Rôle des surfactants sur la formation des nuages : impact de la composition des aérosols et tension de surface de particules individuelles d'aérosols atmosphériques

Role of surfactants on cloud formation : impact of aerosol composition and surface tension of individual atmospheric aerosol particles

• Auteur / Autrice : Manuella El Haber
• Direction : Anne Giroir-Fendler, Corinne Ferronato, Barbara Nozière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 29/11/2024
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherches sur la Catalyse et l'Environnement de Lyon (Villeurbanne, Rhône ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Didier Léonard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Giroir-Fendler, Corinne Ferronato, Barbara Nozière, Gilles Mailhot, Estelle Roth, Yeny Alexandra Tobón Correa, Thierry Ondarçuhu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Mailhot, Estelle Roth
• DOI : 10.70675/77c252c7z61b0z4f19z839az86539228c61d

Mots clés

Mots clés contrôlés

Surfactants

Aérosols atmosphériques

Nuages -- Physique

Condensation (météorologie)

Mots clés libres

Tensioactifs

Tension de surface

Synergie

Particules individuelles atmosphériques

Microscopie à force atomique

Aérosols atmosphériques

Surfactants

Surface tension

Synergy

Individual atmospheric particles

Atomic force microscopy

Atmospheric aerosols

Résumé

Dans l’atmosphère terrestre, les aérosols jouent un rôle crucial dans la diffusion et l’absorption des rayonnements solaires, et en tant que noyaux de condensation dans la formation des nuages. La vapeur d’eau se condense progressivement sur les particules d’aérosols, pour former des gouttelettes de nuage. Ce phénomène est régi par l’équation de Köhler dont un paramètre essentiel est la tension de surface. Pendant longtemps, ce paramètre n’a pourtant pas été pris en compte dans les modèles atmosphériques : la valeur de la tension de surface des aérosols a été considérée égale à celle de l’eau (~72.5 mN/m). Cependant, au cours dernières années, suite à la mise en évidence de la présence de tensioactifs à des concentrations significatives dans les aérosols atmosphériques, un intérêt croissant s’est porté sur la détermination de la tension de surface des particules d’aérosols atmosphériques. Ainsi dans la cadre de ce travail, les effets de la présence de composants d’intérêt atmosphérique tels les acides organiques (acide oxalique et acide glutarique) et les sels inorganiques (NaCl et (NH4)2SO4) sur la tension de surface de solutions de tensioactifs amphiphiles (TritonX100, Brij35, SDS, CTAC) ont été étudiés. Des comportements fortement non idéaux ont été observés pour la plupart des mélanges étudiés avec des synergies détectées dans certains cas. Les principaux composants atmosphériques augmentaient l'efficacité des tensioactifs amphiphiles. En parallèle, une technique de détermination de la tension de surface de particules atmosphériques individuelles microniques et submicroniques a été développée. L’application de la méthode micro Wilhelmy dans un microscope à force atomique (AFM) en employant une pointe cylindrique, a permis de quantifier la tension de surface des gouttelettes condensées sur des particules atmosphériques sous humidité relative contrôlée. Cette méthode a été validée par des mesures de la tension de surface sur des liquides de références et appliquée par suite sur divers prélèvements atmosphériques. Les valeurs de tensions de surface déterminées dans les particules atmosphériques individuelles sont inférieures à la tension de surface de l’eau. D’autre part, ces études ont montré que la condensation de l’eau sur ces particules d’aérosol est corrélée avec la tension de surface, pour une humidité relative de 82 ± 2 %. Ainsi, ce travail a permis pour la première fois de mesurer directement la tension de surface des particules individuelles atmosphériques et d’élucider l’effet de la tension de surface sur la formation de nuage.

In Earth's atmosphere, aerosols play a crucial role in the diffusion and absorption of solar radiation, and as condensation nuclei in cloud formation. Water vapor gradually condenses on aerosol particles to form cloud droplets. This phenomenon is governed by the Köhler equation, where surface tension is a key parameter. For a long time, this parameter was not taken into account in atmospheric models: the surface tension value of aerosols was considered equal to that of water (~72.5 mN/m). However, significant concentrations of surfactants in atmospheric aerosols have been identified in recent years. Based on those results, there has been an increasing interest for determining the surface tension of atmospheric aerosol particles. In this work, the effects of the presence of typical aerosol components e.g., organic acids (oxalic acid and glutaric acid) and inorganic salts (NaCl and (NH4)2SO4) on the surface tension of amphiphilic surfactant solutions (TritonX100, Brij35, SDS, CTAC) were studied. Strong non-ideal behaviors were observed in most of the studied mixtures with synergies detected in some cases. The main atmospheric components increased the efficiency of the amphiphilic surfactants. In parallel, a technique for determining the surface tension of individual micron and submicron atmospheric particles was developed. The application of the micro Wilhelmy method in an atomic force microscope (AFM) using a cylindrical tip, made it possible to quantify the surface tension of droplets condensed on atmospheric particles under controlled relative humidity. This method was validated by surface tension measurements on reference liquids and subsequently applied to various atmospheric samples. The surface tension values determined in individual atmospheric particles are lower than the surface tension of water. Furthermore, these studies showed that the condensation of water on these aerosol particles is correlated with the surface tension, for a relative humidity of 82 ± 2%. Within this work, the surface tension of individual atmospheric particles was directly measured for the first time. Moreover, the effect of surface tension on cloud formation has been elucidated.