Formation and ageing of aerosols : impact of heterogeneous photochemistry

Les interfaces sont omniprésentes dans l'environnement et, de plus, de nombreux processus atmosphériques clés, comme les dépôts de gaz, la formation d'aérosol et de nuages, sont, à un stade ou à un autre, fortement touchés par les processus physiques et chimiques qui se produisent aux interfaces. Malheureusement, ces réactions hétérogènes ne sont pas entièrement comprises à ce jour et limitent notre capacité à simuler et quantifier l’impact des aérosols du fait de grandes incertitudes quant à leur formation et leur évolution dans la troposphère. Ce travail de thèse se propose donc d’améliorer nos connaissances sur les réactions photochimiques aux interfaces air/liquide afin d’obtenir une compréhension fondamentale des processus sous-jacents, ce qui pourrait être crucial pour l'évaluation de leurs impacts atmosphériques. Premièrement la réactivité de l’acide stéarique à l’interface air/eau sous irradiation a été étudiée dans différentes matrices grâce un outil très sensible, la balance de Langmuir. Nous avons observé la dégradation des monocouches d’acide stéarique sous irradiation et ce, même en l’absence de photosensibilisateur. Les expériences réalisées avec des monocouches dans différents états de surface indiquent que la pression de surface exerce une influence sur cette réactivité. Le couplage APCI-Orbitrap a été utilisé pour détecter et identifier des composés halogénés produits à partir d’une solution irradiée contenant un photosensibilisateur à savoir l’acide 4-benzoylbenzoïque. Les effets de l’octanol comme surfactant et de l’acide citrique comme donneur de protons sur ces réactions photosensibilisées ont également été examinés. De plus, la formation d’aérosols secondaires et leur vieillissement en milieu marin (au Cap-Vert) ont été étudiés sous différents aspects. Les expériences démontrent clairement l’existence de processus photosensibilisés à l’interface air/mer en tant que source d’aérosols secondaires marins. Pour finir, des travaux sur la photochimie de la matière organique issue de phytoplanctons ont permis de récolter des informations sur leur réactivité dans la phase liquide. Globalement, les résultats obtenus durant cette thèse montrent que la photochimie étudiée ici peut avoir une incidence importante sur la microcouche superficielle des océans et, par extension, sur les aérosols marinsInterfaces are ubiquitous in the environment, and in addition many key atmospheric processes, such as gas deposition, aerosol and cloud formation are, at one stage or the other, strongly affected by physical and chemical processes occurring at interfaces. Unfortunately, these heterogeneous reactions are not fully understood to date and limit our ability to simulate and quantify the impact of aerosols due to large uncertainties in their formation and their evolution in the troposphere. This thesis aims to improve our knowledge about photochemical reactions at the air/liquid interfaces, which could be crucial for the assessment of their atmospheric impacts. Firstly, the reactivity of stearic acid at the air/water interface under irradiation was studied in different matrices thanks to a very sensitive tool, the Langmuir trough. We observed that monolayers of stearic acid undergo degradation under irradiation, even in the absence of photosensitizers. Experiments with monolayers in different surface states indicate that surface pressure influences this reactivity. APCI-Orbitrap coupling was used to detect and identify halogenated compounds produced from an irradiated solution containing a photosensitizer, 4-benzoylbenzoic acid. The effects of octanol as a surfactant and citric acid as a proton donor on these photosensitized reactions were also examined. In addition, the formation of secondary aerosols and their aging in the marine environment (at Cape-Verde) were studied in different conditions. The experiments clearly demonstrate the existence of photosensitized processes at the air/sea interface as a source of marine secondary aerosols. Finally, work on the photochemistry of organic matter from phytoplanktons gave information on their reactivity in the liquid phase. Overall, the results obtained during this thesis show that the photochemistry studied here can have a significant impact on the superficial microlayer of the oceans and, by extension, on marine aerosol