Caracterisation des particules

N° d’ordre : 180-2009 Année 2009
THESE en Cotutelle
Présentée devant
L’UNIVERSITE CLAUDE BERNARD- LYON I
Et L’UNIVESITE SAINT JOSEPH
Pour l’obtention
Du DIPLOME DE DOCTORAT
Présentée et soutenue publiquement le
22 octobre 2009
Par
Maya ABOU CHACRA
Caractérisation des particules fines atmosphériques par télédétection Lidar
multi-spectrale sensible en polarisation
Jury:
M. M. ABBOUD, Examinateur
M. H. DELBARRE, Rapporteur
M. W. FARAH, Codirecteur de thèse
M. C. GEORGES, Président de jury
M. A. MIFFRE, Co-encadrant
M. P. RAIROUX, Directeur de thèse
M. J.C. ROGER, Rapporteur

UNIVERSITE CLAUDE BERNARD - LYON 1
Président de l’Université
Vice-président du Conseil Scientifique
Vice-président du Conseil d’Administration
Vice-président du Conseil des Etudes et de la Vie Universitaire
Secrétaire Général
M. le Professeur L. Collet
M. le Professeur J.F. Mornex
M. le Professeur G. Annat
M. le Professeur D. Simon
M. G. Gay
UFR SANTE
Composantes
UFR de Médecine Lyon R.T.H. Laënnec
UFR de Médecine Lyon Grange-Blanche
UFR de Médecine Lyon-Nord
UFR de Médecine Lyon-Sud
UFR d’Odontologie
Institut des Sciences Pharmaceutiques et Biologiques
Institut Techniques de Réadaptation
Département de Formation et Centre de Recherche en Biologie
Humaine
Directeur : M. le Professeur P. Cochat
Directeur : M. le Professeur X. Martin
Directeur : M. le Professeur J. Etienne
Directeur : M. le Professeur F.N. Gilly
Directeur : M. le Professeur D. Bourgeois
Directeur : M. le Professeur F. Locher
Directeur : M. le Professeur Y. Matillon
Directeur : M. le Professeur P. Farge
UFR SCIENCES ET TECHNOLOGIE
Composantes
UFR de Physique
UFR de Biologie
UFR de Mécanique
UFR de Génie Electrique et des Procédés
UFR Sciences de la Terre
UFR de Mathématiques
UFR d’Informatique
UFR de Chimie Biochimie
UFR Sciences et Techniques des Activités Physiques et Sportives
Observatoire de Lyon
Institut des Sciences et des Techniques de l’Ingénieur de Lyon
Institut Universitaire de Technologie A
Institut Universitaire de Technologie B
Institut de Science Financière et d'Assurance
Directeur : Mme. la Professeure S. Fleck
Directeur : M. le Professeur H. Pinon
Directeur : M. le Professeur H. Ben Hadid
Directeur : M. le Professeur G. Clerc
Directeur : M. le Professeur P. Hantzpergue
Directeur : M. le Professeur A. Goldman
Directeur : M. le Professeur S. Akkouche
Directeur : Mme. la Professeure H. Parrot
Directeur : M. C. Collignon
Directeur : M. le Professeur R. Bacon
Directeur : M. le Professeur J. Lieto
Directeur : M. le Professeur M. C. Coulet
Directeur : M. le Professeur R. Lamartine
Directeur : M. le Professeur J.C. Augros

RESUME: Les particules fines atmosphériques de taille nanométrique ont un effet important
sur la qualité de l’air, le climat et la santé. Si l’effet est reconnu, la mesure quantitative de ces
impacts reste un enjeu majeur. Les difficultés à surmonter sont reliées à la forte
inhomogénéité des particules, tant sur la distribution spatio-temporelle de leur concentration
que sur leur morphologie et leur taille. Le développement des méthodes de mesure optique à
distance non invasives telles que le Lidar (Light Detection And Raging) participe à combler
cette lacune. Ce travail met en œuvre une méthodologie de télédétection de l’aérosol urbain,
dans laquelle les interactions photons-matière de type élastique et non élastique sont
considérées pour estimer les paramètres optiques des particules. L’état de polarisation de la
lumière diffusée est également examiné permettant de sonder la phase thermodynamique des
particules observées.
L’étude a consisté à caractériser les performances de la détection lidar des aérosols urbains
en considérant les propriétés spectrales et la polarisation de la diffusion optique dans le
domaine ultraviolet-visible. La perturbation majeure de la mesure, la lumière solaire, a été
précisément évaluée et minimisée en agissant sur la résolution spectrale de la mesure et sur la
polarisation du faisceau laser émis. La validation de la télédétection des particules fines
atmosphériques dans l’ultraviolet est présentée. Elle est basée sur une comparaison entre la
mesure Lidar et des mesures par spectrométrie de masse (AMS : Aerosol Mass
Spectroscopy). Finalement, sur les bases de ces travaux, un nouveau détecteur a été conçu,
développé et ensuite évalué à partir de la station Lidar permanente du laboratoire. Ainsi de
très faibles taux de dépolarisation de l’atmosphère dans le domaine de l’ultraviolet, de 0,33
%, ont pu être mesurés. Ceci ouvre des perspectives intéressantes sur l’étude de la
dynamique physique des particules atmosphériques de taille nanométrique.
Mots clés: Aérosols atmosphériques, Lidar, Polarisation, Télédétection
Characterization of fine atmospheric particles by multi-spectral polarization sensitive
Lidar
RESUME: Atmospheric particles of nanometric size have a significant effect on air quality,
climate and health. If the effects are recognized, the quantification of their impacts remains a
major challenge. The challenges are related to the strong inhomogeneity of the spatial and
temporal distribution of morphology and size as well as the aerosol concentrations. Remote
sensing methods such as LIDAR (Light Detection And Raging) contribute to filling this gap.
This work implements a methodology for remote sensing of the urban aerosol, in which the
elastic and inelastic interactions between photon and matter are considered to estimate the
optical parameters of particles. The polarization state of scattered light is also examined to
probe the thermodynamic phase of the particles.
In this study we characterize the performance of urban aerosol lidar whereas the spectral and
polarization properties of the backscattered light are considered in the ultraviolet and visible
ranges. The sunlight which is the major disruption of the measurement was accurately
assessed and minimized by controlling the spectral resolution of the detector and the
polarization of the emitted laser beam. The validation of atmospheric fine particles detection
by ultraviolet Lidar is presented. This validation is based on a comparison between the lidar
measurements and those by mass spectrometry (AMS: Aerosol Mass Spectroscopy). Finally,
on the basis of this work, a new detector was designed, developed and then evaluated. Thus
very low rates of depolarization of the atmosphere (0.33%) in the ultraviolet range have been
measured. This work leads to interesting perspectives on the study of the dynamics of
atmospheric particles of nanometric size.
Keywords: Aerosol, Lidar, Polarization, Remote sensing