Qu’est-ce qu’une particule ? Aérosol ou particule ? Dans le langage des sciences de l’atmosphère, l’aérosol atmosphérique est une particule solide ou liquide en suspension dans l’air, également désigné sous le terme de « matière particulaire », ou plus simplement « particule ». L’aérosol atmosphérique ne désigne pas une espèce précise, mais constitue un terme générique représentant une grande diversité d’objets aux caractéristiques variées, en termes de sources, de propriétés physiques (morphologie, taille, densité, propriétés optiques), de composition chimique, de processus d’évolution, de durée de vie, ou de mode d’élimination. Exemples d’aérosols, photographies obtenues par microscopie électronique à transmission, ou à balayage, en collaboration avec le Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques, LISA (courtoisie de P. Ausset, A. Gaudichet, M. Maillé, A. Chabas Il existe de multiples façons de classer les aérosols : selon leur origine : naturelle (érosion, volcanisme, activités biologiques) ou anthropique (transport, chauffage, activités agricoles et industrielles), selon leur nature chimique : aérosols inorganiques (solubles, comme les nitrates, sulfates, sels de mer ; ou insolubles, comme les poussières minérales) ou aérosols carbonés (carbone élémentaire et matière organique), qui constitue un paramètre déterminant pour l’étude de leurs impacts environnementaux, selon leur mode de formation : aérosols primaires, émis directement dans l’atmosphère ou aérosols secondaires (essentiellement nitrates, sulfates et une partie de la matière organique) provenant de processus de conversion gaz/particules, selon leur taille. On parle alors de PMx (PM pour Particulate Matter), ce terme représentant la quantité d’aérosols ayant un diamètre aérodynamique (AED) inférieur à x µm. On distingue ainsi les PM10, les PM2.5, les particules de diamètre inférieur à 1 µm (PM1) et celles de diamètre inférieur à 0,1 µm (particules ultra-fines). Actuellement, seules les concentrations des PM10 et des PM2.5 sont réglementées au niveau européen. Les particules PM1 comptent parmi les plus nocives pour la santé, leur petite taille leur permettant de pénétrer profondément dans l’appareil respiratoire, jusqu’aux alvéoles pulmonaires. Les particules : une composition chimique complexe Les PM10 sont essentiellement constituées de deux modes : le mode fin et le mode grossier, dont la frontière granulométrique se situe vers 2,5µm. Distribution granulométrique en masse de l’aérosol (adapté de Van Dingenen et al., 2004) Ces deux modes ont des origines et donc des compositions chimiques différentes, comme évoqué précédemment. Le mode fin est principalement constitué des émissions anthropiques ainsi que d’aérosols secondaires provenant de l’oxydation et/ou de la condensation de précurseurs gazeux (COVs, NOx, SO2, NH3, …) en phase particulaire. Il contient très majoritairement : du carbone suie (ou Black Carbon), issu de la combustion incomplète d’énergies fossiles ou de biomasse, et constitué quasi-exclusivement d’atomes de carbone ; de la matière organique (contenant des atomes de carbone, mais également de l’oxygène, hydrogène, azote, …) primaire, i.e., émis directement dans l’atmosphère (en particulier par les mêmes processus de combustion que pour le carbone suie) ou secondaire, i.e. provenant de l’oxydation de COVs émis par les activités humaines et par la végétation ; et des espèces inorganiques secondaires (en particulier le nitrate d’ammonium et le sulfate d’ammonium). Le mode grossier est principalement constitué de particules d’origines naturelles : sels de mer, poussières terrigènes, débris végétaux, etc. Il contient également des espèces secondaires (dont nitrate, sulfate et composés organiques, provenant de réactions acido-basiques entre espèces gazeuses et particules minérales). En milieu urbain, le mode fin constitue la part majeure (50-90%) des PM10. Aérosols : Zoom sur les travaux de recherche de l’Ineris Les aérosols sont formés d’un mélange complexe dont la matière organique dénommée aérosol organique (AO), constitue