Soutenance de thèse de Aurélie RIANDET

Ecole Doctorale
Sciences de l'Environnement
Spécialité
Sciences de l'environnement: Environnement et santé
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
CO2 atmosphérique,Couche limite atmosphérique,Milieu industriel,
Keywords
Atmospheric CO2,Atmospheric boundary layer,industrial environment,
Titre de thèse
Variabilité du CO2 atmosphérique en Métropole Aix-Marseille Provence : caractérisation de la hauteur de couche limite et des sources de CO2 en milieu industriel
Atmospheric CO2 variability in the Aix-Marseille Provence metropolitan area: characterisation of the boundary layer height and CO2 sources in an industrial environment
Date
Tuesday 30 May 2023 à 14:00
Adresse
CEREGE Arbois Technopôle de l’Arbois-Méditerranée BP80, CEDEX 04 13545 Aix-en-Provence France
Salle 205
Jury
Directeur de these Mme Irène REMY XUEREF Aix Marseille Université
Rapporteur M. Laurent MENUT Laboratoire de Météorologie Dynamique, Ecole Polytechnique
Rapporteur M. Thomas LAUVAUX Université de Reims Champagne Ardenne
Examinateur M. Philippe GOLOUB Université de Lille
Président Mme Barbara D'ANNA CNRS
Examinateur M. Martial HAEFFELIN Institut Pierre Simon Laplace

Résumé de la thèse

Dans le contexte actuel de l'augmentation globale des émissions de CO2 et du CO2 at-mosphérique, il est important de mieux comprendre les sources de ce composé ainsi que la variabilité de sa concentration atmosphérique, contrôlée notamment par la dynamique de la couche limite atmosphérique. Les zones urbanisées et industrialisées représentent environ 70 % des émissions de CO2 anthropiques, mais ces émissions et la variabilité du CO2 y sont encore très mal caractérisées. Cette thèse a pour objectif de mieux caractériser les sources et la variabilité du CO2 atmosphérique dans la métropole d'Aix-Marseille-Provence, 2e métropole française, par une approche atmosphérique reposant sur des mesures continues de CO2, d'espèces co-émises au CO2, des isotopes du carbone du CO2, de paramètres météorologiques et de la hauteur de couche limite atmosphérique (HCLA). La hauteur de la couche limite représente le principal facteur de dilution du CO2 at-mosphérique. Sur le territoire d'Aix-Marseille, elle a été étudiée pendant la journée en été 2001 lors des campagnes ESCOMPTE. Aucune autre étude n'y a été faite depuis, et la variabilité diurne et saisonnière de la HCLA n'y jamais été étudiée. Pour caractériser cette variabilité, un lidar aérosol (CIMEL CE376) a été installé pendant l'été 2021 et l'hiver 2021-2022. Les situations de brises de mer/terre et de mistral étant des situations météorologiques typiques de la région, une étude de cas de ces deux situations pour l'été et l'hiver est présentée. Le cycle diurne moyen de la HCLA à Marseille est également estimé en été et en hiver, pour la première fois. Le maximum de HCLA est estimé autour de 1050 m et 778 m en été et en hiver respectivement et le minimum de HCLA est estimé à 527 m et 460 m respectivement. Le deuxième facteur de variabilité du CO2 représente les émissions, en particulier le secteur industriel qui représente 60 % des émissions de la métropole, principalement situées autour de l'Étang de Berre. Un analyseur de gaz (PICARRO 2401) mesurant en continu les concentrations de CO2, CO et CH4 atmosphériques ainsi qu’une station mé-téorologique ont été installés à Port-de-Bouc en mai 2021 dans le but de caractériser la variabilité saisonnière, diurne et en fonction des conditions synoptiques du CO2 dans cette zone urbano-industrielle, sur la période de l'été 2021 à l'été 2022. Après avoir étu-dié la variabilité saisonnière et diurne du CO2, nous avons mis en évidence deux sec-teurs de vents pour lesquels les concentrations étaient importantes ; le secteur local et le secteur ESE. Nous avons pu observer l’impact de certains secteurs d’activités sur le CO2 : le trafic routier et maritime et les industries. Les analyses isotopiques et les COVs ont montré que le CO2 mesuré dans le secteur local provenait de sources biogéniques (végétation et autres êtres vivants, biocarburants), alors que le CO2 provenant du secteur ESE provenait principalement de combustion d'énergies fossiles (combustion pétrole et gaz). Le rôle des flux biosphériques sur les résultats est discuté. Ce travail a permis de développer de nouvelles observations et connaissances scien-tifiques sur la variabilité du CO2 atmosphérique et de la HCLA au sein de la métropole Aix-Marseille Provence, et de proposer des perspectives pour améliorer l’étude de la HCLA et des sources et puits de CO2 de ce territoire.

Thesis resume

In the current context of increasing global CO2 emissions and atmospheric CO2, it is important to better understand the sources of this compound as well as the variability of its atmospheric concentration, controlled in particular by the dynamics of the atmospheric boundary layer. Urbanised and industrialised areas account for about 70% of an-thropogenic CO2 emissions, but these emissions and the variability of CO2 are still very poorly characterised. The objective of this phD-thesis is to better characterise the sources and variability of atmospheric CO2 in the Aix-Marseille-Provence metropolis, the 2nd largest French metropolis, using an atmospheric approach based on continuous mea-surements of CO2, CO2 co-emitted species (e.g. NOx, CO, SO2, VOC), carbon isotopes of CO2, meteorological parameters and the atmospheric boundary layer height (ABLH). The boundary layer height is the main dilution factor of atmospheric CO2. In the Aix-Marseille area, it was studied during the day in summer 2001 during the ESCOMPTE campaigns. No other study has been carried out since, and the diurnal and seasonal variability of the ABLH has never been studied in this area. To characterise this variability, an aerosol lidar (CIMEL CE376) was installed during the summer 2021 and the winter 2021-2022. As sea/land breezes and mistral are typical meteorological situations in the region, a case study of these two situations for summer and winter is presented. The mean diurnal cycle of the ABLH in Marseille is also estimated in summer and winter, for the first time. The maxi-mum ABLH is estimated around 1050 m and 778 m in summer and winter respectively and the minimum HCLA is estimated at 527 m and 460 m respectively. The second factor of CO2 variability is emissions, in particular the industrial sector which accounts for 60% of the emissions of the metropolis, mainly located around the Étang de Berre. A gas analyser (PICARRO 2401) continuously measuring atmospheric CO2, CO and CH4 concentrations and a meteorological station were installed in Port-de-Bouc in May 2021 in order to characterise the seasonal, diurnal and synoptic variability of CO2 in this urban-industrial area, over the period from summer 2021 to summer 2022. After studying the seasonal and diurnal variability of CO2, we highlighted two wind sectors for which concentrations were significant; the local sector and the ESE sector. We were able to observe the impact of the following sectors of activity on atmospheric CO2: road and sea traffic and industry. Isotopic analyses showed that the CO2 measured in the local sector came from biogenic sources (i.e. wood burning and other biofuels, vegetation and living organisms), whereas the CO2 plume observed in the ESE sector came mainly from fossil fuels combustion (oil and gas combustion). The role of biospheric fluxes on the results is discussed. This work has allowed the development of new observations and scientific knowledge on the variability of CO2 and of the ABLH within the Aix-Marseille Provence metropolis and it opens to new perspectives for improving the study of the ABLH and atmospheric CO2 sources and sinks in this area.