Contractualisation vague D 2010-2013 Structure Fédérative

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Contractualisation vague D 2010-2013

Structure Fédérative



Institut de Recherches Pluridisciplinaires en Sciences de l'Environnement
Pluridisciplinary Research Institute in Environmental Sciences



Les laboratoires










Les équipes associées






Les établissements







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Contractualisation vague D 2010-2013

Structure fédérative



1. Informations administratives

(dans la configuration prévue au 1
er
janvier 2010)



Intitulé complet de la structure fédérative


Institut de Recherches Pluridisciplinaires en Sciences de l'Environnement (IRePSE)
Pluridisciplinary Research Institute in Environmental Sciences (PRIES)


Responsables

M./Mme Nom Prénom Corps-Grade Etablissement d'enseignement supérieur
d'affectation ou organisme d'appartenance
M. PAUWELS Jean-François PR Lille 1
M. CUGUEN (Adjoint) Joël PR Lille 1



Label(s) demandé
(FED, FR, UMS, USR, IFR ; préciser si la structure est labellisée MSH)


FED


Type de demande

 nouvelle structure (création « ex-nihilo »)
 renouvellement (avec ou sans changement de label)
En cas de renouvellement, préciser les label, n° et intitulé de la structure en 2006 :


Etablissement(s) de rattachement de la structure


Etablissement(s) d’enseignement supérieur et de recherche

établissement support
(anciennement principal
) :
Lille 1
……………………………………
établissement de rattachement : ULCO
établissement de rattachement :

EM Douai


Oganisme(s) de recherche

organisme : …………
département ou comm. de rattachement :

organisme : …………
département ou comm. de rattachement :
…………

Mandataire de gestion unique
: Lille 1

Autres partenaires de la structure

organismes de recherche : CNRS………………………
autres : Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN)





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Classement thématique


Domaines scientifiques


1 Mathématiques et leurs interactions
S 2 Physique
P 3 Sciences de la terre et de l'univers, espace
S 4 Chimie
5 Biologie, médecine, santé
S 6 Sciences humaines et humanités
7 Sciences de la société
P 8 Sciences pour l'ingénieur
9 Sciences et technologies de l'information et de la communication
P 10 Sciences agronomiques et écologiques


Secteurs disciplinaires


Codes des secteurs par ordre d'importance : 303, 304, 401, 645, 646, 822, 1010
(étant donné le caractère pluridisciplinaire de l’institut les différents secteurs sont d’égale importance)

Mots-clés


prédéfinis : Environnement ; physique, chimie de l’atmosphère ; chimie de l’environnement ; énergie ;
changement climatique global ; océanographie ; biodiversité ; écosystèmes ; évolution ; géochimie
environnementale ; géomorphologie ; risques naturels ; risques industriels ;
climatologie, paléoclimatologie ; pollution ; dépollution ; bioremédiation ; combustion ; gestion des
milieux ; spectrochimie ; chimie nucléaire ; optique, lasers…


Domaine applicatif, le cas échéant


Santé humaine et animale
S Alimentation, agriculture, pêche, agroalimentaire et biotechnologies
Nanosciences, nanotechnologies, matériaux et procédés
Technologies de l’information et de communication
Production de biens et de services & nouvelles technologies de production
Énergie nucléaire
S Nouvelles technologies pour l’énergie
P Environnement (dont changement climatique)
Espace
S Aménagement, ville et urbanisme
S Transport (dont aéronautique) et logistique
Cultures et société
Economie, organisation du travail
S Sécurité
Autre


Nomenclature ERC (European Research Council)


Physical Sciences & Engineering

PE1 Mathematical foundations : all areas of mathematics, pure and applied, plus mathematical foundations of computer
science, mathematical physics and statistics
S PE2 Fundamental constituents of matter : particle, nuclear, plasma, atomic, molecular, gas, and optical physics
PE3 Condensed matter physics : structure, electronic properties, fluids, nanosciences
P PE4 Physical and analytical chemical sciences : analytical chemistry, chemical theory, physical chemistry/chemical
physics
PE5 Materials and synthesis : materials synthesis, structure-properties relations, functional and advanced materials,
molecular architecture, organic chemistry
PE6 Computer science and informatics : informatics and information systems, computer science, scientific computing,
intelligent systems
PE7 Systems and communication engineering : electronic, communication, optical and systems engineering
P PE8 Products and processes engineering : product design, process design and control, construction methods,
civil engineering, energysystems, material engineering
PE9 Universe sciences : astro-physics/chemistry/biology; solar system; stellar, galactic and extragalactic astronomy,
planetary systems, cosmology, space science, instrumentation

4
P PE10 Earth system science : physical geography, geology, geophysics, meteorology, oceanography, climatology,
ecology, global environmental change, biogeochemical cycles, natural resources management

Social Sciences & Humanities

SH1 Individuals, institutions and markets : economics, finance and management
SH2 Institutions, values and beliefs and behaviour : sociology, social anthropology, political science, law, communication,
social studies of science and technology
P SH3 Environment and society : environmental studies, demography, social geography, urban and regional studies
SH4 The Human Mind and its complexity : cognition, psychology, linguistics, philosophy and education
SH5 Cultures and cultural production : literature, visual and performing arts, music, cultural and comparative studies
SH6 The study of the human past : archaeology, history and memory

Life Sciences

LS1 Molecular and Structural Biology and Biochemistry : molecular biology, biochemistry, biophysics, structural biology,
biochemistry of signal transduction

LS2 Genetics, Genomics, Bioinformatics and Systems Biology : genetics, population genetics, molecular genetics, genomics,
transcriptomics, proteomics, metabolomics, bioinformatics, computational biology, biostatistics, biological modelling and
simulation, systems biology, genetic epidemiology

LS3 Cellular and Developmental Biology : cell biology, cell physiology, signal transduction, organogenesis, evolution and
development, developmental genetics, pattern formation in plants and animals
LS4 Physiology, Pathophysiology and Endocrinology : organ physiology, pathophysiology, endocrinology, metabolism,
ageing, regeneration, tumorigenesis, cardiovascular disease, metabolic syndrome
LS5 Neurosciences and neural disorders : neurobiology, neuroanatomy, neurophysiology, neurochemistry,
neuropharmacology, neuroimaging, systems neuroscience, neurological disorders, psychiatry
LS6 Immunity and infection : immunobiology, aetiology of immune disorders, microbiology, virology, parasitology, global and
other infectious diseases, population dynamics of infectious diseases, veterinary medicine
LS7 Diagnostic tools, therapies and public health : aetiology, diagnosis and treatment of disease, public health, epidemiology,
pharmacology, clinical medicine, regenerative medicine, medical ethics
P LS8 Evolutionary, population and environmental biology : evolution, ecology, animal behaviour, population
biology, biodiversity, biogeography, marine biology, ecotoxicology, prokaryotic biology
LS9 Applied life sciences and biotechnology: agricultural, animal, fishery, forestry and food sciences; biotechnology, chemical
biology, genetic engineering, synthetic biology, industrial biosciences; environmental biotechnology and remediation




Coordonnées de la structure fédérative


Localisation et établissement :

Jean - François PAUWELS
Physicochimie des Processus de Combustion et de l’Atmosphère (PC2A - UMR 8522)
Université des Sciences et Technologies de Lille
Numéro, voie : Cité Scientifique - Bât. C11 et C5
Code postal et ville : 59655 VILLENEUVE D’ASCQ Cedex
Téléphone : 03 20 43 48 02 (49 31)
Adresse électronique : jean-francois.pauwels@univ-lille1.fr



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Unités membres de la structure fédérative au 1er janvier 2010


Label et

Intitulé de l’unité
Responsable
Etablisse
ment de
rattache
ment
support
Domaine
scientifique
principal
(cf nomenclature)
UMR
8016
Génétique et Evolution des Populations Végétales
(GEPV)
J. CUGUEN Lille 1 10, EDD
UMR
8187
Laboratoire Océanologie et Géosciences (LOG) F. SCHMITT Lille 1
3, 10, EDD,
MPPU, INSU
UMR
8157
Géosystèmes M. DUBOIS Lille 1
3, MPPU,
INSU
UMR
8518
Laboratoire d’Optique Atmosphérique (LOA) F. PAROL Lille 1
3, MPPU,
INSU
UMR
8522
Physicochimie des Processus de Combustion et de
l’Atmosphère (PC2A)
JF. PAUWELS Lille 1 8, ST2I
UMS
2877
ICARE J. DESCLOITRES Lille1
3, INSU,
MPPU
CNES
EA 4019
Equipe associée
Environnement, Risques, Nature et Sociétés
Laboratoire Territoires, Villes, Environnement et
Société (TVES)
D. PARIS Lille 1 6
UMR
8523
Equipes associées
Spectroscopie et Applications
Physicochimie moléculaire théorique
Laboratoire Physique des Lasers Atomes Molécules
(PhLAM)
G. WLODARCZAK Lille 1 2, MPPU
UMR
8516 +
UMR
8009
Equipe associée
Spectrochimie de l’Environnement
Unité de Chimie Moléculaire et Spectroscopie
(UCMS)
G. BUNTINX Lille 1 4, Chimie




Surfaces recherche (en m² SHON*) prévues pour la structure fédérative au 1er janvier 2010
(hors surfaces occupées par les unités de recherche membres de la structure)

Etablissement(s) d'enseignement supérieur et/ou organisme(s)
prenant en charge des coûts d'infrastructures
" recherche" de la structure
Ventilation des surfaces en m²
Etablissement de rattachement support :
Université des Sciences et Technologies de Lille (Lille 1)

Etablissement de rattachement :
Université du Littoral Côte d’Opale (ULCO)

Etablissement de rattachement :
Ecole des Mines de Douai

TOTAL des surfaces

* Surface hors œuvre nette. Surface SHON = surface utile x 1,4.
Surface utile
: surface d'une pièce mesurée à l'intérieur des murs porteurs et des cloisons.
Surface hors oeuvre nette
: surface administrative utilisée lors du dépôt du permis de construire qui correspond à la somme des surfaces
délimitées par les périmètres extérieurs de la surface horizontale de chaque étage clos ou sous-sol aménagé déduction faite des surfaces non
exploitables (balcons, terrasses, volumes non clos).

