at better characterizing organic pollution in the Paris region. This involves the measurement of VOC in real time to complete the panel of existing measurements, as well as the application and evaluation of methods for the source apportionment of organic pollutants adapted to long term studies.For this purpose, measurements using mass spectrometry (PTR-MS), still very little used within ACTRIS, were setup at SIRTA as part of this thesis. Automated data treatment was improved and adapted for the long term and a rigorous quality control was applied to 2020 and 2021. These first two years of measurements were then studied in terms of diel and seasonal variabilities. The role played by meteorological conditions and air masses was particularly illustrated by results obtained during the lockdowns in 2020. An influence of anthropogenic sources was observed for monoterpenes, compounds usually identified as biogenic in suburban sites.The Positive Matrix Factorization (PMF) source-receptor model is classically used for the source apportionment of atmospheric pollutants (aerosol or VOC), but some limits exist for its long-term application. To overcome these limitations, new options exist and were tested during this thesis. Particularly, VOC were used as organic markers for the analysis of organic aerosol sources in summer, by creating a unified combined dataset. This complex methodology was implemented here for the first time with this type of instruments. It was adapted to the SIRTA dataset, allowing a better deconvolution of oxygenated organic aerosol compared to a classical method, and consequently to link it to its respective sources/processes, especially by distinguishing daytime and nighttime processes.