Détermination en laboratoire des propriétés optiques des aérosols de feux de biomasse // Laboratory determination of the optical properties of biomass burning aerosols.

Description du sujet : L'objectif de la thèse est de mesurer en laboratoire les propriétés optiques des aérosols issus de feux de biomasse (FB). Ces aérosols FB sont constitués très majoritairement de matière organique, dite Brown Carbon, dont l'absorption du rayonnement présente une forte dépendance spectrale. Leur grande diversité chimique et microphysique en font l'un des types d'aérosols les plus mal connus et très difficile à observer et à quantifier par télédétection. De plus, les aérosols FB sont une source importante d'incertitude pour les modélisations chimie-transport et climatique.
Ainsi, l'ambition de cette thèse repose en premier lieu sur la détermination en laboratoire des propriétés optiques, en particulier des indices complexes de réfraction (ICR) sur une large gamme spectrale (de l'infrarouge lointain à l'ultraviolet) d'aérosols FB pour des combustibles représentatifs de différentes essences de bois ou de végétations. Mesurer l'ICR dans une gamme spectrale aussi étendue représente un réel défi et serait une avancée importante dans la détermination des propriétés optiques (rapport lidar, épaisseur optique, albédo de diffusion simple, extinction spectrale, coefficient d'Ångström, etc.) nécessaires aux observations par télédétection ainsi qu'à la modélisation du climat.

Plan de travail : Dans le cadre d'une thèse précédente et d'une thèse en cours, des dispositifs expérimentaux ont été mis en œuvre au laboratoire PC2A pour la génération de particules issues des 3 phases de la combustion du bois : pyrolyse, combustion en foyer ouvert et cendres résiduelles. Le (ou la) candidat(e) recruté(e) poursuivra ces travaux expérimentaux qui consistent à enregistrer les spectres d'extinction (spectromètres IRTF et UV-visible) des aérosols FB et à caractériser les propriétés physiques (compteurs de particules, granulomètres). Les analyses chimiques de ces particules seront réalisées en ligne (spectromètre de masse pour aérosols en collaboration avec le LPCA, ULCO) ou après impaction sur filtres ou substrats adaptés à la technique utilisée (analyse de surface, microscopie électronique). Dans une seconde phase du projet de thèse, les spectres d'extinction enregistrés seront inversés afin d'en restituer les ICR à l'aide d'une méthode numérique développée au LOA. On étudiera ensuite les corrélations éventuelles entre les propriétés optiques de ces aérosols et leur composition chimique à partir des spectres d'extinction ou des ICR. Les conditions expérimentales telles que la nature du bois et la proportion d'oxygène seront aussi étudiées. Enfin l'effet du vieillissement sur les propriétés optiques des aérosols sera envisagé à travers des expériences réalisées en réacteur à écoulement.

Retombées scientifiques : La détermination expérimentale des paramètres optiques qui caractérisent les particules émises par les feux de biomasse représente une attente de la communauté des sciences de l'atmosphère car ces données sont cruciales pour interpréter les observations par télédétection de ces feux dont la fréquence et l'intensité risquent d'augmenter avec le dérèglement climatique. Elles pourront aussi être injectées dans les modèles d'inversions utilisés par les équipes qui travaillent sur la modélisation à l'échelle régionale ou globale des aérosols carbonés.

Profil des candidats :
Titulaire d'un Master 2 ou équivalent en Chimie Physique, Chimie ou Physique – Goût pour les expériences de laboratoire et les calculs numériques.
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Subject description: The aim of the thesis is to measure the optical properties of biomass burning aerosols (BBA) in the laboratory. These BBA consist mainly of organic matter, known as brown carbon, whose radiation absorption is highly spectral dependent. Their great chemical and microphysical diversity makes them one of the least understood types of aerosols and very difficult to observe and quantify by remote sensing. In addition, BBA are a significant source of uncertainties for chemistry-transport and climate modelling. Thus, the primary aim of this thesis is to determine, in the laboratory, the optical properties, in particular the complex refractive indices (CRIs), over a broad spectral range (from the far-infrared to the ultraviolet) of BBA for fuels representative of different wood species or vegetation. Measuring the CRI over such a wide spectral range represents a real challenge and would be a significant advance in determining the optical properties (lidar ratio, optical thickness, simple scattering albedo, spectral extinction, Ångström coefficient, etc.) necessary for remote sensing observations and climate modeling.

Main tasks : Part of the experimental devices have been set up at the PC2A laboratory to generate particles from wood burning, in controlled conditions, from the three phases of combustion: pyrolysis, open combustion and residual ash. The successful candidate will continue this experimental work, which consists of recording the extinction spectra (FTIR and UV-visible spectrometers) of BBA and characterising their physical properties (size distribution, morphology, mass concentration). Chemical analyses of these particles will be carried out online (GC-MS and mass spectrometer for aerosols in collaboration with LPCA, ULCO) or after impaction on filters or substrates adapted to the technique used (surface analysis, electron microscopy). In a second phase, the real and imaginary parts of CRIs will be retrieved from the experimental extinction spectra using a numerical method developed at LOA. We will then study any correlations between the optical properties of these aerosols and their chemical composition based on the extinction spectra or CRIs. The experimental conditions of the fire (nature of the wood, O2 mixing ratio) will be evaluated. Finally, the effect of ageing on the optical properties of BBA will be studied through experiments conducted using a continuous-flow photochemical reactor.

Scientific outcomes : The experimental determination of the optical parameters that characterise the particles emitted by biomass fires is eagerly awaited by the atmospheric science community, as this data is crucial for interpreting remote sensing observations of these fires, whose frequency and intensity are likely to increase with climate change. They can also be fed into inversion models used by teams working on regional or global modelling of carbonaceous aerosols.

Profile of candidates: Master's Degree or equivalent in Physical Chemistry, Chemistry or Physics - Motivated by both lab experiments and numerical calculations.
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Début de la thèse : 01/09/2026

Other public funding

ANR Financement d'Agences de financement de la recherche

Université de Lille

104 Sciences de la Matière du Rayonnement et de l'Environnement

Titulaire d'un Master 2 ou équivalent en Chimie Physique, Chimie ou Physique – Goût pour les expériences de laboratoire et les calculs numériques.
Master's Degree or equivalent in Physical Chemistry, Chemistry or Physics - Motivated by both lab experiments and numerical calculations.