Vers une modélisation explicite de la réactivité multiphasique en milieu urbain: cas de brouillards caractérisés par la plateforme mobile PAARIOU // Towards explicit modeling of multiphase reactivity in urban environments: the case of fogs characterized b

Les nuages et brouillards représentent dans l'atmosphère des milieux multiphasiques complexes, composé de gouttelettes en suspension dans l'air atmosphérique. Les composés chimiques émis naturellement ou par sources anthropiques dans l'atmosphère peuvent se dissoudre dans la phase aqueuse des nuages où ils subissent possiblement des transformations par voies chimiques ou biologiques. Afin d'étudier ces processus, des mesures in situ bio-physico-chimiques permettent de caractériser ce milieu pour différentes conditions environnementales et des outils de modélisations sont développés afin de reproduire les mécanismes complexes associés à ce milieu. De nombreuses études ont permis ces dernières années de caractériser et de modéliser ces systèmes complexes avec l'objectif de répondre à la question fondamentale : est-ce que les nuages permettent de capturer et de transformer les composés chimiques ? C'est dans ce contexte général que s'inscrit la thèse proposée. Cette dernière propose d'utiliser la double approche mesure/modèle afin d'étudier un milieu encore peu étudié : les brouillards en cœur urbain.

Pour cela, l'objectif est de prendre en main et de développer l'outil de modélisation CLEPS simulant la chimie nuageuse. Ce modèle fortement développé ces dernières années considère les processus de réactivité chimique dans la phase gazeuse et la phase aqueuse ainsi que les échanges associés (transfert de masse) des molécules entre ces deux phases. Il a été développé afin de reproduire des environnements plutôt sous l'influence des sources biogéniques mais notre objectif est d'améliorer sa représentation des brouillards/nuages sous influence des sources anthropiques. Le schéma chimique en phase gazeuse repose sur un mécanisme explicite (MCM) considérant la chimie associée aux molécules anthropiques et biogéniques. Récemment, le modèle a été développé afin de transférer en phase aqueuse les molécules gazeuses de MCM (Master Chemical Mechanism, Université de Leeds) aussi bien d'origine naturelle qu'anthropique en fonction de processus cinétiques contraints par différents paramètres tels que la constante de Henry (solubilité) ou encore le coefficient d'accommodation. La plupart des composés ne sont pas documentés dans la littérature et des relations dites de structure-activité ont été utilisées pour estimer ces grandeurs et mener à bien ce travail. Nous proposons dans la thèse de continuer ce travail fondamental en développant le mécanisme en phase aqueuse afin de considérer la réactivité des composés chimiques d'origine anthropique se dissolvant dans la phase aqueuse. Cela se fera sur la base de mécanisme existant dans la littérature ou sur la base d'estimation de leur réactivité en utilisant des relations de structure-activité.

En parallèle à ce travail de modélisation, un/des épisodes de brouillards seront documentés pendant la thèse en utilisant la nouvelle plateforme mobile du laboratoire PAARIOU. Elle permet de mobiliser une suite d'instruments sophistiqués afin de monitorer en temps réel les propriétés physico-chimiques des différents compartiments atmosphériques (gaz, aérosol, nuage/brouillard) et des conditions atmosphériques (météo, hauteur de couche limite, etc.). Ces mesures permettront de développer des scénarios physico-chimiques de ce/ces évènements de brouillard qui seront simulés. Dans le cadre de la thèse, le(a) candidat(e) sera aussi impliqué(e) dans la campagne au sein de l'équipe du LaMP. Les concentrations modélisées seront alors confrontées aux mesures in situ afin d'évaluer les développements effectués par le(a) doctorant(e). Plus particulièrement, la partition des composés anthropiques les plus solubles et toxiques entre gaz et gouttelettes sera évaluée ainsi que leur efficacité de transformation dans la phase aqueuse du brouillard.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Clouds and fogs represent complex multiphase environments in the atmosphere, composed of droplets suspended in the air. Chemical compounds emitted naturally or by anthropogenic sources into the atmosphere can dissolve in the aqueous phase of clouds, where they may undergo chemical or biological transformations. To study these processes, in situ biophysical and chemical measurements are used to characterize this environment under different environmental conditions, and modeling tools are developed to reproduce the complex mechanisms associated with this environment. In recent years, numerous studies have characterized and modeled these complex systems with the aim of answering the fundamental question: do clouds capture and transform chemical compounds? It is in this general context that the proposed thesis fits in. The thesis proposes using a dual measurement/modeling approach to study an environment that has been little studied to date : fog in urban environments.

To achieve this, the objective is to take charge of and develop the CLEPS modeling tool, which simulates cloud chemistry. This model, which has been significantly developed in recent years, considers chemical reactivity processes in the gas phase and the aqueous phase, as well as the associated exchanges (mass transfer) of molecules between these two phases. It was developed to reproduce environments that are mainly influenced by biogenic sources, but our goal is to improve its representation of fogs/clouds influenced by anthropogenic sources. The chemical scheme in the gas phase is based on an explicit mechanism (MCM, Master Chemical Mechanism, Leeds University) that considers the chemistry associated with anthropogenic and biogenic molecules. Recently, the model has been developed to transfer MCM gas molecules from natural and anthropic sources to the aqueous phase according to kinetic processes constrained by various parameters such as Henry's constant (solubility) and the accommodation coefficient. Most of the compounds are not documented in the literature, and structure-activity relationships have been used to estimate these quantities and carry out this work. In this thesis, we propose to continue this fundamental work by developing the mechanism in the aqueous phase to consider the reactivity of anthropogenic chemical compounds dissolving in the aqueous phase. This will be done based on mechanisms existing in the literature or on the basis of estimates of their reactivity using structure-activity relationships.

In parallel with this modeling work, fog episodes will be documented during the thesis using the PAARIOU laboratory's new mobile platform. This platform allows a suite of sophisticated instruments to be used to monitor in real time the physicochemical properties of different atmospheric compartments (gas, aerosol, cloud/fog) and atmospheric conditions (meteorological conditions, boundary layer height, etc.). These measurements will make it possible to develop physico-chemical scenarios of these fog events, which will be simulated. As part of the thesis, the candidate will also be involved in the campaign within the LaMP team. The modeled data will then be compared with in situ measurements to evaluate the developments made by the doctoral student. More specifically, the partitioning of more soluble and toxic anthropogenic compounds between gas and droplets will be evaluated, as well as their transformation efficiency in the aqueous phase of fogs.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Début de la thèse : 01/10/2026

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

Université Clermont Auvergne

178 Sciences Fondamentales

Il s'agit d'une thèse associée au domaine des sciences de l'atmosphère avec un focus sur la chimie atmosphérique. Des connaissances en physique de l'atmosphère est également un plus afin de comprendre les mécanismes de formation des brouillards/nuages. Une expérience en analyse de données et en programmation scientifique (par exemple Python, R, Matlab) est attendue. Une expérience plus spécifique en modélisation constituera un atout particulier pour son recrutement. Il sera par ailleurs attendu du / de la candidat(e) des qualités humaines lui permettant de travailler en équipe.
The proposed thesis is related to atmospheric sciences with a focus on atmospheric chemistry. Knowledge of atmospheric physics is also an advantage in order to understand the mechanisms of fog/cloud formation. Experience in data analysis and scientific programming (e.g., Python, R, Matlab) is expected. More specific experience in modeling will be a particular asset for recruitment. The candidate will also be expected to have the interpersonal skills necessary to work in a team.