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2. Dossier scientifique




Pluridisciplinary Research Institute in Environmental Sciences (PRIES)
Institut de Recherches Pluridisciplinaires en Sciences de l’Environnement (IRePS)

Sommaire du projet scientifique


2.1. Projet scientifique p 7

Présentation générale de l'institut p 7

Domaine scientifique "Physique et Chimie de l'Atmosphère" p 9
Axe 1 : Caractérisation physicochimique et réactivité des p 10
polluants atmosphériques
Axe 2 : Aérosols p 15
Axe 3 : Nuages et cycle de l'eau p 21
Axe 4 : Remédiation des polluants atmosphériques p 25

Domaine scientifique transversal "Environnement, risques, Nature, Société" p 32
Axe 5 : Risques, crises et inégalités environnementales p 33
Axe 6 : Nature, culture et sociétés : usages, préservation et représentations p 34

Domaine scientifique "Milieux, Ecosystèmes et biodiversité, structure et dynamique p 36
Axe 7 : Comportement des contaminants métalliques dans les sols et p 36
effets sur les organismes et les écosystèmes
Axe 8 : Analyse des processus aux interfaces mer-continent, eau-sédiment p 43
et air-eau
Axe 9 : Fonctionnement des écosystèmes et dynamique évolutive p 48
de la biodiversité
Axe 10 : Impact des changements climatiques sur les milieux, p 53
les écosystèmes et la biodiversité

2.2. Laboratoires et équipes de recherche participant à l'Institut p 63

2.3. Plate-formes technologiques supports de l'Institut p 73

2.4. Organigramme et effectif de l'Institut p 80

2.5. Organisation, fonctionnement et composition de l’instance de pilotage de l’Institut p 82


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2.1. Projet scientifique 2010-2013



Pluridisciplinary Research Institute in Environmental Sciences (PRIES)
Institut de Recherches Pluridisciplinaires en Sciences de l’Environnement (IRePS)


L'Institut de Recherches Pluridisciplinaires en Sciences de l’Environnement, pour lequel la
demande de Fédération (FED) est présentée, a pour vocation essentielle de promouvoir des recherches
pluridisciplinaires dans le domaine des sciences de l'environnement sur des thématiques couvrant
l'écologie, l'océanologie, les sciences de la terre, les zones marines côtières, l’énergétique, la physique et
la chimie de l’atmosphère, la qualité de l’air et les impacts sur la santé, la climatologie, l’aménagement du
territoire, les risques naturels et technologiques…

L’Institut implique actuellement cinq unités de recherche associées au CNRS (GEOSYSTEMES-
UMR 8157, GEPV-UMR 8016, LOA-UMR8518, LOG-UMR 8187, PC2A-UMR 8522), une unité mixte
de service (ICARE-UMS 2877) ainsi que quatre équipes de recherche des laboratoires PhLAM (UMR
8523, MPPU), UCMS (UMR 8516 + UMR 8009, Chimie) et TVES (EA 4019) mettant en commun les
compétences pluridisciplinaires de 170 enseignants-chercheurs, 27 chercheurs CNRS, 34 ITA, 86 IATOS
(dont 16 CDD ou CDI), 130 doctorants et post-doctorants. Des plate-formes technologiques sont
également adossées à l’Institut.

Les domaines scientifiques de l’Institut sont pluridisciplinaires et couvrent les compétences
présentes au niveau de l'Université de Lille 1et de ses partenaires pour les recherches en environnement.
(1) la physique et la chimie de l’atmosphère, (2) la dynamique des milieux, des écosystèmes et de la
biodiversité, et (3) le domaine transversal « Environnement, Risques, Nature et Société ».
Le domaine « Physique et Chimie de l’Atmosphère » concerne la caractérisation, la réactivité, la
remédiation des polluants gazeux et des aérosols, ainsi que leur devenir dans l’atmosphère et leur impact
sur le climat et la santé. Il se décline en 4 axes : (1) Caractérisation physicochimique et réactivité des
polluants atmosphériques, (2) Aérosols, (3) Nuages et cycle de l’eau, et (4) Remédiation des polluants
atmosphériques.
Le domaine « Milieux, écosystèmes et biodiversité, structure et dynamique » est concerné
principalement par des recherches sur la caractérisation des milieux et les conséquences de l'action de
l'homme et des changements climatiques sur la géo-biosphère. Il se décline en 4 axes: (1) Comportement
des contaminants métalliques dans les sols et effets sur les organismes et les écosystèmes, (2) Analyse des
processus aux interfaces mer-continent et eau-sédiment, (3) Fonctionnement des écosystèmes et
dynamique évolutive de la biodiversité et (4) Impact des changements climatiques sur les milieux, les
écosystèmes et la biodiversité.
Une réponse à la demande sociale induite par le développement durable et une contribution à la
recherche pluridisciplinaire sur les interactions nature-société sont apportées à travers le domaine
transversal « Environnement, Risques, Nature et Société ».

L’institut constitue ainsi, pour la région Nord-Pas de Calais, un pôle scientifique de premier plan
dédié aux questions de l’environnement. Il est conçu pour faciliter l’interdisciplinarité entre les
différentes unités qui le composent, avec les autres instituts de l’Université de Lille 1(Institut de chimie
Chevreul, Institut de Physique, Institut de Biologie, Fédération de Mécanique, Energétique et Génie Civil
du Nord - Pas de Calais) et les autres institutions de la région engagées dans des problématiques
environnementales (GIS IRENI notamment), problématiques qui requièrent l’étude de l’évolution des
interactions entre les impacts humains, les éco-géo-systèmes et la biodiversité, tenant compte de la
dimension socio-économique, a fortiori dans des conditions de forte anthropisation.

Par la complémentarité des approches développées, la mission de l’Institut est de faciliter la mise
en commun de moyens humains et techniques sur des projets régionaux, nationaux et internationaux.

8
L’institut a également l’ambition d’être une force de proposition pour les programmes en environnement
à venir.
L’Institut s’attachera à mettre en œuvre des objectifs majeurs, parmi lesquels:
- Assurer un rôle d'animation scientifique afin de catalyser l'émergence de collaborations et de projets
pluridisciplinaires entre les laboratoires de l'USTL et plus généralement du PRES Université Lille Nord
de France.
- Favoriser et coordonner le développement de projets sur des problématiques scientifiques communes par
le biais de collaboration entre les unités de recherche impliquées et des partenaires nationaux et
internationaux, d'une mutualisation des moyens, des observations de terrain et des plateformes.
- Organiser et faciliter la réalisation des projets en partenariat avec les structures scientifiques et socio-
économiques régionales,
- Accompagner et assurer l’évolution des équipes, notamment des jeunes chercheurs, en promouvant
l’élaboration et la participation à des programmes de recherche (ANR, ERC,…).

Les laboratoires de l'Institut sont adossés principalement à l’Ecole doctorale « Sciences de la
Matière, du Rayonnement et de l’Environnement (ED 104 SMRE) » et à l’Ecole doctorale « Sciences
Economiques, Sociales, de l’Aménagement et du Management (ED 73 SESAM) », ainsi qu'au collège
doctoral européen du PRES Université Lille Nord de France. L’institut participe via ses laboratoires à
l'encadrement doctoral et à la formation sous la forme de cours de l'ED dans les domaines couverts par les
sciences de l'environnement.

L’institut constitue aussi le socle "recherche" de l'offre de formation master: Masters mentions
Ecologie (spécialités « Gestion et Evolution de la Biodiversité» et « Fonctionnement et Gestion des
Ecosystèmes Marins »), Sciences de la Terre, de l'Univers et de l'Environnement (spécialités
« Géoenvironnement Actuels et Passés » et « Géologie de l'Ingénieur »), Chimie (spécialités « Chimie,
Energie, Environnement » et « Traitement des Eaux »), Environnement (spécialité recherche régionale
« Expertise et Traitement en Environnement »), Aménagement Urbanisme Développement Durable
(spécialité « Ecodéveloppement »), Physique (spécialité « Lumière - Matière »), Génie des Systèmes
Industriels (spécialité « Maîtrise et Optimisation des Procédés Industriels», Master Erasmus Mundus
« Advanced Spectroscopy in Chemistry »… Afin de promouvoir les interactions entre équipes et
l'émergence de concepts nouveaux, l'Institut organisera en partenariat avec les écoles doctorales un cycle
de conférences avec une périodicité mensuelle.


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Domaine scientifique
Physique et Chimie de l’Atmosphère


Les polluants gazeux et les aérosols, liquides ou solides, sont émis par de nombreuses sources,
naturelles ou anthropogéniques, qu’elles soient primaires, comme les rejets industriels ou les procédés de
combustion (industries, chauffage, transport…), la mise en suspension par le vent de matière particulaire
(embruns marins, érosion du sol, envol de poussières…), ou secondaires, résultant de transformations
physicochimiques des polluants primaires, aussi bien en phase homogène gazeuse, que par conversion
gaz-particules de certains polluants gazeux dans l’atmosphère.
Ces polluants gazeux et particulaires ont un impact nocif sur la santé humaine bien établi, quoique
encore mal quantifiés, en particulier en ce qui concerne les synergies entre les différents polluants. Ces
polluants ont aussi des effets sur la chimie et la physique de l’atmosphère et le climat qui suscitent encore
de nombreuses questions : modification du bilan radiatif en diffusant et/ou absorbant le rayonnement
solaire, influence sur la formation des nuages et les précipitations, modifications de l’abondance des
composés-traces de la troposphère par le biais de réactions chimiques homogènes, hétérogènes et autres
processus multiphasiques. Dans le contexte du changement climatique, il reste également de nombreuses
questions non résolues sur le rôle que les nuages eux-mêmes jouent d’une part dans le domaine solaire
(effet parasol), d’autre part dans le domaine infrarouge thermique (effet de serre).
L’impact des constituants atmosphériques
sur la santé humaine et l’environnement dépend non
seulement de leurs caractéristiques physico-chimiques (pour les gaz, la concentration, pour les aérosols et
les particules nuageuses, la taille, la morphologie, la composition chimique interne et en surface, et
propriétés optiques) et de leurs sources d’émission (fixes ou mobiles), mais également des conditions
météorologiques, qui déterminent au niveau de la troposphère leur transport, leur dispersion, et leurs
transformations chimiques selon des processus physico-chimiques complexes.
Des procédés de traitement des émissions polluantes à la source peuvent également être mis en
œuvre. Dans ce cas, les mécanismes de formation et/ou de destruction de polluants, tels que les oxydes
d’azote (NOx), les Composés Organiques Volatils (COV), les particules, les suies et les Hydrocarbures
Aromatiques Polycycliques (HAP) … émis par les sources mobiles (véhicules automobiles, aéronautique)
et fixes (brûleurs, incinération, réacteur nucléaire), et pour lesquels des incertitudes importantes existent
encore à l’heure actuelle, doivent être mieux connus.

