Hétérogénéité chimique des particules atmosphériques en milieu urbano-industriel lors des évènements de pollution

This thesis aims at improving our knowledge of the near and distant sources controlling the exceedance of the regulatory thresholds of air quality, as detected by the air quality monitoring networks, at the strongly industrialized and urban site of Great Dunkirk Area (GDA). This appreciation is notably based on the calculation of a mixing state index of the particles, taking into account the heterogeneity of their elementary composition, this one being related to their residence time in the atmosphere and the distance between the sources and the studied receptor site. To do that, it was firstly necessary to develop a time resolved cascade impactor with high temporal resolution, named "TRAPS", which answered the need to follow the rapid changes observed within the atmospheric particles during pollution episodes. Coupled with a particle size analyser and after individual analysis of the collected particles by electron microscopy (SEM-EDX), TRAPS allows to report the physicochemical evolution of atmospheric particles over time. In the first part of this thesis, laboratory experiments and a field campaign allowed to validate our prototype, to report the dynamics of particle deposition on the impaction stages and to verify the cut-off diameters of the coarse and fine stages of TRAPS, determined respectively at 1.32µm and 0.13µm. A statistical study of PM₁₀ pollution episodes occuring over the GDA was then carried out over 3 years, between 2018 and 2020. It allowed us to identify 12 main types of episodes based on their spatial extent, but also on the local conditions of pollutant dispersion. We were able to identify local episodes and regional episodes observed, either in stationary or dispersive atmospheric conditions. While 78% of the PM₁₀ exceedance days correspond to local episodes, the remaining 22% correspond to pollution plumes with at least a regional extent, with an equal proportion of exceedance days in dispersion and stationary conditions. Except for very localized episodes, a detailed study of these pollutions episodes shows the systematic presence of a period of pollutant accumulation, of about 10 hours, characterized by an important contribution of fine particles (PM₂.₅) except for episodes of limited spatial coverage. The last part of this work consisted in the study of the composition and mixing state of the individual particles collected during pollution events in the GDA in 2021. The campaign allowed the sampling and characterization of 5 pollution episodes, during which TRAPS was deployed in parallel with other instruments providing complementary information on aerosol granulometry, or atmospheric dynamics. Nearly 28000 individual particles were characterized by SEM-EDX. With more than 90% of the samples associated with values of the mixing state index higher than 0.5, it can be said that the particles collected in the GDA during pollution episodes are in general of very heterogeneous composition at the particle scale (internal mixing). Nevertheless, the results show an influence of the local or transported origin of the particles on their chemical composition, but also on the mixing state index. An increasing evolution of this index with the particles residence time during these events is observed.Ce travail de thèse vise à améliorer notre connaissance des sources proches et lointaines contrôlant le dépassement des seuils réglementaires de qualité de l’air, tels qu’ils peuvent être appréciés par les réseaux de mesure existants, sur le site fortement industrialisé et urbain du Grand Dunkerque. Il s’agit notamment de s’appuyer sur le calcul d’un indice d’état de mélange des particules, prenant en compte l’hétérogénéité de leur composition élémentaire, celle-ci étant liée à leur temps de séjour dans l’air et à la distance entre les sources et le site récepteur étudié. Pour répondre à cette problématique, il a fallu dans un premier temps développer un impacteur séquentiel de particules à haute résolution temporelle, nommé TRAPS, qui répondait au besoin de suivre les changements rapides observés au sein des particules atmosphériques lors d’épisodes de pollution. Couplé à un granulomètre et après analyse individuelle des particules prélevées par microscopie électronique (MEB-EDX), le TRAPS permet de rendre compte de l’évolution physico-chimique des particules atmosphériques au cours du temps. Dans la première partie de cette thèse, des expériences menées en laboratoire et une campagne de terrain ont permis de valider notre prototype, de rendre compte de la dynamique de dépôt des particules sur les zones d’impaction et de vérifier les diamètres de coupure des étages grossier et fin du TRAPS, déterminés respectivement à 1.32µm et 0.13µm. Une étude statistique des épisodes de pollution aux PM₁₀ survenus sur le grand dunkerquois a ensuite été réalisée sur 3 ans, entre 2018 et 2020. Elle nous a permis d’identifier 12 principaux types d’épisodes sur la base de leur étendue spatiale, mais aussi des conditions locales de dispersion des polluants. On a pu ainsi identifier des épisodes locaux et des épisodes régionaux observés, soit en conditions atmosphériques stationnaires ou au contraire en conditions de dispersion des pollutions à plus grande échelle. Alors que 78 % des jours de dépassement du seuil réglementaire des PM₁₀ correspondent à des épisodes locaux, les 22.4% restant correspondent à des panaches de pollution d’étendue au moins régionale, avec une proportion égale des jours de dépassements en condition de dispersion et en conditions stationnaires. Hormis les épisodes très localisés, une étude fine de la variabilité temporelle des concentrations en particules fines (PM₂.₅) montre la présence systématique d'une période d'accumulation progressive des polluants, pouvant atteindre une dizaine d'heures et caractérisée par une contribution importante de ces particules. La dernière partie de ce travail a consisté en l'étude de la composition et l'état de mélange des particules individuelles collectées lors d'évènements de pollution sur la zone du Grand Dunkerque en 2021. La campagne a permis l'échantillonnage et la caractérisation de 5 épisodes de pollution durant lesquels le TRAPS était déployé en parallèle d'autres instruments fournissant des informations complémentaires sur la granulométrie des aérosols, la météorologie ou la dynamique atmosphérique. Près de 28000 particules individuelles ont été caractérisées par MEB-EDX. Avec plus de 90% des échantillons associés à des valeurs de l'indice d'état de mélange chimique supérieures à 0.5, il est possible d'affirmer que les particules collectées sur la zone du Grand Dunkerque, durant ces épisodes de pollution, sont, en général, de composition très hétérogène à l'échelle de la particule individuelle (particules dites "en mélange interne"). Les résultats obtenus montrent en outre une influence de l'origine, locale ou transportée, des particules sur leur composition chimique et par là même sur l'indice d'état de mélange chimique de la population de particules échantillonnées. Une évolution croissante de l'indice d'état de mélange avec le temps de résidence des particules dans l'atmosphère lors de ces évènements est notamment observée