une fraction importante de la masse totale des particules fines de l’atmosphère (de 20 à 90 % dans la basse troposphère). Les espèces carbonées qui constituent l’AO sont généralement classées selon la façon dont elles se sont retrouvées en phase particulaire. Les composés organiques émis directement sous forme particulaire dans l’air correspondent à l’aérosol organique primaire (AOP). Les composés organiques constituant la matière particulaire issus des réactions d’oxydation en phase gazeuse de composés organiques volatils ou semi-volatils (COV, COSV) et du transfert des produits formés vers l’aérosol constituent l’aérosol organique secondaire (AOS). Cette fraction secondaire peut représenter jusqu’à 80 à 90 % de l’AO total dans certains lieux (Kroll and Seinfeld, 2008; Srivastava et al., 2018) et sa connaissance demeure donc essentielle. Cependant, les processus chimiques et cinétiques associés sont encore mal connus. Un nombre croissant d’études scientifiques met en évidence la complexité des mécanismes mis en jeu ainsi que celle des particules ainsi formées, constituant bien souvent des mélanges internes entre espèces organiques et inorganiques. Ces composés secondaires jouent un rôle majeur sur la chimie de l’atmosphère et le climat, mais peuvent également jouer un rôle de premier ordre en termes de santé publique. En effet, certains d’entre eux peuvent être plus toxiques et nocifs que les composés organiques primaires dont ils sont issus et avoir ainsi des effets néfastes sur la santé des populations. Des travaux en laboratoire et sur site ont permis de cibler de nouveaux marqueurs moléculaires spécifiques pour quantifier des familles d’AOS rarement étudiées jusqu’à présent. Ces données sont précieuses pour le développement de modèles numériques, tels que le code CHIMERE co-développé par l’Ineris et le CNRS. Affiner la connaissance et les simulations des processus de formation des particules atmosphériques permet de mieux prédire la qualité de l’air. Les travaux expérimentaux et métrologiques menés à l’Ineris contribuent à une meilleure description de ces phénomènes et permettent de les transcrire dans les modèles. Observation en continu et sur le long terme de la composition chimique des particules fines sur la plateforme expérimentale SIRTA Les particules fines jouent un rôle majeur sur la qualité de l’air et sur le climat. Il est primordial de pouvoir quantifier leurs sources, ainsi que celles de leurs précurseurs gazeux, pour la mise en œuvre de plans d’action appropriés. Les études de tendance sur la composition chimique de l’atmosphère sont également nécessaires afin d’évaluer l’efficacité des mesures de gestion et d’améliorer les connaissances de l’impact des particules sur le réchauffement climatique, actuel et à venir. Dans ce contexte, l’Ineris s’est associé dès 2011 au Laboratoire des sciences du climat et de l’environnement (LSCE), pour la création d’une plateforme de mesure in situ des polluants atmosphériques. Cette plateforme expérimentale est localisée sur le plateau de Saclay (Essonne), à 25 km au sud-ouest de Paris, et est représentative de la pollution de fond en région Ile de- France. Elle constitue aujourd’hui une composante importante du SIRTA (Site instrumenté de recherche par télédétection atmosphérique, sirta.ipsl.fr) et, à plus large échelle, de l’infrastructure de recherche Européenne ACTRIS (Aerosol, Clouds and Trace gases Research InfraStructure, www.actris.eu). Elle est également intégrée au programme CARA du Laboratoire central de surveillance de la qualité de l’air (LCSQA) pour la surveillance opérationnelle de la composition chimique et des sources des particules atmosphériques à l’échelle nationale, ainsi qu’à différents programmes de recherche régionaux (tel que le DIM QI², nouveau domaine d’intérêt majeur de la région Ile-de-France). Moyennes mensuelles des concentrations et contributions relatives des espèces chimiques majeures de l’aérosol submicronique au SIRTA entre fin 2011 et début 2018. Ces travaux, menés dans le cadre des activités de recherche de l’Ineris