Les recherches en physique et chimie de l’atmosphère impliquent notamment les laboratoires
LOA, PC2A, UCMS et PhLAM qui sont également associés d’une part au sein du GIS régional « Institut
de Recherches en Environnement Industriel (IRENI) » sur des problématiques liées à la qualité de l’air, et
d’autre part dans les projets européens TOTECAT (TOols and TEchnique for a Changing ATmosphere,
Marie-Curie Early Stage Training Site) et PhyCAFoR (PhysicoChimie Atmosphérique : Formation par la
Recherche) qui entre dans le cadre du programme ARCUS (Action en Région de Coopération
Universitaire et Scientifique.


10
Axe 1

Caractérisation physico-chimique et réactivité des polluants atmosphériques



La compréhension de l’évolution spatiale et temporelle des concentrations en polluants
atmosphériques requiert la mesure des concentrations en différentes espèces, aussi bien majoritaires qu’à
l’état de traces, et des phénomènes dynamiques sur le terrain. D’autre part, elle nécessite l’intégration de
ces résultats expérimentaux au sein de modèles mathématiques prenant en compte les sources, la
diffusion, le transport et la réactivité chimique, et couplant les phénomènes locaux à ceux régis à plus
grande échelle.

Les quatre thématiques de recherche développées dans l’axe « Polluants atmosphériques »
concernent (1) la métrologie et les stratégies de contrôle des polluants atmosphériques, (2) la réactivité
des polluants dans l’atmosphère, (3) la qualité de l’air intérieur et de l’atmosphère extérieure, (4) la
modélisation du devenir des polluants atmosphériques et (5) la spectroscopie et ses applications à des
molécules d'intérêt atmosphérique.

Ces thématiques impliquent plusieurs laboratoires de l’USTL (PC2A, PhLAM, UCMS) et de l’EM
Douai (PC2A / DCE) qui collaborent également au sein du GIS IRENI (Axe Qualité de l’air - Action
Contrôle des polluants atmosphériques) avec d’autres laboratoires régionaux (LPCA - ULCO, Lille 2).

I. Caractérisation physico-chimique des polluants atmosphériques
Laboratoire impliqué : PC2A / Lille 1 et EM Douai
Les objectifs de la thématique concernent le développement de différentes méthodes de mesure
des polluants gazeux telles que l’échantillonnage et l’analyse chromatographique, les méthodes
spectroscopiques, ainsi que la mise en œuvre de capteurs électroniques à lecture directe.
Un des objectifs est de les développer pour analyser des techniques d’échantillonnage et d’analyse
de COV Oxygénés et de COV à l’origine de gênes olfactives, compte tenu d’une part de leur rôle dans la
photochimie atmosphérique et d’autre part de leur impact sur l’environnement. Les travaux menés à partir
des données de COV collectées au cours de diverses campagnes de terrain ont montré l’intérêt d’associer,
à la mesure de COV hydrocarbonés provenant principalement de sources primaires (anthropiques ou
naturelles), la mesure des COV oxygénés issus à la fois des sources primaires mais aussi secondaires, et
d’assurer la simultanéité des prélèvements pour permettre une meilleure compréhension des phénomènes
mis en jeu. Compte tenu de la diversité des composés pouvant être à l’origine d’une perception olfactive
et de la complexité des zones potentiellement émettrices, il s’agira de développer une méthode de
caractérisation physico-chimique aisée de mise en œuvre (préconcentration, séparation
chromatographique puis détection spécifique) simple d’utilisation sur le terrain et couvrant un large
spectre de familles de composés.
Le développement de techniques spectroscopiques appliquées à la caractérisation de polluants
gazeux à l’état de traces dans l’atmosphère se fera dans le cadre également de la plate-forme MéOL. Ces
développements métrologiques seront valorisés d’une part dans leur application à la mesure de polluants
sur le terrain, et d’autre part dans l’utilisation de ces données dans les modèles de physicochimie
atmosphérique. Il s’agira notamment de multiplexer des sources laser d’un spectromètre d’absorption
infrarouge à laser à cascade quantique pour mesurer simultanément plusieurs polluants (NO
2
, HNO
2
,
HNO
3
et H
2
CO, O
3
) lors de campagnes de mesures sur le terrain. La technique FAGE (Fluorescence
Assay by Gas Expansion) sera appliquée à la mesure de la concentration des radicaux OH et HO
2
en
atmosphère libre lors de campagnes de mesures nationales et internationales.
L’optimisation et la mise en œuvre de capteurs électroniques permettant de mesurer directement la
teneur en un polluant gazeux sans passer par le prélèvement sur site et l’analyse en laboratoire est
également un des objectifs de la thématique.


11
II. Réactivité atmosphérique homogène et hétérogène
Laboratoires impliqués : PC2A / Lille 1 et EM Douai, PhLAM, UCMS
Les objectifs de la thématique concernent la détermination des constantes de vitesse et
l’identification des produits de réactions d'importance atmosphérique, en prenant en compte le caractère
multiphasique (phases gazeuse et liquide, aérosols solides, hydrométéores) du réacteur atmosphérique.
L’étude cinétique et mécanistique de la dégradation des Composés Organiques Volatils par photocatalyse
et plasma froid constitue un autre axe de recherche avec des applications en qualité de l’air intérieur et
extérieur.
Des études cinétiques de réactions d’intérêt atmosphérique en phase homogène (photolyse
d’aldéhydes et de COV oxygénés) et hétérogène (interactions entre COV oxygénés, gaz traces et
particules d’aérosols, influence de l’hygroscopicité des particules, formation des Aérosols Organiques
Secondaires (AOS)) seront développés. Une nouvelle thématique de recherche liée au rôle de la chimie
des COV sur la qualité de l’air sera amorcée.
Les méthodes expérimentales de diagnostics laser telles que le cw-CRDS, l’Absorption Infrarouge
par Diodes Laser Accordables et le couplage d’un spectromètre de masse à temps de vol (TOF-MS), pulsé
résolu dans le temps, à la cellule FAGE seront développées et leur domaine d’application étendu. Ces
aspects constitueront un des points forts de développement de la Plate-forme optique MéOL.
Ces actions sont également soutenues par un PICS avec l’Université de Karlsruhe, par l’Institut
Carnot MINES ainsi que par les programmes européens TOTECAT et ARCUS.
Les projets bénéficieront des équipements des Centres Communs de Mesures « Infrarouge et
Raman », « surface » et « Microscopie Electronique » de l’USTL auxquels participent les équipes
impliquées.

III. Qualité de l’Air
Laboratoire impliqué : PC2A / Lille 1 et EM Douai
Cette thématique de recherche concerne aussi bien l’air intérieur que l’atmosphère extérieure. Elle
porte sur les liens qui existent entre les teneurs mesurées en divers polluants et les différentes sources à
l’origine de ces teneurs, sur les transferts des espèces entre différents environnements mais aussi sur les
différents facteurs permettant d’expliquer l’apparition d’épisodes de pollution, en particulier les
conditions météorologiques. L’impact de la qualité de l’air sur la santé et le climat y est également
abordé.
Plusieurs projets de recherche, sur (1) le traçage et la contribution des sources industrielles et
urbaines à la pollution, (2) l’identification des sources intérieures de COV et estimation de leur
contribution aux teneurs observées dans des logements et (3) les émissions de COV à l’intérieur
d’habitacles de véhicules, vont concerner la pollution de l’air intérieur. Dans ces atmosphères intérieures,
la nature des espèces, leurs origines et les processus et facteurs qui gouvernent l’évolution de leur
concentration seront examinés. Ces données seront analysées avec différentes méthodes statistiques
multidimensionnelles pour identifier des signatures chimiques des sources d’émissions de ces espèces et
estimer leur contribution aux teneurs mesurées. Des modèles prédictifs seront appliqués pour rendre
compte des teneurs intérieures et de leur évolution en fonction des caractéristiques propres à ces espaces
intérieurs.
Les travaux sur la qualité de l’air extérieur concerneront la caractérisation et la compréhension des
phénomènes de pollution observés à différentes échelles spatiales : une échelle de transport des polluants
à longue distance dans le cadre de l’observatoire MERA et une échelle locale dans le cadre du GIS
IRENI. Les thèmes développés concernent (1) l’analyse des relations sources récepteurs en milieu rural,
(2) la diffusion des émissions industrielles en fonction des conditions météorologiques, (3) l’impact de la
qualité de l’air sur la santé et le climat, (4) l’étude de la pollution induite à l’intérieur des habitations par
les poêles à pétrole, (5) les nanoparticules et leurs impacts sur la santé et (6) l’évaluation
environnementale des impacts du changement climatique (le cas de la région Nord - Pas de Calais).


12
IV. Modélisation de la pollution atmosphérique
Laboratoires impliqués : PC2A / Lille 1 et EM Douai, TVES
Cette problématique a pour objectif principal de développer et de mettre en œuvre des outils de
diagnostics et d'évaluation du comportement des polluants atmosphériques émis principalement sur le
littoral Nord Pas de Calais, zone très urbanisée et à forte activité tant du point de vue industriel que du
trafic maritime. Les nombreux modèles disponibles et les compétences métrologiques régionales
permettront d'interpréter les phénomènes de pollution, tant l’aspect dynamique que la réactivité, et ainsi
de valider les outils et méthodologies adaptées.
Deux actions seront développées, (1) sur la modélisation du devenir de différents polluants
atmosphériques issus des émissions industrielles et du trafic maritime et (2) sur la modélisation du
devenir des aérosols émis ou formés dans la zone de trafic transmanche.
La première action comporte deux thèmes de développement, l'un entrant dans le cadre du GIS
IRENI et portant sur la modélisation de la réactivité et de la dispersion des émissions industrielles de la
zone du littoral et l'autre sur la modélisation des émissions diffuses de particules sur site industriel
(collaboration contractuelle avec Arcelor-Mittal). L’objectif est de développer une stratégie scientifique
de diagnostics environnementaux et de remédiation de la qualité de l’air sur une région (Dunkerque) qui
présente une forte activité industrielle ainsi que des phénomènes dynamiques spécifiques aux régions
côtières.
L’objectif général du second projet de recherche (projet INTERREG avec l’Université de
Greenwich) est d’étudier, à l’aide de modèles de dispersion atmosphérique, le transport des aérosols ainsi
que d’autres polluants (SO
2
, oxyde d’azote et hydrocarbures) entre les deux régions côtières de la Manche
et d’évaluer les effets des trafics portuaires, de la forte industrialisation de la zone de Dunkerque, ainsi
que l’impact du trafic maritime transmanche sur la pollution atmosphérique de cette eurorégion

