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 connus comme l'une des plus grandes sources d'aérosols absorbants dans l'atmosphère terrestre, ce qui en fait un paramètre clé de la chimie atmosphérique et du bilan radiatif. Cependant, 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 différents types de végétations. Mesurer l'IRC 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, des dispositifs expérimentaux ont été mis en œuvre au laboratoire PC2A pour la génération de particules issues des 3 phases de la combustion de la biomasse: 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 et chimiques de ces particules (compteurs de particules, granulomètres, prélèvement sur filtre pour analyses chimiques). 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.

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 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.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Description of the subject: The aim of the thesis is to measure the optical properties of aerosols from biomass burning aerosols (BBA) in the laboratory. These BBA aerosols are known to be one of the largest sources of absorbing aerosols in the Earth's atmosphere, making them a key parameter in atmospheric chemistry and the radiation budget. However, their great chemical and microphysical diversity makes them one of the most poorly understood types of aerosol, and very difficult to observe and quantify using remote sensing. Moreover, BBA aerosols are a major source of uncertainty for chemistry-transport and climate modelling.
The ambition of this thesis is therefore based primarily on the laboratory determination of the optical properties, in particular the complex refractive indices (CRI) over a wide spectral range (from the far infrared to the ultraviolet) of BBA aerosols for fuels representative of different types of vegetation. Measuring the CRI over such a wide spectral range represents a real challenge and would be a major step forward in determining the optical properties (lidar ratio, optical thickness, simple scattering albedo, spectral extinction, Ångström coefficient, etc.) needed for remote sensing observations and climate modelling.

Work plan: As part of a previous thesis, experimental systems were set up in the PC2A laboratory to generate particles from the 3 phases of biomass combustion: pyrolysis, open combustion and residual ash. The candidate recruited will continue this experimental work, which involves recording the extinction spectra (FTIR and UV-visible spectrometers) of BBA aerosols and characterising the physical and chemical properties of these particles (particle counters, particle sizers, filter sampling for chemical analysis). In a second phase of the thesis project, the recorded extinction spectra will be inverted in order to restore the ICRs using a numerical method developed at the LOA. Any correlations between the optical properties of these aerosols and their chemical composition will then be studied.

Scientific benefits : The experimental determination of the optical parameters that characterize the particles emitted by biomass fires represents an expectation of the atmospheric science community because these data are scarce but crucial for interpreting observations by remote sensing of these fires, the frequency and duration of which intensity is likely to increase with climate change. They can also be injected into the inversion models used by the teams working on the global scale modeling of carbonaceous aerosols.
.

Profile of candidates: Master's Degree or equivalent in Physical Chemistry, Chemistry or Physics - Motivated by both experiments and numerical calculations.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Début de la thèse : 01/10/2025

Plan Investissement d'Avenir (Idex, Labex)

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 experiments and numerical calculations