montrent des cycles saisonniers, hebdomadaires et journaliers spécifiques aux différentes fractions des aérosols primaires et secondaires. En particulier l’aérosol organique primaire (AOP), provenant essentiellement de la combustion de biomasse et du transport routier, est prépondérant sur la période froide (de novembre à février), alors que le reste de l’année est dominé par des aérosols organiques oxygénés. Parmi ces derniers, une fraction moins oxydée, provenant probablement de façon majeure de précurseurs biogéniques, est prépondérante en été (60 % de l’AO en moyenne estivale). Par ailleurs, les études de tendance ont montré une légère diminution des concentrations (de l’ordre de 0,05-0,20 μg/m3 par an) de toutes les fractions d’AO identifiées au cours de la période étudiée, hormis pour cette fraction d’AO moins oxydée qui ne présente pas de tendance significative. Ces observations sur le long terme ont également permis d’alimenter une étude publiée en 2019 sur l’influence des émissions du volcan Bardarbunga (Islande) sur la qualité de l’air en Europe de l’ouest en 2014 et 2015, ainsi qu’une autre étude portant sur l’origine des composés organiques volatils (COVs) en région Ile-de-France. En lien avec cette dernière thématique, des travaux sont en cours avec le LSCE afin d’explorer l’apport de l’observation de ces COVs pour une meilleure compréhension des sources de l’AO. De l’importance des marqueurs organiques dans l’atmosphère La connaissance de l’ensemble des espèces chimiques constituant l’AO reste, à ce jour, encore très partielle car seulement 5 à 30% ont déjà pu être identifiés ou quantifiés à un niveau moléculaire. De plus, il n’existe pas à ce jour de marqueurs spécifiques pour de nombreuses sources d’émissions et de processus secondaires d’intérêt (ex. chauffage au bois vs brûlage à l’air libre, émissions essence vs diesel, activités culinaires...). Si certaines informations sur la formation des marqueurs d’AOS existent dans la littérature, d’autres mécanismes chimiques doivent encore être déterminés avant de pouvoir être utilisés par les modèles numériques. Par ailleurs, de nombreux modèles utilisent aujourd’hui des approches de type VBS (Volatility Basis Set) pour simuler la formation d’AOS. Cette approche a été développée avec l’idée générale de découper le chromatogramme d’analyse des phases gazeuse et particulaire en différentes sections suivant le temps de rétention de différents étalons internes donc suivant la volatilité de ceux-ci. Des méthodes de prélèvements et/ou d’analyses spécifiques doivent être optimisées et mises en œuvre pour répondre aux objectifs de cette opération. Dans ce cadre, l’institut a mené des travaux afin de développer et intégrer dans le modèle 3D de la qualité de l’air CHIMERE des mécanismes de formation de marqueurs moléculaires d’AO. De plus, des travaux ont été menés pour identifier des marqueurs moléculaires ou profils chimiques de sources primaires ou secondaires d’intérêt de l’AO afin de permettre à terme leur utilisation dans des modèles source-récepteur et de déconvoluer ces sources encore non résolues pour l’instant. Ce travail se base notamment sur l’émergence de la spectrométrie de masse haute résolution (HRMS), permettant d’apporter une caractérisation plus complète des polluants atmosphériques. En particulier, des méthodologies d’analyses non-ciblées (non-target screening (LC et GC-HRMS), encore peu utilisées en chimie atmosphérique, peuvent désormais être mises en œuvre afin d’identifier de nouveaux composés moléculaires organiques. Deux sources de PM sont prioritairement étudiées afin de discriminer les sources d’AOS : la combustion de biomasse dans le cadre du projet ADEME SODEMASS, (« combustion domestique du bois » vs « brûlage à l’air libre de déchets vert ») et les émissions véhiculaires (« essence » vs « diesel ») avec une attention particulière sur l’AOS formé par photooxydation. Sur ce dernier volet, des essais de vieillissement à l’aide d’un tube de réactivité de type PAM (Potential Aerosol Mass) sont prévus en lien avec le projet EVORA.