V. Spectroscopie et Applications
Laboratoire impliqué : PhLAM
L’objectif est de produire des données pertinentes pour la caractérisation de la phase gazeuse de
l’atmosphère, mais aussi de caractériser les processus localisés sur des surfaces (glaces, suies,..) :
adsorption, diffusion, photodésorption,…. Ces activités sont à la fois de nature expérimentale et
théorique.
V.1. Spectroscopie et relaxation collisionnelle de molécules d’intérêt atmosphérique
L’identification de composés mineurs ou de polluants dans l’atmosphère ou d’intermédiaires
réactionnels nécessite la connaissance approfondie de leurs spectres d’absorption. En accompagnement
des missions spatiales (Odin, EOS-MLS, Envisat-MIPAS, missions futures de l’ESA), le laboratoire
PhLAM participe à l’analyse de spectres rotationnels ou rovibrationnels, dans le cadre de nombreuses
collaborations et notamment au sein du Laboratoire Européen Associé dont il est membre (avec le LISA,
l’ULB, les universités de Namur, Cologne et Aix-la-Chapelle). La gamme spectrale disponible au
PhLAM va des micro-ondes au domaine Térahertz, avec des fenètres spectrales dans le domaine
infrarouge.. Outre l’identification des spectres, il est nécessaire d’obtenir des données quantitatives sur les
formes des raies spectrales et notamment les paramètres d’élargissement collisionnel et leur dépendance
en température. Nous avons mis en évidence la nécessité de tenir compte des profils appropriés (profil de
Voigt dépendant des vitesses) pour interpréter correctement les données expérimentales.
V.2. Etude de processus multiphasiques d’intérêt environnemental par spectroscopie micro-
Raman et désorption laser / spectrométrie de masse
Ce projet, développé par l’équipe ANATRAC (Analyse de Traces) du Laboratoire PhLAM, se
propose d’étudier la physico-chimie hétérogène à l’interface glace - gaz traces d’intérêt atmosphérique,
notamment les mécanismes d’incorporation, de croissance et de diffusion à la surface et dans le volume
de la glace. Le projet a atteint aujourd’hui sa pleine maturité, avec plus d’une quinzaine de publications
parues ou en cours de parution. A la technique initiale (désorption laser résonnante couplée à l’ionisation
multi-photonique et à la spectrométrie de masse à temps de vol) se sont ajoutées d’autres méthodes

13
d’analyse, notamment la diffusion Raman, la diffraction de rayon X pour l’étude de la structure de la
glace, et plus récemment la spectrométrie de masse quadripolaire pour l’analyse de la phase gaz. Ces
opérations ont pu se dérouler également en collaboration avec des laboratoires locaux comme le LDSMM
pour la diffraction, le PC2A pour l’analyse de la phase gaz en infrarouge, l’équipe photonique du PhLAM
et le LASIR pour l’analyse Raman. Au niveau national, nous avons été soutenus par le Programme
National de Chimie Atmosphérique (PNCA, 2001-2004, 2005-2006). L’intérêt de la thématique se
confirme, puisqu’un nouveau projet pour la période 2007-2011 a été financé dans le cadre du nouveau
programme LEFE (Les Enveloppes Fluides et l'Environnement) de l’INSU. Nous pouvons mentionner
également que suite au développement de cette thématique l’équipe de chimie quantique théorique du
laboratoire PhLAM est venue se greffer sur ce sujet et nous a rejoint pour le nouveau projet LEFE. Axée
principalement dans sa phase d'émergence sur l'étude de la photodissociation de molécules d'hydrure
d'halogènes adsorbées sur une surface de glace, l’ activité théorique dans le domaine de la Photo-
Réactivité à la Surface de la Glace devrait être étendue à l’étude de la photodissociation d’autres
composés particulièrement actifs dans la chimie atmosphérique tels que NO
3
-,
Cl
2,
CFCl
3
, CH
3
Cl, CH
3
Br

et HOCl.
En parallèle, l’équipe poursuivra l’étude de la dynamique et de la réactivité à la surface de la glace
en l’absence de rayonnement. Les résultats seront comparés aux mesures de l’équipe ANATRAC du
PhLAM.
Au niveau scientifique, les faits les plus marquants ont été la mise en évidence du caractère
parfaitement résonnant de la désorption laser par excitation des modes de vibration O-H et C-H dans la
région spectrale autour de 3 µm. Un effet sélectif a été également mis en évidence pour la première fois
sur des échantillons cryogéniques binaires à base de glace. Par la technique micro-Raman, nous pouvons
maintenant suivre in-situ les changements de structure de la glace en présence de gaz traces d’intérêt
atmosphérique. L’équipe bénéficie maintenant d’une reconnaissance internationale dans ce domaine,
comme l’atteste la sollicitation récente de la NASA (Jet Propulsion Laboratory) pour participer à un
projet axé sur la faisabilité de la désorption laser IR de corps glacés (Europe, Titan etc.).
Au niveau des perspectives, ce projet bénéficiera du nouveau laser femtoseconde, disponible
depuis peu au laboratoire. Nous continuerons nos études (initiées à l’aide de lasers nanoseconde) sur les
mécanismes d’incorporation et de diffusion de molécules d’intérêt atmosphérique dans la glace. Ces
études seront également conduites en parallèle par la technique Raman, en bénéficiant d’un nouveau
dispositif expérimental en cours d’acquisition au laboratoire.



14
Effectif recherche participant à l'axe 1 « Caractérisation physico-chimique
et réactivité des polluants atmosphériques»
Au 1/10/2008
Enseignants Chercheurs Chercheurs ITA-IATOS
Laboratoire ou
équipe impliqué
Nom Grade Nom Grade Nom Grade

PC2A
V. Fevre-Nollet
MCF HDR
USTL
C.Schoemaecker CR CNRS L. Depelchin T EMD

L. Alleman MCF EMD B. Hanoune CR CNRS I. Fronval T EMD

P. Coddeville PR EMD C. Fittschen DR CNRS B. Herbin T EMD


JC. Galloo PR EMD M. Carteret Doctorant T. Leonardis T EMD


N. Locoge PR EMD L. Declerck Doctorant

B. Malet T EMD


JL. Harion PR EMD A. Blondel Doctorant

S. Sauvage IE EMD

E. Perdrix MCF EMD J. Roukos Doctorant

E. Tison IE EMD

H. Plaisance MCF EMD D.T. Tran Doctorant

A. Wroblewski IE EMD

A. Tomas MCF EMD C. Turpin Doctorant



F. Thévenet MCF EMD M. Verriele Doctorant



Y. Xiang Doctorant



E. Terrenoire ATER USTL

A. Parker
Post-
Doctorant


S. Carquigny Doctorant

A. Detournay Doctorant

C. Bettinelli Doctorant



E. Szabo Doctorant



C. Jain Doctorant



O. Debono Doctorant



M. Djehiche Doctorant




UCMS

M. Choël MCF USTL S. Sobanska CR CNRS M. Moreau IE CNRS
Equipe
Spectrochimie de
l’Environnement
J. Barbillat CR CNRS J. Laureyns IR CNRS


TVES
C. Norrant MCF USTL


PhLAM
F. Rohart PR USTL
Spectroscopie et
applications
S. Bailleux MCF USTL B. Lemoine CR CNRS

L. Margules MCF USTL J. Shrinsky Doctorant

P. Dréan MCF USTL

C. Focsa MCF USTL

M. Chazallon MCF USTL

M. Ziskind MCF USTL

T. Huet PR USTL

M. Goubet MCF USTL
Equipe
Physiscochimie
moléculaire
théorique
C. Toubin MCF USTL F. Réal ATER USTL

M. Monnerville MCF USTL L. Hormain Doctorante

B. Pouilly PR USTL

S. Briquez MCF USTL
Total
25 26 10


15
Axe 2

Aérosols


Conjointement aux polluants gazeux, les particules d’aérosols constituent une composante
majeure de la pollution atmosphérique. Leur impact sur la santé humaine ou les écosystèmes, ainsi que
leurs effets sur la chimie et la physique de l’atmosphère et le climat suscitent encore de nombreuses
questions. Les particules d’aérosols peuvent modifier le bilan radiatif en diffusant et/ou absorbant le
rayonnement solaire, influencer la formation des nuages et les précipitations, affecter l’abondance des
composés-traces de la troposphère par le biais de réactions chimiques hétérogènes et autres processus
multiphasiques. Parmi les sources d'aérosols de pollution, la source industrielle est sans aucun doute celle
qui a le moins bénéficié d'études intégrées à différentes échelles.

Les projets de l’axe « AEROSOLS » ont pour principaux objectifs d’une part, d’évaluer et de
modéliser les propriétés de l’aérosol et la structure des panaches industriels tant à l’échelle locale que
régionale et, d’autres part d’apporter des éléments de compréhension sur les processus physico-chimiques
fondamentaux (interactions avec le rayonnement, chimie homogène et hétérogène…) qui s'opèrent dans la
troposphère lors du transport de certains polluants gazeux en présence d'aérosols.
Deux études sont développées d’une part sur les interactions aérosols-rayonnement et leurs
impacts environnementaux, et d’autre part sur les interactions des composés organiques volatils oxygénés
(COVO) et des particules en zone urbano-industrielle. Elles se déroulent dans le cadre de collaborations
inter-établissements et inter-laboratoires (GIS IRENI - Axe Qualité de l’Air - Action Aérosols).

I. Etudes des interactions aérosols-rayonnement
Laboratoires impliqués : LOA, ICARE, GEOSYSTEMES
Dans ce domaine, les activités de recherche ont pour objet la surveillance de la composition de
l’atmosphère et la compréhension des processus qui la gouvernent. Elles s’organisent autour des quatre
objectifs scientifiques suivants:
I.1. Les aérosols et le système climatique
Depuis plusieurs années, les aérosols font l'objet d’études approfondies de la part de notre
communauté scientifique car ils modifient le bilan de rayonnement de la planète et doivent ainsi être pris
en compte dans les scénarios climatiques. En effet, les aérosols augmentent l’albédo pour la partie solaire
du spectre (effet « parasol ») et modifient les processus d'émission et d'absorption pour la partie
infrarouge. De plus, ils ont des effets indirects sur le rayonnement par la modification des propriétés des
nuages, avec des rétroactions complexes, et un impact sur le climat difficile à estimer précisément encore
actuellement. Les aérosols ont des origines multiples, anthropique ou naturelle ; ils sont générés à la
surface (soulèvements de poussières désertiques, embruns) ou résultent de transformations chimiques
(aérosols émis par la combustion des ressources fossiles et de la biomasse). Il est nécessaire de distinguer
leur origine si on désire estimer leur forçage radiatif.
L'amélioration de la connaissance du cycle des aérosols et de leurs propriétés à une échelle globale
requiert d’avoir recours à l’approche spatiale qui seule permet d’obtenir ces informations à cette échelle.
Nous nous intéressons principalement à la mission A-Train et aux instruments qui la composent,
PARASOL lancée fin 2004 par le CNES, et les instruments des missions CALIPSO, CLOUDSAT,
AURA et AQUA. En parallèle à ces missions pour lesquelles le LOA s’est fortement impliqué, nous nous
intéressons également aux missions MSG/SEVIRI et aux missions TOMS qui permettent également la
surveillance des aérosols avec chacune leur spécificité, MSG avec une répétitivité intéressante pour le
cycle diurne et TOMS avec une très longue couverture temporelle. ICARE apporte pour l’ensemble de ces
missions spatiales un soutien technique pour le développement de chaînes de traitement opérationnelles et
d’outils d’aide à l’exploitation des données. La modélisation joue aussi un rôle très important dans la
compréhension des processus climatiques et reste l’outil indispensable pour la quantification de leurs
effets, la télédétection fournissant des paramétrisations plus représentatives de la physique des processus
et permettant la confrontation des observations aux sorties de modèles.

