Propriétés microphysiques des aérosols

L’approche multi-instrumentée

Complémentarité des mesures in situ et de télédétection

Afin de caractériser l’aérosol par ses propriétés optiques, structurales et chimiques il est nécessaire d’envisager des stratégies expérimentales qui mettent en œuvre la synergie entre différents types d’instrument. Ces approches multi-instrumentées permettent la détermination simultanée de nombreux paramètres comme la composition chimique, la masse, la granulométrie, l’hygroscopicité, ou les propriétés optiques… Néanmoins, on n’accède pas toujours facilement aux différents paramètres optiques de l’aérosol par la mesure. Il est parfois nécessaire de passer par la connaissance d’autres propriétés pour déterminer un paramètre. On est alors souvent conduit à effectuer une étude de fermeture. Sa réalisation motive l’intérêt que représente la combinaison de mesures in situ, radiométriques passives ou de télédétection active. Tout au long de cette thèse, la représentativité spatio-temporelle des différentes mesures et la complémentarité des jeux de données ont été recherchées en vue de déterminer des paramètres pertinents pour la caractérisation de l’aérosol et son influence sur le bilan radiatif. Cette approche a pu être appliquée aux résultats des campagnes de mesures en région parisienne (ESQUIF et LISAIR), en région sahélienne (AMMA) ou encore en gare souterraine (campagne MAGENTA, en Annexe). L’objectif de cette partie est de présenter les instruments déployés sur le terrain au cours des différentes campagnes de mesure, leurs applications et les incertitudes engendrées sur les paramètres qu’ils ont permis de restituer.

Propriétés microphysiques des aérosols

La connaissance de la composition chimique des particules résulte de la collection de celles-ci sur des prélèvements par filtration et de l’analyse de ces échantillons au laboratoire. L’air ambiant est ainsi pompé in situ, ce qui permet de dépôt des aérosols sur différentes membranes. Trois types de filtres de diamètre 47mm répartis en deux lignes de prélèvement en parallèle ont été utilisés au cours des différentes campagnes de mesure que nous avons effectuées (Favez, 2008). La première ligne avec des filtres en fibre de quartz (QMA, Whatman) est dédiée à l’analyse de la fraction carbonée, qui est séparée en deux composantes principales : le carbone suie (« Elemental Carbon » : EC pour les mesures thermiques ou « Black Carbon » : BC pour les mesures optiques) et le carbone organique (« Organic Carbon » : OC). La fibre de quartz permet d’éviter l’artéfact lié à la fraction inorganique de l’aérosol. Notons que les aérosols ont souvent des signatures optiques et thermiques bien distinctes (Sciare et al., 2003). La quantité de BC, responsable de la partie absorbante, peut être estimée par la détermination de l’atténuation sur le filtre de la lumière blanche. Cette mesure est réalisée à l’aide d’un Aethalomètre (Magee Scientific, modèle AE-8) modifié de façon à pouvoir effectuer des mesures sur des portions de filtres collectés sur le terrain (Liousse et al., 1993). La deuxième méthode, détaillée par Cachier et al. (1989), consiste à analyser le contenu en carbone par coulométrie (Strölhein, modèle 702C). La quantité de carbone total (EC + OC) est analysée directement sur une portion de filtre. Sur la deuxième portion du filtre, la fraction OC est d’abord éliminée par une précombustion à 340° pendant 2h sous flux d’oxygène. La quantité de EC est alors évaluée en mesurant le pH d’une solution piégeant le CO2 libéré lors du chauffage du carbone particulaire à 1200°C. La quantité de OC est obtenue en ôtant cette mesure de EC à la quantité totale de carbone. La limite de détection est beaucoup plus basse pour la technique optique (10 ngC.m-3). Pour la méthode thermique, la limite de détection du coulomètre est de 3 µgC, et l’incertitude totale sur la mesure est estimée à moins de 10%. La deuxième ligne de prélèvement est dédiée aux mesures gravimétriques de la masse et à l’analyse des ions réalisées sur des filtres en polycarbonate (Nuclepore, Whatman). Ces membranes sont hydrophobes et permettent de réduire l’effet lié à l’adsorption de gaz sur le filtre. Sur la ligne de prélèvement, un porte filtre à double étage (Stack Filter Unit : « SFU ») permet de combiner deux filtres nuclépores de 8 µm et 0.4 µm de porosité. Il devient alors possible de discriminer la fraction fine de la fraction grossière de l’aérosol. La limite entre ces deux fractions se situe aux alentours de 2 µm de diamètre aérodynamique équivalent. Les filtres sont mis à tremper au bain sonique pour en extraire la fraction hydrosoluble. La solution obtenue, traitée pour éviter la prolifération bactérienne qui introduirait un biais sur les concentrations d’anions organiques et d’ammonium, est analysée par chromatographie pour quantifier les espèces solubles majeures de l’aérosol. Les analyses cationique (pour la ioniques est de l’ordre de 0.1ppb, et les valeurs de blanc sont inférieures à 30 ppb pour chaque ion. L’incertitude de mesure est inférieure à 5%.