Qu’est-ce qu’une particule ? Aérosol ou particule ? Dans le langage des sciences de l’atmosphère, l’aérosol atmosphérique est une particule solide ou liquide en suspension dans l’air, également désigné sous le terme de « matière particulaire », ou plus simplement « particule ». L’aérosol atmosphérique ne désigne pas une espèce précise, mais constitue un terme générique représentant une grande diversité d’objets aux caractéristiques variées, en termes de sources, de propriétés physiques (morphologie, taille, densité, propriétés optiques), de composition chimique, de processus d’évolution, de durée de vie, ou de mode d’élimination. Exemples d’aérosols, photographies obtenues par microscopie électronique à transmission, ou à balayage, en collaboration avec le Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques, LISA (courtoisie de P. Ausset, A. Gaudichet, M. Maillé, A. Chabas Il existe de multiples façons de classer les aérosols : selon leur origine : naturelle (érosion, volcanisme, activités biologiques) ou anthropique (transport, chauffage, activités agricoles et industrielles), selon leur nature chimique : aérosols inorganiques (solubles, comme les nitrates, sulfates, sels de mer ; ou insolubles, comme les poussières minérales) ou aérosols carbonés (carbone élémentaire et matière organique), qui constitue un paramètre déterminant pour l’étude de leurs impacts environnementaux, selon leur mode de formation : aérosols primaires, émis directement dans l’atmosphère ou aérosols secondaires (essentiellement nitrates, sulfates et une partie de la matière organique) provenant de processus de conversion gaz/particules, selon leur taille. On parle alors de PMx (PM pour Particulate Matter), ce terme représentant la quantité d’aérosols ayant un diamètre aérodynamique (AED) inférieur à x µm. On distingue ainsi les PM10, les PM2.5, les particules de diamètre inférieur à 1 µm (PM1) et celles de diamètre inférieur à 0,1 µm (particules ultra-fines). Actuellement, seules les concentrations des PM10 et des PM2.5 sont réglementées au niveau européen. Les particules PM1 comptent parmi les plus nocives pour la santé, leur petite taille leur permettant de pénétrer profondément dans l’appareil respiratoire, jusqu’aux alvéoles pulmonaires. Les particules : une composition chimique complexe Les PM10 sont essentiellement constituées de deux modes : le mode fin et le mode grossier, dont la frontière granulométrique se situe vers 2,5µm. Distribution granulométrique en masse de l’aérosol (adapté de Van Dingenen et al., 2004) Ces deux modes ont des origines et donc des compositions chimiques différentes, comme évoqué précédemment. Le mode fin est principalement constitué des émissions anthropiques ainsi que d’aérosols secondaires provenant de l’oxydation et/ou de la condensation de précurseurs gazeux (COVs, NOx, SO2, NH3, …) en phase particulaire. Il contient très majoritairement : du carbone suie (ou Black Carbon), issu de la combustion incomplète d’énergies fossiles ou de biomasse, et constitué quasi-exclusivement d’atomes de carbone ; de la matière organique (contenant des atomes de carbone, mais également de l’oxygène, hydrogène, azote, …) primaire, i.e., émis directement dans l’atmosphère (en particulier par les mêmes processus de combustion que pour le carbone suie) ou secondaire, i.e. provenant de l’oxydation de COVs émis par les activités humaines et par la végétation ; et des espèces inorganiques secondaires (en particulier le nitrate d’ammonium et le sulfate d’ammonium). Le mode grossier est principalement constitué de particules d’origines naturelles : sels de mer, poussières terrigènes, débris végétaux, etc. Il contient également des espèces secondaires (dont nitrate, sulfate et composés organiques, provenant de réactions acido-basiques entre espèces gazeuses et particules minérales). En milieu urbain, le mode fin constitue la part majeure (50-90%) des PM10. Aérosols : Zoom sur les travaux de recherche de l’Ineris Les aérosols sont formés d’un mélange complexe dont la matière organique dénommée aérosol organique (AO), constitue