16
I.2. Les aérosols : variabilités et tendance
Au cours du dernier quadriennal, les efforts du LOA ont permis, à travers la mise en place de
moyens de surveillance des aérosols depuis la surface (SO/ORE PHOTONS/AERONET), mais aussi
depuis l’espace (MODIS, PARASOL, CALIOP, SEVIRI, TOMS), le développement de bases de données
fiables, publiques, reconnues internationalement et très bien documentées permettant de connaître les
propriétés des aérosols afin d’étudier leur variabilité spatiale et leur évolution dans le temps. Cette phase
de mise en place n’est pas terminée et de nouvelles approches méthodologiques sont en cours de
développement, en particulier sur la synergie entre instruments au sol ou dans l’espace. Dans l’avenir, une
partie de notre activité s’orientera vers l’utilisation et l’analyse scientifiques de ces données « aérosols ».
Compte tenu de l’investissement réalisé et de l’expertise acquise au cours des grands projets nationaux,
européens et internationaux, mais aussi grâce à de nouvelles coopérations, plusieurs zones géographiques
feront l’objet de notre attention dans les années à venir. Il s’agira d’abord d’analyser les données aérosols
en Afrique, principalement de l’ouest et du nord, en prolongement naturel du programme d’étude de la
mousson africaine (AMMA). L’analyse des données aérosols sur l’Europe, en cours dans le projet
GEOMON, sera approfondie et l’étude de la zone Europe se verra déclinée d’une part vers le sud, avec en
particulier le bassin de la Méditerranée, mais aussi vers l’est en incluant la Russie. Enfin, l’analyse des
données aérosols au-dessus de l’Asie et plus particulièrement la Chine fait l’objet de plusieurs
collaborations avec le LOA.
L’atmosphère moyenne est bien entendu également un point fort de notre activité bien que son
contenu en aérosols soit particulièrement faible depuis plus d’une dizaine d’années étant donné l’absence
d’éruptions volcaniques majeures. Cette situation n’est en effet pas dénuée d’intérêt puisqu’elle permet
d’analyser les aérosols de fond qui, outre les particules liquides sulfatées, comportent des poussières
météoritiques et également des aérosols issus des feux de biomasse. Il s’agira donc de suivre l’évolution
de leurs concentrations respectives afin de permettre une évaluation de leur impact sur le bilan radiatif et
sur la chimie.
I.3. Les cycles de l’aérosol - Modélisation à l’échelle régionale et à l’échelle globale
Les aérosols interviennent dans le bilan radiatif selon différentes interactions avec le rayonnement
et les nuages. Les incertitudes sur l'estimation et le signe du forçage radiatif des aérosols sont dues, en
partie, au fait que les effets radiatifs dépendent des caractéristiques optiques et physico-chimiques des
aérosols, de leur altitude de transport, de leur distribution spatiale et temporelle, et de leur épaisseur
optique dans l'atmosphère, quantités qui sont très variables. Aussi, il est nécessaire de caractériser non
seulement les propriétés optiques des aérosols mais également leur cycle dans l'atmosphère. Par
conséquent, les études que nous proposons vont s'intéresser à l'identification et à la localisation des
sources d'émission des aérosols, à la caractérisation du transport (altitude), à l’épaisseur optique, et enfin
au mélange externe des aérosols au cours de ce transport. Ces études seront menées à l'aide des
observations satellitaires et in situ (et notamment grâce au jeu de données particulièrement substantiel de
la campagne AMMA et à celui qui sera acquis lors du projet ECOMED en Méditerranée) et à l’aide de la
modélisation inverse du transport à l’échelle globale ou régionale. Un des objectifs en termes de moyens
est de mettre en œuvre un couplage entre les observations satellitaires, les mesures
AERONET/PHOTONS et la modélisation, moyens disponibles au LOA.
I.4. Caractérisation et surveillance du transport des aérosols minéraux terrigènes
Les changements climatiques récents (dernières centaines de milliers d’années) ont été
accompagnés de variations importantes de la composition et de la circulation de l’atmosphère, comme
l’ont révélées les archives glaciaires antarctiques. Ces dernières ont notamment montré qu’il existait une
relation entre la quantité de particules transportées dans l’atmosphère à partir des régions arides (aérosol
minéral terrigène) et les autres variables climatiques enregistrées dans les glaces. Ces observations ont
ainsi mis en évidence l’intérêt de l’aérosol terrigène comme traceur des changements globaux dans les
archives paléoenvironnementales. Le lien étroit entre climat et quantité d’aérosol terrigène transporté dans
l’atmosphère suggère que cet aérosol pourrait également avoir un rôle rétroactif au cours de ces
changements. De multiples interactions directes et indirectes entre l’aérosol minéral terrigène et le

17
système climatique ont en effet récemment été mises en évidence, mais leur impact demeure cependant
encore très mal contraint.
Le LOA et l’UMR Géosystèmes de Lille 1 poursuivent des activités de recherche
complémentaires dans ce domaine. Une partie des activités du LOA a comme objectif la surveillance de
la composition de l’atmosphère et de l’aérosol terrigène en particulier, l’étude de l’impact de ce dernier
sur le système climatique actuel, et la détermination du cycle de cet aérosol (source-transport-dépôt).
Parallèlement, l’UMR Géosystèmes s’intéresse aux variations de ce cycle sur des périodes de temps
longues (dernières centaines de milliers d’années) en relation avec les variations climatiques grâce à
l’étude des archives paléoenvironnementales (carottes de sédiment marin en particulier).
Nos deux équipes ont donc récemment décidé d’additionner leurs compétences au sein du
programme international AMMA (African Monsoon Multidisciplinary Analysis), afin de contribuer à
mieux documenter, notamment par la mise en commun durable de matériel, le transport de l’aérosol
minéral actuel à partir du Sahara et du Sahel (qui représentent la plus grande source d’aérosol terrigène au
monde) dans le système de mousson ouest-africaine. Dans le contexte de ce programme, un observatoire
mis en place en 1996 par le LOA (en collaboration avec l’IRD) à Mbour sur la côte Atlantique du Sénégal
pour mesurer la quantité d’aérosol saharien dans l’atmosphère, a été complété en 2006 par un instrument
permettant de connaître l’altitude du transport des aérosols, ainsi que par un capteur des dépôts de ces
particules développé par Géosystèmes. Cette étude des dépôts actuels permettra non seulement de calibrer
les « proxies » minéralogiques et géochimiques étudiés dans les sédiments marins comme traceurs des
sources et des systèmes de transport, mais aussi de contribuer à la calibration des instruments de mesures
optiques atmosphériques du matériel éolien. Les données optiques obtenues par le LOA seront elles très
précieuses à l’équipe de Géosystèmes pour l’identification des systèmes de transport et des régions
sources lors des évènements de dépôt.
L’exploitation de la série temporelle en cours d’acquisition va faire l’objet d’une thèse qui
renforcera cette coopération à partir d’octobre 2008. Par ailleurs, un nouveau projet de collaboration est
prévu dans le cadre d’un programme d’étude de l’aérosol terrigène en cours d’élaboration en
Méditerranée (Charmex).

II. Etudes des impacts environnementaux
Laboratoires impliqués : LOA, ICARE
Au cours des dernières années, le LOA a participé à différents projets concernant l’étude de la
qualité de l’air et de ses impacts sanitaires (citons par exemple le projet régional IRENI, ou l’étude des
liens poussières-méningites dans le cadre d’AMMA). Le LOA s’est également impliqué dans des études
d’évaluation de la qualité de l’air en particules à partir des observations satellitaires de POLDER et
PARASOL. Enfin, le LOA s’est investi dans la mise en œuvre et le développement de mesures
d’éclairement UV (dans le cadre du réseau NDACC), d’ozone, d’aérosols et de photolyse
particulièrement importantes en terme d’évaluation des impacts environnementaux des gaz et des
particules. Nous souhaitons poursuivre un certain nombre de ces activités au cours de la période 2010-
2013, et y adjoindre notamment les développements d’ordre méthodologique pour l’analyse des mesures
de la mission spatiale TRAQ présélectionnée par l’ESA, ainsi que la réalisation de campagnes aéroportées
nécessaires à cette préparation.
La surveillance du rayonnement UV à la surface sera poursuivie et étudiée en relation avec les
variations temporelles de l’ozone (profil et colonne) ainsi qu’avec d’autres facteurs comme les variations
des aérosols (profil, épaisseur optique et absorption). Cette étude se fera notamment dans le cadre du
réseau NDACC et s’appuiera sur plusieurs sites multi-instrumentés (Villeneuve d’Ascq, Observatoire de
Haute Provence, la Réunion).
Le LOA compte maintenir son implication dans la composante « Climat- Santé» du programme
AMMA notamment en effectuant (i) une validation spécifique des observations satellitaires d’aérosols
disponibles au-dessus des zones désertiques d’Afrique de l’ouest par le biais des mesures sol
photométriques du réseau AERONET/PHOTONS, (ii) une étude statistique reliant les observations

18
satellitaires d’aérosols depuis l’espace aux données épidémiologiques de méningites fournies par l’OMS
sur le Mali, le Niger et le Burkina Faso.
La participation du LOA à l’institut de recherche en environnement industriel (IRENI) se
recentrera sur l’étude de l’impact radiatif de l’aérosol et de la structure des panaches. L’apport du
laboratoire s’appuiera sur un volet expérimental incluant des mesures optiques depuis le sol (radiomètre
UV-VIS, lidar UV-VIS, photomètre solaire), sur avion (polarimètre multispectral MICROPOL et
OSIRIS) et depuis l’espace (MODIS et POLDER). Nos objectifs seront (i) d’obtenir une modélisation des
propriétés optiques des particules en fonction de leur composition chimique mesurée par ailleurs, (ii)
d’évaluer leur impact sur le rayonnement et (iii) d’estimer la contribution du panache à la pollution
particulaire à l’échelle régionale.

