Contexte et problématique scientifique

Les concentrations massiques de particules, qui sont réglementées, ne suffisent pas à décrire la diversité et la toxicité des aérosols urbains. Les particules ultrafines, de diamètre inférieur à 100 nm, peuvent contribuer fortement au nombre de particules tout en représentant une faible fraction de leur masse. Elles ont la capacité de pénétrer profondément dans l’arbre respiratoire, causant divers impacts sanitaires. Ainsi, selon la directive de qualité de l’air de 2024, ces particules doivent maintenant être surveillées, c’est-à-dire mesurées dans différents environnements. En parallèle, il est important de pouvoir cartographier leurs concentrations, comprendre leurs sources et représenter les évolutions futures. Leur concentration et leur distribution en taille évoluent sous l’effet des émissions, de la dispersion et des transformations atmosphériques. Une approche de modélisation multi-échelle a été mise en place au CEREA pour pouvoir les cartographier sur la région parisienne. Cette approche doit être élargie à d’autres territoires, notamment Lille et Aix-Marseille-Provence qui ont des spécificités propres tels que la présence de zones portuaires et aéroportuaires. Les approches mises en place seront améliorées pour intégrer la végétation urbaine.  Les arbres captent une partie des polluants, mais peuvent aussi limiter la ventilation des rues et émettre des composés organiques volatils qui réagissent dans l’atmosphère avec d’autres composés atmosphériques pour contribuer à la formation d’ozone et de particules secondaires. Le bilan dépend des espèces végétales, de la configuration urbaine, des émissions du trafic et des conditions météorologiques.

Cette thèse s’inscrit dans le projet RESILIENCE (https://www.pepr-resilience.eu/) et portera sur les métropoles de Lille et d’Aix-Marseille-Provence. Leurs contextes urbains et météorologiques contrastés permettront d’étudier les facteurs gouvernant la variabilité spatio-temporelle des polluants émergents, dont les particules ultrafines, tout en évaluant les effets des politiques de végétalisation et de mobilité.

Objectif scientifique

La thèse visera à améliorer la représentation numérique des particules ultrafines et de la végétation dans une chaîne de modélisation régionale et urbaine, puis à quantifier les contrastes d’exposition et leur sensibilité aux changements de mobilité. Cette modélisation permettra de quantifier l’exposition des populations dans les métropoles de Lille et d’Aix-Marseille aux polluants réglementés et émergents, et d’en déterminer les sources.

Démarche de recherche

Représenter les sources et la dynamique des particules. La chaîne CHIMERE–MUNICH, associée à SSH-aerosol, sera mise en œuvre de l’échelle régionale jusqu’aux réseaux de rues. Un travail spécifique portera sur la représentation des émissions en nombre et en taille pour mieux représenter les concentrations de particules ultrafines.

Représenter la végétation urbaine. La végétation urbaine n’est souvent pas prise en compte dans les simulations de qualité de l’air, bien que ses impacts sur la qualité de l’air soient importants. Elle devra être cartographiée et incluse dans les simulations.  

Évaluer les simulations et leurs incertitudes. Les résultats seront confrontés aux campagnes d’observations effectuées dans le projet RESILIENCE, ainsi qu’aux observations des réseaux AtmoSud et Atmo Hauts-de-France. Les simulations permettront d’analyser les différences entre pollution de fond et proximité de sources (trafic, portuaires et aéroportuaires), et de mieux caractériser les gradients de pollution observés dans les deux métropoles.

Quantifier l’exposition et les effets des scénarios de mobilité. Les concentrations simulées seront croisées avec les données de population afin de quantifier leur exposition et d’identifier les lieux les plus exposés. Des scénarios de mobilité seront comparés en utilisant plusieurs indicateurs de pollution. Les cartes produites contribueront, avec les partenaires de RESILIENCE, à l’analyse des inégalités environnementales de santé.

Bibliographie :

• Park, S.J., Lugon, L., Jacquot, O., Kim, Y., Baudic, A., D'Anna, B., Di Antonio, L., Di Biagio, C., Dugay, F., Favez, O., Ghersi, V., Gratien, A., Kammer, J., Petit, J.-E., Sanchez, O., Valari, M., Vigneron, J., and Sartelet, K. (2025) Population exposure to outdoor NO2, black carbon, and ultrafine and fine particles over Paris with multi-scale modelling down to the street scale. Atmos. Chem. Phys., 25 (6), 33633387, https://doi.org/10.5194/acp25-3363-2025.
• Maison A., Lugon L., Park S.J., Boissard C., Faucheux A., Gros V., Kalalian C., Kim Y., Leymarie J., Petit J.-E., Roustan Y., Sanchez O., Squarcioni A., Valari M., Viatte C., Vigneron J., Tuzet A., Sartelet K. (2024) Contrasting effects of urban trees on air quality: From the aerodynamic effects in streets to impacts of biogenic emissions in cities. Sci. Tot. Environ., 946, 174116, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.174116

Créé à l'École Nationale des Ponts et Chaussées en 2003, le CEREA est devenu un Laboratoire Commun École nationale des ponts et chaussées -EDF R&D à compter du 1er janvier 2004. Le CEREA est situé sur deux sites, l'un à Champs sur Marne, 77 (École des Ponts) et l'autre à Chatou, 78 (EDF R&D). Le CEREA est aussi présent au SIRTA, le Site Instrumental de Recherche par Télédétection Atmosphérique de l'Institut Pierre-Simon Laplace, sur le site de Palaiseau. Le CEREA est rattaché à l'école doctorale de l'Institut Polytechnique de Paris. Le CEREA est membre de l'Institut Pierre-Simon Laplace depuis 2015.

Thèmes de recherche

Ses activités de recherche sont centrées sur la pollution de l'air et la micrométéorologie des basses couches de l'atmosphère. Elles couvrent une gamme qui s'étend de la recherche académique (modélisation des aérosols, assimilation de données et modélisation inverse, dynamique de la couche limite atmosphérique) jusqu'aux études d'impacts (impact des activités liées à la production de l'énergie thermique ou nucléaire, impact des activités liées aux transports), en passant par la modélisation/prévision du transport réactif de polluants à l'échelle régionale ou encore la modélisation aux petites échelles (pollution urbaine, thermique des bâtiments) et la prévision de productible pour les énergies décarbonées solaire et éolien. L'intérêt porté à plusieurs de ces sujets explique l'imbrication du laboratoire dans les programmes d'EDF R&D et ceux portés par l'ENPC, soutenus par le ministère de la transition écologique.

Le profil recherché est un master ou un diplôme d’ingénieur en sciences de l’atmosphère, physique, chimie, environnement ou mathématiques appliquées, avec des compétences en programmation, modélisation numérique et analyse de données.