une fraction importante de la masse totale des particules fines de l’atmosphère (de 20 à 90 % dans la basse troposphère). Les espèces carbonées qui constituent l’AO sont généralement classées selon la façon dont elles se sont retrouvées en phase particulaire. Les composés organiques émis directement sous forme particulaire dans l’air correspondent à l’aérosol organique primaire (AOP). Les composés organiques constituant la matière particulaire issus des réactions d’oxydation en phase gazeuse de composés organiques volatils ou semi-volatils (COV, COSV) et du transfert des produits formés vers l’aérosol constituent l’aérosol organique secondaire (AOS). Cette fraction secondaire peut représenter jusqu’à 80 à 90 % de l’AO total dans certains lieux (Kroll and Seinfeld, 2008; Srivastava et al., 2018) et sa connaissance demeure donc essentielle. Cependant, les processus chimiques et cinétiques associés sont encore mal connus. Un nombre croissant d’études scientifiques met en évidence la complexité des mécanismes mis en jeu ainsi que celle des particules ainsi formées, constituant bien souvent des mélanges internes entre espèces organiques et inorganiques. Ces composés secondaires jouent un rôle majeur sur la chimie de l’atmosphère et le climat, mais peuvent également jouer un rôle de premier ordre en termes de santé publique. En effet, certains d’entre eux peuvent être plus toxiques et nocifs que les composés organiques primaires dont ils sont issus et avoir ainsi des effets néfastes sur la santé des populations. Des travaux en laboratoire et sur site ont permis de cibler de nouveaux marqueurs moléculaires spécifiques pour quantifier des familles d’AOS rarement étudiées jusqu’à présent. Ces données sont précieuses pour le développement de modèles numériques, tels que le code CHIMERE co-développé par l’Ineris et le CNRS. Affiner la connaissance et les simulations des processus de formation des particules atmosphériques permet de mieux prédire la qualité de l’air. Les travaux expérimentaux et métrologiques menés à l’Ineris contribuent à une meilleure description de ces phénomènes et permettent de les transcrire dans les modèles. Observation en continu et sur le long terme de la composition chimique des particules fines sur la plateforme expérimentale SIRTA Les particules fines jouent un rôle majeur sur la qualité de l’air et sur le climat. Il est primordial de pouvoir quantifier leurs sources, ainsi que celles de leurs précurseurs gazeux, pour la mise en œuvre de plans d’action appropriés. Les études de tendance sur la composition chimique de l’atmosphère sont également nécessaires afin d’évaluer l’efficacité des mesures de gestion et d’améliorer les connaissances de l’impact des particules sur le réchauffement climatique, actuel et à venir. Dans ce contexte, l’Ineris s’est associé dès 2011 au Laboratoire des sciences du climat et de l’environnement (LSCE), pour la création d’une plateforme de mesure in situ des polluants atmosphériques. Cette plateforme expérimentale est localisée sur le plateau de Saclay (Essonne), à 25 km au sud-ouest de Paris, et est représentative de la pollution de fond en région Ile de- France. Elle constitue aujourd’hui une composante importante du SIRTA (Site instrumenté de recherche par télédétection atmosphérique, sirta.ipsl.fr) et, à plus large échelle, de l’infrastructure de recherche Européenne ACTRIS (Aerosol, Clouds and Trace gases Research InfraStructure, www.actris.eu). Elle est également intégrée au programme CARA du Laboratoire central de surveillance de la qualité de l’air (LCSQA) pour la surveillance opérationnelle de la composition chimique et des sources des particules atmosphériques à l’échelle nationale, ainsi qu’à différents programmes de recherche régionaux (tel que le DIM QI², nouveau domaine d’intérêt majeur de la région Ile-de-France). Moyennes mensuelles des concentrations et contributions relatives des espèces chimiques majeures de l’aérosol submicronique au SIRTA entre fin 2011 et début 2018. Ces travaux, menés dans le cadre des activités de recherche de l’Ineris