III. Etude des interactions composés organiques volatils oxygénés et particules en zone urbano-
industrielle
Laboratoires impliqués : PC2A / Lille 1 et EMD, UCMS
L’influence des particules d’aérosols sur la chimie atmosphérique n’est plus à démontrer mais elle
reste encore trop peu connue. Les processus de chimie hétérogène sont complexes à appréhender in situ
car ils mettent en jeu de nombreux paramètres et des situations très variées. Il est nécessaire d’obtenir des
données de laboratoire où les conditions du milieu réactionnel pourront être maîtrisées et contrôlées. Les
perspectives s’inscrivent donc dans le cadre d’études expérimentales de chimie hétérogène sur des
systèmes modèles. Tout en tentant de simplifier la problématique, on se rapprochera le plus possible des
conditions réelles rencontrées dans l’atmosphère (troposphère principalement) afin que les données
expérimentales obtenues soient exploitables par la communauté des scientifiques travaillant sur les
modèles de chimie atmosphérique.
Les objectifs sont de déterminer :
- les paramètres cinétiques (constantes de vitesse, coefficient de capture notamment) de transfert des
polluants gazeux sur les surfaces des particules,
- les produits adsorbés et formés à l’interface et dans les deux phases (condensée et gazeuse),
- les mécanismes d'adsorption et réactionnels de surface à l'échelle de la particule individuelle,
- les rendements de formation en Aérosol Organique Secondaire (AOS) pour quelques composés
organiques modèles et les paramètres influençant ces rendements,
- la composition chimique de l’AOS,
- les effets du vieillissement des particules d’aérosols sur leur réactivité hétérogène.
Les thématiques développées dans ce domaine sont les suivantes :
III.1. Etude des interactions gaz-particules minérales d’aérosols d’intérêt atmosphérique :
vers une étude à l’échelle de la particule
Nous étudierons en laboratoire (réacteur, chambre de simulation) les interactions de particules
modèles (sulfates, carbonates) avec des polluants gazeux inorganiques (NO
x
, SO
y
, O
3
) et organiques
(COVO tels que le formaldéhyde, l’acétone, le méthanol, l’acide acétique,…). Les effets de la formation
de produit(s) secondaire(s) à la surface des particules sur la réactivité des COVO seront également
analysés. Les particules générées et transformées seront caractérisées par AFM, SEM-EDX, TEM,
Microspectrométrie Raman, ToF-SIMS, chimiométrie et imageries.
Afin de se rapprocher des conditions réelles atmosphériques, il s’agira d’étudier la réactivité entre
les gaz polluants et des particules modèles de tailles submicroniques. L’utilisation d’un SMPS (Scanning
Mobility Particule Sizer) permettra, à partir de la génération d’un spray, d’obtenir des particules dont le
nombre et la distribution en taille peuvent être connus. Un réacteur à écoulement sera développé pour
mettre en contact les particules et les gaz traces. En sortie de réacteur, un "dénudeur" séparera la phase
gaz de la phase particulaire. La phase gaz sera analysée par les techniques classiques telles que la
spectrométrie de masse, la spectroscopie IRTF et la chromatographie en phase gazeuse. Les éventuels
nouveaux composés formés en surface de la phase condensée seront identifiés par microspectrométrie
Raman, microscopie électronique analytique, AFM ou TOF-SIMS ou par chromatographie ionique après
passage en solution de la phase solide. Enfin il sera envisagé de coupler le réacteur à un Aerosol Mass

19
Spectrometer (AMS) qui fournira, en temps réel, la composition chimique des particules d’aérosols ce qui
supprimera ainsi tous les problèmes liés au prélèvement des particules.
L’étude de la réactivité hétérogène entre des particules minérales et les radicaux OH/HO
2
sera
mise en oeuvre. Ces radicaux sont à la base des phénomènes d’oxydation atmosphérique et peu de
données sont disponibles sur leur réactivité avec des particules d’aérosols. Les radicaux seront générés
par photolyse ou par décharge microonde et ils seront détectés par Fluorescence Induite par Laser (FIL)
ou par la technique FAGE. Ces techniques seront couplées avec le réacteur à écoulement dans lequel les
radicaux réagiront avec les particules d’aérosols.
Nous envisageons d’étudier la réactivité des aérosols minéraux en présence de gaz trace et leur
propriété d’hygroscopicité à l’échelle de la particule individuelle. D’une part des expérimentations sur
des micro et nano particules impactées en condition in situ seront effectuées par AFM,
microspectrométrie Raman et microscopie électronique environnementale analytique. D’autre part, un
nouveau dispositif de mise en lévitation couplé à la microspectrométrie Raman et de fluorescence
permettra d’étudier une particule dans son milieu réactif.
III.2. Etude de la formation de l’Aérosol Organique Secondaire (AOS)
Ces études concernent les processus conduisant à la formation des particules fines atmosphériques
lors de réactions de conversion gaz / particules. Les composés organiques volatils présents dans
l’atmosphère sont en effet susceptibles de réagir avec les oxydants du milieu, dont l’ozone, pour former
des aérosols organiques secondaires (AOS) dans des conditions mal élucidées à ce jour. Par ailleurs, les
conditions expérimentales (température, humidité relative, présence ou non de particules dans le milieu)
influent fortement sur la variabilité des résultats obtenus par les travaux précédents et rendent difficiles
leur comparaison et leur interprétation.
L’objectif sera d’étudier la réactivité de composés terpéniques formant des AOS par ozonolyse,
afin d’acquérir une meilleure compréhension des mécanismes de formation des AOS en atmosphère
simulée.
Les moyens analytiques tels que l’AMS permettront par ailleurs de mesurer en ligne la
composition chimique des aérosols produits en fonction de leur granulométrie, ceci dans un domaine de
taille correspondant aux particules fines voire ultrafines. La spécification de la nature chimique des
aérosols et celle de leur cinétique d’accroissement dès leur formation, constitueront de précieuses données
pour mieux appréhender les mécanismes de transition entre pollution gazeuse et pollution particulaire.


20
Effectif recherche participant à l’axe 2 « Aérosols »
Au 1/10/2008
Enseignants Chercheurs Chercheurs ITA - IATOS
Laboratoire
Nom Grade Nom Grade Nom Grade
LOA


C. Brogniez PR USTL O. Boucher
DR CNRS
(détachement)
L. Blarel
IE/CNRS
(PHOTONS)

J.-L. Deuzé PR USTL O. Dubovik DR CNRS T. Podvin
IE/CNRS
(PHOTONS)

Ph. Goloub PR USTL D. Tanré DR CNRS

M. Herman PREM USTL I. Chiapello CR CNRS

M. Legrand PR USTL Y. Derimian Post-doctorant

J. Lenoble PREM USTL Z. Li CDD CNRS

B. Bonnel MCF USTL F. Waquet Post-doctorant

H. Herbin MCF USTL N. Boyouk Doctorante

I. Jankowiak MCF USTL J. Letertre Doctorante

F. Minvielle MCF USTL X. Su Doctorant


ICARE
J. Descloitres IR CNRS

J.M. Nicolas IR USTL

B. Six IR USTL

S. Neut IR CDD

A. Vermeulen IR CDD

N. Henriot IR CDI

L. Focsa IE CNRS

N. Pascal IE CDD

J. Manley IE CDD

G. Letessier IE CDD


GEOSYSTEMES
A. Bory MCF USTL V. Bout CR CNRS L. Debauvais TECH USTL

Ph. Recourt IE USTL


PC2A
D. Petitprez PR USTL S. Solaro Doctorante S. Gosselin TECH USTL

N. Visez MCFUSTL R. Ciuraru Doctorante

F. Louis
MCF HDR
USTL
M. Duncianu Doctorant

V. Riffault MCF EMD G. Mirivel Doctorant

A. Tomas MCF EMD


UCMS

M. Choël MCF USTL J. Barbillat CR CNRS M. Moreau IE CNRS
Equipe
Spectrochimie de
l’Environnement
S. Sobanska CR CNRS J. Laureyns IR CNRS

S. Scolaro Doctorante
Total
17 17 17



21
Axe 3

Nuages et cycle de l’eau


Les nuages sont un important facteur de modulation du bilan d’énergie radiative de la planète et
une composante essentielle de son cycle hydrologique. En effet ce sont principalement les échanges
d'énergie radiative qui constituent le moteur climatique et plus que n'importe quel autre composant du
système climatique, les nuages affectent le flux d'énergie à l'intérieur de l'atmosphère et à la surface
terrestre. Les nuages réfléchissent vers l'espace une partie du rayonnement solaire alors indisponible pour
la surface. L'influence des nuages s'étend à la partie infrarouge thermique du spectre électromagnétique,
où ils contribuent de façon importante à l'effet de serre naturel.
Les propriétés macrophysiques, microphysiques, optiques des nuages (altitude, température,
épaisseur géométrique et optique, contenu en eau, phase thermodynamique, taille et forme des particules
qui les composent) et leurs variations dans le temps et l’espace doivent donc être maîtrisées si l’on veut
améliorer la représentation de la circulation générale atmosphérique et les modèles de prévision du temps
et du climat (AR4 du GIEC, 2007).
Les limitations les plus évidentes de l'actuelle représentation des nuages dans les modèles de
prévision sont, sans doute, le formalisme usuel de nuage "plan-parallèle homogène" et la méconnaissance
de la microphysique dans les nuages de glace. L'étude de ces limitations est au cœur des activités qui sont
affichées dans l’axe « Nuages et cycle de l'eau ». L’approche proposée est largement basée sur
l'utilisation de mesures satellitaires et aéroportées. La distribution spatiale et journalière des propriétés des
nuages est un paramètre clé et les données satellitaires représentent en effet le meilleur outil pour les
observer et les analyser à l’échelle globale.
Les projets de l’axe 3 ont pour principaux objectifs d’une part, d’améliorer la représentation des
nuages et de leurs interactions avec le rayonnement, d’autre part de documenter les propriétés des nuages,
à diverses échelles spatiales, afin de mieux appréhender leurs variabilités dans le climat actuel et leurs
évolutions dans le climat futur.

