Évaluation de l'évolution chimique des panaches issus de la combustion de biomasse à l'aide de campagnes aériennes et d'observations satellitaires // Assessing the Chemical Evolution of Biomass Burning Plumes through Airborne Campaigns and Satellite Obser

Les feux de forêt et la combustion de biomasse sont de plus en plus fréquents et intenses à l'échelle mondiale, y compris en Europe. Les saisons de feux récentes, telles que 2017, 2022 et 2025, ont fortement affecté le sud de l'Europe, dégradant la qualité de l'air et modifiant la composition atmosphérique bien au-delà des zones incendiées. Favorisés par la sécheresse, l'augmentation des températures et le changement climatique, ces événements émettent de grandes quantités de gaz traces (CH₄, CO, CO₂, NOₓ, COV) et de particules fines, formant des panaches chimiquement complexes et hautement réactifs. Ces panaches influencent les niveaux d'oxydants, la formation d'aérosols secondaires et la qualité de l'air régionale. Toutefois, de fortes incertitudes subsistent concernant la formation et l'évolution de l'ozone et des aérosols secondaires lors du vieillissement et de la dispersion des panaches. L'identification des facteurs de contrôle — type et humidité de la végétation, intensité et phase de combustion, hauteur d'injection, interactions avec d'autres sources — est essentielle pour mieux comprendre ces processus.
Des mesures ciblées de gaz traces réactifs (NOₓ, NOᵧ, CO, CO₂, CH₄) et d'aérosols sont nécessaires. Des rapports tels que l'efficacité de combustion modifiée (MCE), O₃/CO, NOᵧ/CO et Ox/NOz permettent de caractériser les conditions de combustion, la réactivité chimique et l'efficacité de production de l'ozone au sein des panaches. Ces paramètres sont accessibles grâce aux campagnes aéroportées, qui offrent une description à haute résolution de la structure et de la composition des panaches.