montrent des cycles saisonniers, hebdomadaires et journaliers spécifiques aux différentes fractions des aérosols primaires et secondaires. En particulier l’aérosol organique primaire (AOP), provenant essentiellement de la combustion de biomasse et du transport routier, est prépondérant sur la période froide (de novembre à février), alors que le reste de l’année est dominé par des aérosols organiques oxygénés. Parmi ces derniers, une fraction moins oxydée, provenant probablement de façon majeure de précurseurs biogéniques, est prépondérante en été (60 % de l’AO en moyenne estivale). Par ailleurs, les études de tendance ont montré une légère diminution des concentrations (de l’ordre de 0,05-0,20 μg/m3 par an) de toutes les fractions d’AO identifiées au cours de la période étudiée, hormis pour cette fraction d’AO moins oxydée qui ne présente pas de tendance significative. Ces observations sur le long terme ont également permis d’alimenter une étude publiée en 2019 sur l’influence des émissions du volcan Bardarbunga (Islande) sur la qualité de l’air en Europe de l’ouest en 2014 et 2015, ainsi qu’une autre étude portant sur l’origine des composés organiques volatils (COVs) en région Ile-de-France. En lien avec cette dernière thématique, des travaux sont en cours avec le LSCE afin d’explorer l’apport de l’observation de ces COVs pour une meilleure compréhension des sources de l’AO. De l’importance des marqueurs organiques dans l’atmosphère La connaissance de l’ensemble des espèces chimiques constituant l’AO reste, à ce jour, encore très partielle car seulement 5 à 30% ont déjà pu être identifiés ou quantifiés à un niveau moléculaire. De plus, il n’existe pas à ce jour de marqueurs spécifiques pour de nombreuses sources d’émissions et de processus secondaires d’intérêt (ex. chauffage au bois vs brûlage à l’air libre, émissions essence vs diesel, activités culinaires...). Si certaines informations sur la formation des marqueurs d’AOS existent dans la littérature, d’autres mécanismes chimiques doivent encore être déterminés avant de pouvoir être utilisés par les modèles numériques. Par ailleurs, de nombreux modèles utilisent aujourd’hui des approches de type VBS (Volatility Basis Set) pour simuler la formation d’AOS. Cette approche a été développée avec l’idée générale de découper le chromatogramme d’analyse des phases gazeuse et particulaire en différentes sections suivant le temps de rétention de différents étalons internes donc suivant la volatilité de ceux-ci. Des méthodes de prélèvements et/ou d’analyses spécifiques doivent être optimisées et mises en œuvre pour répondre aux objectifs de cette opération. Dans ce cadre, l’institut a mené des travaux afin de développer et intégrer dans le modèle 3D de la qualité de l’air CHIMERE des mécanismes de formation de marqueurs moléculaires d’AO. De plus, des travaux ont été menés pour identifier des marqueurs moléculaires ou profils chimiques de sources primaires ou secondaires d’intérêt de l’AO afin de permettre à terme leur utilisation dans des modèles source-récepteur et de déconvoluer ces sources encore non résolues pour l’instant. Ce travail se base notamment sur l’émergence de la spectrométrie de masse haute résolution (HRMS), permettant d’apporter une caractérisation plus complète des polluants atmosphériques. En particulier, des méthodologies d’analyses non-ciblées (non-target screening (LC et GC-HRMS), encore peu utilisées en chimie atmosphérique, peuvent désormais être mises en œuvre afin d’identifier de nouveaux composés moléculaires organiques. Deux sources de PM sont prioritairement étudiées afin de discriminer les sources d’AOS : la combustion de biomasse dans le cadre du projet ADEME SODEMASS, (« combustion domestique du bois » vs « brûlage à l’air libre de déchets vert ») et les émissions véhiculaires (« essence » vs « diesel ») avec une attention particulière sur l’AOS formé par photooxydation. Sur ce dernier volet, des essais de vieillissement à l’aide d’un tube de réactivité de type PAM (Potential Aerosol Mass) sont prévus en lien avec le projet EVORA.