I. Transfert du rayonnement en milieu homogène et hétérogène
Laboratoires impliqués : LOA, ICARE
Le transfert du rayonnement dans l’atmosphère est un sujet d’importance car, d’une part, le
rayonnement reçu ou émis gouverne le système climatique de notre planète et, d’autre part, c’est par son
intermédiaire que s’effectue la télédétection. Les performances des capteurs actuels, qu’ils soient passifs
(radiomètres, spectromètres) ou actifs (radar, lidar), permettent d’obtenir des mesures de haute précision.
De plus, les récentes missions spatiales, telles que A-Train ou ENVISAT, font apparaître une forte
synergie entre les instruments, nécessitant une analyse conjointe de mesures (i) dans plusieurs gammes de
longueur d’onde, (ii) de différentes natures (polarisées, totales), (iii) incluant éventuellement la
multidirectionnalité. Il est donc nécessaire de disposer d’une modélisation précise et adaptée du transfert
radiatif (TR), afin de calculer les flux radiatifs et les luminances pour des atmosphères supposées planes
et homogènes ou pour des milieux plus réalistes prenant en compte les variabilités nuageuses et une
microphysique complexe. Cette modélisation est essentielle pour l’interprétation des mesures actuelles, la
conception des futurs instruments ou algorithmes d’inversion et la quantification des forçages radiatifs à
l’échelle locale ou globale.
En milieu homogène, les points suivants seront abordés afin d’améliorer les codes de transfert
radiatifs existants :
- modélisation à haute résolution spectrale,
- codes de transfert radiatif rapides
- modèles adjoints pour le transfert radiatif
- calcul des forçages radiatifs
Au LOA, nous développons et disposons de codes de TR permettant d'intégrer une atmosphère à
trois dimensions (3D). Ces codes sont utilisés :
- pour déterminer les limites de l'hypothèse du nuage homogène, plan-parallèle et infini (hypothèse
1D) ;

22
- pour rechercher des paramétrisations du TR :
- pour développer de nouveaux algorithmes d'inversion des propriétés nuageuses prenant en compte
l'hétérogénéité des nuages.

Le développement des deux premiers codes va se poursuivre dans les prochaines années avec pour
objectif de les rendre plus complets mais aussi plus rapides. En effet, le principal inconvénient de ces
codes de TR 3D concerne les temps de calcul qui peuvent atteindre plusieurs jours. Nous chercherons
donc à exploiter toute opportunité nous permettant d'accélérer ces codes de transfert radiatif.

Les recherches vont être poursuivies également afin de caractériser au mieux les propriétés
optiques et radiatives des cristaux de glace dans les nuages hauts. Nous proposons une approche couplant
les développements théoriques et la validation via des campagnes de mesure.
Enfin, il est envisagé de créer, au sein de l’équipe, un pôle d’activité dédié au développement, à la
maintenance et à la mise à disposition de codes de transfert radiatif pour la communauté scientifique.

II. Observations et caractérisation des propriétés nuageuses à l’échelle globale : Impact sur le bilan
radiatif de la terre
Laboratoires impliqués : LOA, ICARE
La télédétection spatiale est, avec la modélisation, une composante majeure dans l'effort mené
pour mieux appréhender les différentes rétroactions climatiques liées aux nuages, à la vapeur d'eau et aux
aérosols. Les chercheurs du LOA et les ingénieurs d’ICARE sont depuis plusieurs années fortement
impliqués dans l'exploitation de mesures satellitaires et la validation des produits dérivés, notamment
pour les différentes missions POLDER et plus récemment pour les missions A-Train et SEVIRI sur
Météosat Seconde Génération (MSG) Différentes méthodologies ont été développées permettant de
restituer des propriétés microphysiques (phase, forme/taille de particules), macrophysiques (fraction
nuageuse, altitude) et radiatives (albédo) de la couverture nuageuse. Les études plus récentes réalisées
dans le cadre de l'A-Train nous ont également permis de mieux comprendre les produits restitués à partir
de différents capteurs, de valider certaines des méthodologies et de mettre en évidence l'intérêt de certains
couplages instrumentaux. Les pistes de développements méthodologiques que nous poursuivrons dans la
continuité de ces études sont de trois types :
(i) le développement de nouvelles méthodes d'inversion ou la détermination de nouveaux paramètres ;
(ii) l'étude des complémentarités et des synergies entre différents capteurs passifs et/ou actifs ;
(iii) la valorisation de l'expertise acquise grâce aux missions de recherche à travers l'exploitation des
observations de satellites opérationnels.
Les deux premiers points seront traités dans le cadre de l'expérience A-Train et le troisième sera
abordé à partir des observations SEVIRI/MSG. Enfin, le travail de valorisation et d'exploitation
géophysique des produits nuages issus de la mission POLDER3/PARASOL sera poursuivi notamment à
travers les exercices d'intercomparaison de climatologies nuageuses menées dans le cadre du projet
international GEWEX du Programme Mondial de Recherche sur le Climat.

III. Etude des structures nuageuses tridimensionnelles
Laboratoires impliqués : LOA, ICARE
Les systèmes nuageux précipitants ou non, présentent des variabilités horizontales, verticales et
temporelles de leurs propriétés très importantes. Pour des raisons de simplicité de modélisation, de temps
de calcul, ou de résolution spatiale dégradée, ces structures sont en général sommairement représentées.
Cependant, leurs effets peuvent être d'une grande importance. C'est le cas pour le calcul direct des
quantités radiatives dans les modèles atmosphériques (de moyenne échelle de type ‘Cloud Resolving
Model’, ou de grande échelle de type GCM) ou lors de la restitution des propriétés optiques des nuages à
partir de mesures de télédétection. Le travail que nous proposons, vise d'une part à étudier, comprendre et
quantifier les effets des variabilités des systèmes nuageux sur le calcul de quantités atmosphériques
importantes telles que le forçage radiatif des nuages, les taux d'échauffement dans l'atmosphère ou les
propriétés restitués par télédétection. Il vise d'autre part à améliorer nos connaissances sur la structure

23
tridimensionnelle des nuages et des systèmes précipitants. Les précipitations sont une composante
essentielle du cycle de l'eau atmosphérique. Notamment, les précipitations intenses associées aux
événements convectifs extrêmes, tels que les tornades, les orages et les lignes de grains tropicales, sont
responsables d'épisodes d'inondations catastrophiques sur les plans matériel et humain. De surcroît, ces
événements violents constituent une préoccupation météorologique pour l'aviation civile.

Nous nous intéresserons aux effets des structures et variabilités nuageuses sur les quantités
radiatives, pour des gammes de longueurs d'onde s’étendant du domaine solaire au thermique. Une
première partie concernera l'analyse des effets des hétérogénéités nuageuses sur les processus radiatifs.
Les deux parties suivantes seront davantage orientées vers le contenu en information de mesures par
télédétection passive.
Nos objectifs concernent :
(i) la détermination des limites et des erreurs induites par l'utilisation du modèle de nuage 1D, aussi
bien pour le calcul des quantités radiatives que pour la restitution des paramètres nuageux ;
(ii) l'utilisation des mesures disponibles pour l'étude des nuages et de leurs structures
tridimensionnelles. Ces études seront menées en utilisant les codes de transfert radiatif 3D développés au
LOA.
(iii) l'acquisition de nouvelles mesures pouvant compléter les observations déjà disponibles et/ou servir
à définir les spécifications de nouvelles missions spatiales.

Afin de caractériser les systèmes convectifs intenses, nous tenterons d’établir, à l'aide de données
radar, une climatologie statistique des événements météorologiques intenses. En tirant profit de la bonne
résolution selon la verticale du radar spatial CLOUDSAT et de la bonne résolution selon un plan
horizontal des radars sol ou embarqués sur des avions, nous espérons obtenir une description
tridimensionnelle détaillée des systèmes convectifs intenses.
Dans le contexte d’étude des systèmes précipitants, la participation à la mission spatiale internationale
Megha-Tropiques (MT) et à la composante HYMEX (Hydrological Mediterranean Experiment) du
chantier ECOMED de l’INSU constitueront de réelles opportunités.


24
Effectif recherche participant à l’axe 3 « Nuages et cycle de l’eau »
Au 1/10/2008
Enseignants Chercheurs Chercheurs ITA - IATOS
Laboratoire ou
équipe impliqué
Nom Grade Nom Grade Nom Grade
LOA
G. Brogniez PR USTL A. Holdak
CDD
CNRS


P. Dubuisson PR USTL S. Zeng Doctorant

F. Parol PR USTL

B. Bonnel MCF USTL

C. Cornet MCF USTL

M. Doutriaux-Boucher
MCF USTL
(détachement)


N. Ferlay MCF USTL

L. C.-Labonnote MCF USTL

O. Pujol MCF USTL

J. Riedi MCF USTL

C. Vanbauce MCF USTL


ICARE
J. Descloitres IR CNRS

J.M. Nicolas IR USTL

B. Six IR USTL

S. Neut IR CDD

A. Vermeulen IR CDD

N. Henriot IR CDI

L. Focsa IE CNRS

N. Pascal IE CDD

J. Manley IE CDD

G. Letessier IE CDD


Total
11 2 10

25
Axe 4

Remédiation des polluants atmosphériques


Le programme de l’axe « Remédiation des polluants atmosphériques » constitue une contribution
à la réduction des polluants d’origine industrielle et véhiculaires émis dans l’atmosphère. Le programme
de recherche est directement intégré dans le contexte des accords internationaux (Protocole de Kyoto,
directives européennes, Protocole de Göteborg, Protocole d’Arhus). Il s’inscrit tout naturellement dans les
objectifs de la loi du 30 décembre 1996 sur l’air et l’utilisation rationnelle de l’énergie, ainsi que dans
ceux du plan régional de la qualité de l’air (PRQA).
Les objectifs de l’axe de recherche concernent les problématiques environnementales liées aux
mécanismes de formation et/ou de destruction de polluants, tels que les oxydes d’azote (NOx), les
Composés Organiques Volatils (COV), les particules, les suies et les Hydrocarbures Aromatiques
Polycycliques (HAP) … émis par les sources mobiles (véhicules automobiles, aéronautique) et fixes
(brûleurs, incinération, réacteur nucléaire).
Au niveau expérimental, elles impliquent un développement très important de techniques de
diagnostics laser, et leur couplage in-situ avec des méthodes intrusives spectroscopiques et
chromatographiques. Des études expérimentales de procédés de dégradation ou de formation de polluants
dans des flammes sont développées et fortement connectées à la modélisation cinétique pour décrire les
mécanismes détaillés de combustion mis en jeu, l’objectif final étant d’évaluer les procédés de
remédiation proposées dans des conditions proches de celles des procédés industriels.