Les campagnes de terrain étant limitées dans le temps et l'espace, les observations satellitaires sont indispensables pour étendre l'analyse à de plus grandes échelles. Cependant, les restitutions satellitaires sont affectées par des interférences spectrales et par la variabilité atmosphérique (vapeur d'eau, nuages, fumées denses, aérosols). Les panaches riches en aérosols sont particulièrement complexes, car l'absorption et la diffusion par les particules peuvent biaiser la détection des gaz, notamment par des instruments tels que IASI. Les comparaisons entre observations in situ et satellitaires sont donc essentielles pour évaluer la cohérence des données et améliorer les méthodes de restitution. Une caractérisation précise des aérosols est également cruciale, ceux-ci influençant à la fois la chimie atmosphérique et la détection des gaz. Des mesures coordonnées issues de campagnes aéroportées et de missions satellitaires (EarthCARE, MTG/FCI) permettront d'évaluer le rôle des aérosols dans la chimie et le transport des panaches.
Cette thèse s'inscrit dans le programme EUBURN, coordonné par le CNRM (Météo-France/INSU), qui vise à documenter et modéliser les interactions biomasse–feu–atmosphère à l'échelle de l'Europe de l'Ouest. Regroupant plus de 30 partenaires, EUBURN comprend plusieurs campagnes estivales entre 2025 et 2027, mobilisant avions, drones, ballons et sites au sol.
Dans ce cadre, la thèse portera sur : (1) l'analyse de mesures in situ, (2) l'utilisation de rapports traceurs et diagnostics chimiques, (3) la comparaison avec les données satellitaires, (4) l'étude des interactions aérosols–gaz, et (5) la synthèse des résultats et l'appui à la modélisation. Cette approche intégrée constituera le cœur du travail doctoral.
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Wildfires and biomass burning are increasingly frequent and intense worldwide, including in Europe. Recent fire seasons, such as 2017, 2022, and 2025, have severely affected southern Europe, degrading air quality and altering atmospheric composition far beyond the fire regions. Driven by drought, higher temperatures, and climate change, these events release large amounts of trace gases (CH₄, CO, CO₂, NOₓ, VOCs) and fine particles, forming chemically complex plumes that act as reactive atmospheric systems. These plumes strongly influence oxidant levels, secondary aerosol formation, and regional air quality. However, major uncertainties remain in understanding how ozone and secondary aerosols form and evolve as plumes age and disperse. Identifying the key controlling factors, such as vegetation type and moisture, combustion intensity and phase, injection height, and interactions with other anthropogenic or natural sources, is essential to improve understanding of these processes.
Targeted measurements of reactive trace gases (NOₓ, NOᵧ, CO, CO₂, CH₄) and aerosols are required. Ratios, including the Modified Combustion Efficiency (MCE), O₃/CO, NOᵧ/CO, and Ox/NOz provide valuable insights into combustion characteristics, chemical reactivity, and ozone production efficiency (OPE) within plumes. These parameters can be obtained from airborne campaigns, which offer high-resolution information on plume structure and composition.
Field campaigns, however, are limited in time and geographic coverage. Satellite observations are thus critical to extend measurements over larger spatial and temporal scales. Yet, satellite retrievals face challenges: spectral interferences and atmospheric variability, such as water vapor, clouds, dense smoke, or aerosols, can distort the signatures of key gases. Aerosol-rich plumes are particularly challenging because absorption and scattering by particles can bias satellite gas retrievals, such as those from IASI. Comparisons between in situ and satellite observations are therefore essential to assess the consistency of observations and provide a basis for future corrections. Accurate aerosol characterization is crucial, as aerosols affect both gas detection and chemical processes within plumes. Coordinated measurements from airborne campaigns and satellite missions, such as EarthCARE and MTG/FCI, will allow comprehensive assessment of aerosol properties and their role in plume chemistry and transport.
This thesis is part of the EUBURN program, led by CNRM (Météo-France/INSU, PI: C. Denjean; https://euburn.aeris-data.fr/), which addresses these gaps through coordinated ground-based and airborne measurement campaigns across Western Europe. Gathering over 30 research institutes, meteorological centers, and public agencies, EUBURN aims to document and model biomass–fire–atmosphere interactions from local to regional scales. EUBURN consists of a series of summer field campaigns, beginning with the EUBURN-SILEX aircraft campaign in southern France in 2025, followed by drone and balloon campaigns in Andalusia, Spain, in 2026, and the large-scale EUBURN-RISK campaign in Portugal, Spain, and France in 2027. These intensive campaigns will deploy aircraft, drones, helicopters, balloons, mobile laboratories, and fixed ground sites as part of a three-year enhanced observation period (2025–2027).
Within this context, the thesis will focus on several key tasks:
1. In situ measurements analysis:
2. Tracer ratios and chemical diagnostics:
3. Comparative analysis with satellite data:
4. Investigation of aerosol–gas interactions:
5. Synthesis and modeling support:
This integrated approach, combining field data analysis, satellite comparison, and chemical diagnostics, will provide a comprehensive understanding of biomass burning plume chemistry and observational challenges, forming the core of the thesis.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Financement d'un établissement public Français

Université d'Orléans

552 Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU

Le ou la candidate devra être titulaire d'un diplôme de Master en sciences de l'atmosphère, sciences de l'environnement, chimie ou dans un domaine connexe. De solides compétences en chimie atmosphérique, qualité de l'air et analyse de données sont fortement souhaitées. Une expérience des campagnes de terrain, des mesures aéroportées, de la télédétection ou de l'interprétation de données satellitaires constituerait un atout. Le ou la candidate devra également posséder de bonnes bases en programmation (Python, R ou MATLAB) et en visualisation de données, ainsi qu'une capacité à travailler de manière autonome et collaborative au sein d'équipes interdisciplinaires.
The candidate should hold a Master's degree in atmospheric sciences, environmental sciences, chemistry, or a related field. Strong skills in atmospheric chemistry, air quality, and data analysis are highly desirable. Experience with field campaigns, airborne measurements, remote sensing, or satellite data interpretation would be an advantage. The candidate should also have a solid background in programming (Python, R, or MATLAB) and data visualization, as well as the ability to work independently and collaboratively in interdisciplinary teams