Aerosol hygroscopic properties : a laboratory approach for single and multi-component inorganic particles of atmospheric relevance

par Danielle El Hajj

Thèse de doctorat en Milieux dilués et optique fondamentale

  • Titre traduit

    Propriétés hygroscopiques des aérosols : études en laboratoire de particules inorganiques pures et mélangées d'intérêt atmosphérique


  • Résumé

    Les aérosols atmosphériques jouent un rôle essentiel sur l’équilibre énergétique de la planète et ont également un impact important sur la santé humaine. Le dernier rapport d’évaluation du Groupe d’Experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat (GIEC) souligne que le niveau d’incertitude du forçage radiatif des aérosols est particulièrement élevé. Ceci est principalement dû aux effets complexes et mal quantifiés des propriétés chimiques, physiques et optiques des aérosols. En particulier, une humidité relative élevée (RH) augmente la quantité de vapeur d’eau captée par les particules d’aérosol atmosphériques, ce qui modifie leurs tailles, leurs morphologies et leurs composition chimiques et donc leurs propriétés optiques. Les mesures in situ des propriétés des aérosols (coefficients de diffusion et d’absorption, distribution en taille) sont généralement obtenues dans des conditions sèches (RH <40%). Or dans l’atmosphère les aérosols existent à humidité plus importante. Il est donc essentiel de connaı̂tre l’évolution des propriétés physico-chimiques et optiques des particules d’aérosol à différentes humidités relatives, afin d’améliorer les estimations des forçages radiatifs de l’aérosol. Le but de ce travail est d’étudier l’évolution des propriétés optiques (diffusion et absorption), physiques (taille) des aérosols à différentes humidités, en s’appuyant sur des mesures de laboratoire à humidité contrôlée. Des aérosols purs ont été générés, tels que des particules de silice amorphe (SiO2 ), de chlorure de sodium (NaCl), de sulfate d’ammonium ((NH4)2SO4), de nitrate de sodium (NaNO3 ) et le chlorure de potassium (KCl). L’étude est d’abord réalisée à faible humidité relative (≈ 35% RH), ensuite, les mesures sont effectuées à une RH plus élevée (de 40 à 90%) en utilisant deux dispositifs expérimentaux différents. La vapeur d’eau captée par l’aérosol, calculée à l’aide du modèle thermodynamique E-AIM, provoque un changement de sa taille et de son indice de réfraction (RI) qui influence directement ses propriétés optiques . La relation de Zdanovskii-Stokes-Robinson (ZSR) est appliquée aux mélanges d’aérosols et comparée aux mesures expérimentales. Les écarts constatés seront présentés et devraient être utilisés pour mieux comprendre l’influence de la vapeur d’eau captée par les aérosols sur le forçage radiatif estimé par les modèles climatiques.


  • Résumé

    Aerosols play vital roles in energy balance of the Earth and also have a significant impact on human health. The last assessment report by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), states that the uncertainty in the total radiative forcing is mainly dominated by the high uncertainty in the aerosol radiative forcing. This is mainly caused by the poorly understood and quantified aerosol effects. Indeed, high relative humidity (RH), promotes water uptake by atmospheric aerosol particles, which modifies their size, morphology and chemical composition and therefore their optical properties. In-situ measurements of aerosols properties (scattering and absorption coefficients, size distribution) are usually performed at dry conditions (RH <40%). However, aerosols are present in a humid atmosphere. Knowing the physical, chemical and optical properties of the aerosol particles at ambient RH is thus crucial in order to improve the estimation of the aerosol direct radiative forcing. The aim of this work is to study the evolution of aerosols optical (scattering and absorption) and physical (size) properties at different RH. Our study is based on laboratory measurements at controlled humidity. Pure aerosols were generated, such as amorphous silica (SiO2), sodium chloride (NaCl), ammonium sulfate ((NH4)2SO4 ), sodium nitrate (NaNO3) and potassium chloride (KCl). The study was first conducted under dry conditions (≈ 35% RH), then measurements were performed at higher RH (from 40 up to 90%) using two different experimental setups. The exchange of water vapor that causes a change in size and refractive index (RI) of aerosol particles and therefore directly influences their optical properties is computed using E-AIM thermodynamic model. Zdanovskii–Stokes Robinson (ZSR) approach is applied on aerosols mixtures and compared with the experimental measurements. The discrepancies found will be presented and should be used to better understand the influence of water uptake on the aerosol radiative forcing estimated by climate models.


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