En ce qui concerne les mécanismes chimiques, les objectifs concernent (1) la chimie de formation
et de recombustion des NOx (2) celle des HAP et des particules ou suies et (3) la combustion de différents
combustibles solides, liquides ou gazeux : carburants enrichis en hydrogène, carburants synthétiques
automobiles, biocarburants, biomasse, charbon,…

I. Développement de diagnostics d’espèces chimiques dans les systèmes réactifs
Laboratoire impliqué : PC2A : Lille 1 / EMD
Dans ce domaine les techniques de diagnostic laser suivantes seront mises en œuvre :
- La détection quantitative de suies et d’Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) par couplage
Incandescence Induite par Laser (LII)-Cavity Ring-Down Spectroscopy (CRDS) sera étendue à d’autres
domaines de longueur d’onde, notamment l’UV. Parallèlement à ces développements fondamentaux,
l’accent sera mis sur des actions de métrologie de suies dans des foyers de combustion réalistes ou à
l’émission de ces foyers. Le développement d’un dispositif transportable de détection de particule de
suies à distance est prévu. Des mesures couplées de distribution de fractions volumiques de suies et du
champ de vitesse par Particle Image Velocimetry sont prévues dans un brûleur 40kW au kérosène, dans le
cadre d’un projet du 7éPCRD (STREP APTIA) avec le Laboratoire de Mécanique de Lille (LML-UMR
8107).
- La détection quantitative de HAP par Fluorescence Induite par Laser (FIL) en jet froid sera étendue à
des isomères (pyrène, fluoranthène) non distinguables par spectrométrie de masse, et aux espèces HAP
identifiées à la surface des particules de suies.
- La technique Cavity Ring-Down Spectroscopy (CRDS) sera exploitée pour la détection quantitative
d’espèces minoritaires formées dans les flammes. On s’attachera essentiellement à l’analyse des polluants
minoritaires (par exemple NO) ainsi qu’aux espèces radicalaires précurseurs de ces polluants (par
exemple NCN, NCO) in situ dans la flamme ou après prélèvement par microsonde
- La mesure de température par fluorescence atomique de l’indium sera développée dans le cadre d’une
collaboration initiée avec l’Université de Cambridge. Cette technique sera mise en œuvre dans des
flammes suitées pour lesquelles les techniques traditionnelles par thermocouple ou par fluorescence OH
ou NO sont très difficiles.


26
II. Procédés propres : réduction des émissions liées aux sources fixes industrielles
Laboratoires impliqués : PC2A : Lille 1 / EMD, PhLAM
Dans cet axe l’objectif est de comprendre les mécanismes de formation et de destruction des
oxydes d’azote, des HAP et des suies pour mieux contrôler leurs émissions et notamment pour les réduire.
Des études sur la valorisation de combustibles alternatifs moins « polluants » (mélanges gaz naturel-
hydrogène, charbon-biomasse) sont également entreprises. Ces études sont soutenues par le GIS IRENI -
Axe Qualité de l’air - Action Remédiation.
II.1. Remédiation des oxydes d’azote
Deux projets sur la formation du prompt-NO et sur la recombustion avancée sont mis en œuvre.
La structure du mécanisme chimique du NO précoce a récemment été remise en question par la
découverte des produits de la réaction d’initiation de ce mécanisme à savoir N
2
+ CH = NCN + H.
Compte-tenu du savoir faire du PC2A en spectroscopie, un effort important a été entrepris avec succès
afin de mesurer quantitativement pour la 1
ère
fois l’espèce clé du mécanisme : NCN. La méthodologie,
basée sur un couplage LIF/CRDS, sera étendue aux autres espèces polyatomiques du mécanisme (NCO)
pour obtenir une base de données unique. Ce projet sera soutenu pour quatre ans par le programme de
l’ANR Blanche 2008 (NO-Mecha).
La Recombustion Avancée consiste à associer la Recombustion (Reburning) et la Réduction
Sélective Non Catalytique (RSNC) pour améliorer les procédés de réduction des oxydes d’azote. Les
objectifs des études sont d’une part l’analyse de l’efficacité, sur la réduction des NOx, de différents
agents réducteurs en fonction de leur nature et de leurs propriétés (méthodes de réduction secondaires) et
d’autre part une meilleure compréhension du rôle joué par les principaux paramètres de fonctionnement
du procédé sur le rendement de dénitrification (méthodes de réduction primaires). Dans le cas de la
Recombustion, les études ont été principalement axées sur l’ajout de méthane, représentatif du gaz
naturel. En ce qui concerne la Réduction Sélective Non Catalytique, l’efficacité de l’ammoniac(que)
(gazeux et aqueux) et de l’urée sera analysée. Parmi les paramètres de fonctionnement, la température des
gaz, le temps de séjour, la quantité de NOx initiale ainsi que la quantité d’agent réducteur injectée jouent
un rôle prépondérant dans les procédés de dénitrification. Le programme de recherche associe une étude
expérimentale en réacteur semi-pilote à une étude par modélisation (prenant en compte la mécanique des
fluides et la cinétique chimique).
L’objectif à terme est de disposer d’un outil prédictif capable de reproduire le procédé de
dénitrification par Recombustion Avancée pour notamment prévoir les émissions éventuelles de polluants
résiduels (NOx, CO, CO
2
, excès d’ammoniac et de méthane,…) en fonction de ses paramètres de
fonctionnement.
II.2. Formation et dégradation des hydrocarbures aromatiques polycycliques et des suies
Les mécanismes développés précédemment au PC2A serviront de base à la modélisation cinétique
de formation des HAP et des suies dans des flammes. L’accent sera mis à court terme sur l’introduction
d’un module permettant de modéliser les différentes étapes de la formation des HAP lourds. A moyen
terme, la validation sera étendue à la formation (phénomènes physiques) des particules des suies
(nucléation, coagulation, agglomération). La méthode DSM (Discrete Method Section) développée par
Pope et Howard en 1997 sera implantée pour décrire la dynamique particulaire de formation des suies
sous une forme appropriée à la combinaison avec un modèle cinétique détaillé des réactions en phase
gazeuse. En retenant une modélisation simultanée de la phase gazeuse et des particules de suies
"Simultaneous Particle And Molecule Modeling", un effort important sera fourni pour définir des classes
de particules, communément nommées BINS. Il conviendra en particulier de résoudre la problématique
du rapport C/H à assigner à chaque BIN. Après cette étape, il sera possible d’incorporer aux mécanismes
cinétiques détaillés, décrits précédemment, le modèle de suies simplement en ajoutant de nouvelles
espèces (les BINS) et les nouvelles réactions correspondantes.

27

II.3. Valorisation de mélanges gaz naturel/hydrogène
En partenariat avec Gaz de France et la Région Nord - Pas de Calais, des travaux ont permis de
contrôler l’influence, sur la distribution des espèces chimiques produites par des flammes gaz naturel avec
et sans hydrogène, de trois paramètres : la pression, la richesse et la proportion d’hydrogène présent dans
le mélange initial. Nous avons également complété ces études par des mesures de délais
d’autoinflammation de ces mélanges en machine à compression rapide afin de mieux guider Gaz De
France dans son projet de démonstration de véhicules opérant avec 80% de gaz naturel et 20%
d’hydrogène, notamment à Dunkerque. Ces données expérimentales ont été utilisées pour valider et
évaluer l’aptitude du mécanisme GDF-Kin® à rendre compte de la substitution de l’hydrogène à une
partie du gaz naturel.
De nouvelles études devraient permettre de mieux cerner le rôle de l’hydrogène dans la réduction
des émissions indésirables, notamment les HAP et les particules de suies. Il s’agira de quantifier les HAP
par chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse. Un nouveau dispositif
d’analyse par chromatographie en phase liquide sera développé pour doser les HAP très lourds après
extraction par un solvant approprié. La fraction volumique des suies pourra être mesurée en couplant les
techniques de diagnostic laser LII et CRDS.
Ces études seront complétées par la mesure des oxydes d’azote afin de mieux apprécier le rôle
réducteur de la présence de l’hydrogène sur les émissions polluantes. Les mesures seront réalisées par FIL
et CRDS, et analysées sur le plan cinétique avec le mécanisme en cours d’élaboration incluant les
nouvelles voies de formation de NO (via NCN).

II.4. Combustion polyphasique de solides divisés dans des flammes industrielles
Deux études seront entreprises dans des flammes industrielles, d’une part sur la co-combustion de
mélanges charbon/biomasse pulvérisés et d’autre part sur la combustion de solides broyés.
Pour produire de l’énergie, la co-combustion charbon pulvérisé/biomasse est une solution pour
limiter les émissions de gaz à effet de serre. Un système d’injection de particules solides permettra la
stabilisation de flammes de mélanges charbon/biomasse. Les techniques de diagnostics laser, développées
au PC2A, seront utilisées pour la première fois dans ces flammes, ce qui devrait apporter des données
inédites dans ce domaine. Le flux de combustible solide pourra être confronté à un système d’imagerie
original développé par l’Université du Kent. Les émissions de gaz tels que O
2
, CO, CO
2
, NO
x
et SO
x

seront suivies en temps réel. Ces données seront essentielles pour valider les modèles numériques
(associant mécanique des fluides et cinétique chimique) pour proposer des solutions à l’échelle de la
production industrielle d’énergie. Une collaboration est envisagée avec VEOLIA Environnement sur
l’optimisation énergétique et environnementale de la co-combustion biomasse/charbon dans des grandes
centrales à charbon. Par ailleurs, des études d’oxycombustion ou de combustion en air enrichi en oxygène
seront initiées. Ces différents travaux sont également soutenus par le GIS IRENI.
A la différence des combustibles pulvérisés, les combustibles broyés sont brûlés généralement en
lit fixe ou mobile. Nous envisageons de poursuivre les mesures avancées in situ dans une chaudière
industrielle à bois broyé, en collaboration avec Veolia Environnement, pour améliorer la prédiction du
comportement de ce type de foyer par modélisation. Nous étudierons également les caractéristiques, le
comportement et le devenir des polluants gazeux et particulaires émis, en particulier dans les systèmes
d’abattement de polluants sur site industriel, en collaboration avec la société MAGUIN SAS. Ce travail
sera mené dans le cadre du GIS IRENI.

II.5. Réduction des émissions polluantes des sources industrielles: technologies de rupture
par voie hydrate pour le stockage et le captage de CO
2

Il s’agit du développement d’un procédé de rupture, pour la capture du CO
2
, sur un principe de
piégeage par hydrates de gaz. Le principe est basé sur un phénomène réversible où l'eau et le gaz sous
pression se combinent pour former un solide. L'eau se solidifie pour former un réseau absorbant dans
lequel la séparation se produit entre une phase gaz libre et une phase gaz piégée. Deux études
préliminaires ont montré la validité économique du concept. Le projet SECOHYA (ANR) est porteur de

28
la deuxième phase du développement du procédé en constituant une base de données expérimentales en