Soutenance de thèse de GRAZIANI Charles
Titre de thèse
Etude expérimentale des propriétés physico-chimiques des aérosols en gravité et en microgravité
Investigation of aerosol stability in ground and microgravity conditions
Résumé de la thèse
La description de l'évolution des aérosols est un défi important en climatologie. Plusieurs questions restent à ce jour sans réponse, notamment en ce qui concerne la microphysique des nuages. Depuis 2018, le CNES soutient le développement d'un nouvel instrument permettant la production d'aérosols dans des conditions contrôlées. Cet manuscrit présente : la littérature autour de l'évaporation de gouttelettes simples posées et en lévitation, l'aérosol, la formation des nuages via la nucléation, la mise en place de l'expérience menée en conditions de gravité réduite à l'aide de vols paraboliques et les différents résultats recueillis en vol parabolique et au sol. Il se concentre sur le problème de la répétabilité expérimentale et sur la dynamique d'évaporation des gouttelettes à différentes humidités relatives.
Les aérosols étudiés sont comparables à des nuages et sont composés de gouttelettes d'eau micrométriques (d'un diamètre initial de 5 µm) évoluant dans l'air. Ils sont étudiés par microtomographie optique loin des bords de la chambre expérimentale. Pendant la phase de microgravité, les gouttelettes se déplacent très peu, ce qui se traduit par une grande cohérence entre les images tomographiques successives. Une reconstruction en 3D est donc possible, ce qui permet de suivre les gouttelettes dans le temps. Cela permet des investigations basées sur le nombre de gouttelettes et leur taille dans le volume sondé.
Les expériences ont été menées avec une humidité relative (H) variant de 65% à 100%. Un point froid à température contrôlée a été développé et utilisé pour contrôler l'humidité. Lorsque les conditions n'étaient pas saturées, les gouttelettes s'évaporent. La reproductibilité de ce processus a été étudiée lors des campagnes de vols paraboliques, réalisées en mars et octobre 2023. Enfin, un spectroscope infrarouge à transformée de Fourier a été ajouté au dispositif. Il permet d'effectuer des analyses chimiques à l'intérieur de la chambre expérimentale. L'étude du mélange binaire eau/HFE7100 a été réalisée lors de la campagne de vols paraboliques d'octobre 2024.
Thesis resume
Describing the evolution of aerosols is an important challenge in climatology. Several questions remain unanswered so far, particularly concerning cloud microphysics. Since 2018, CNES has supported the development of a new instrument that enables aerosol production under controlled conditions. This work presents: the literature around evaporation of sessile and levitating single droplets, aerosol, the formation of clouds via nucleation, the set up of the experiment conducted in reduced gravity conditions using parabolic flights and the different results gathered in parabolic flight and on the ground. It focuses on the problem of experimental repeatability and on the droplet evaporation dynamics at different relative humidities.
Aerosols under consideration are comparable to clouds and are composed of micro-metric water droplets (with an initial diameter of 5 µm) evolving in air. They are investigated with optical micro-tomography far from the edges of the experimental chamber. During the microgravity phase, droplets move very little, resulting in a high degree of coherence between successive tomographic images. A 3D reconstruction is therefore possible, enabling the droplets to be tracked over time. This allows investigations based on the number of droplets and their sizes in the probed volume.
The experiments were conducted with varying relative humidity (H) ranging from 65% and 100%. A temperature-controlled cold point was developed and used to monitor the humidity. When the conditions were unsaturated, the droplets evaporated. The reproducibility of this process was studied during the parabolic flight campaigns, performed in March and October 2023. Lastly, a Fourier transform infrared spectroscope was added to the set up. It allows for the investigation of chemical analysis inside the experimental chamber. The investigation of the binary mixture water/HFE-7100 was studied during the parabolic flight campaign of October 2024.