Recherche pour CARA

Dans le cadre du programme CARA (Caractérisation chimique des particules), un suivi de la composition chimique des PM10 est effectué depuis 2008 sur la station de fond urbain Grenoble-Les Frênes. Cette étude est réalisée à partir de prélèvements sur filtres, en étroite collaboration avec ATMO Auvergne-Rhône-Alpes, l’Institut des Géosciences de l’Environnement, et le Laboratoire de Chimie Moléculaire et Environnement. L’un des principaux objectifs de ce suivi est de déterminer l’influence de la combustion de la biomasse sur les niveaux de PM, cette source étant considérée comme l’une des activités anthropiques les plus polluantes, en particulier en vallée alpine. Un objectif complémentaire est d’évaluer le lien entre l’évolution des concentrations en PM biomasse et celle des concentrations en Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP). Le présent rapport vise à analyser les évolutions temporelles des concentrations de lévoglucosan, en tant que traceur des PM issues de la combustion biomasse (PMbiomasse), des fractions carbonées (carbone élémentaire et carbone organique) ainsi que des HAP au cours des dix dernières années. Les résultats obtenus indiquent une baisse significative des concentrations de PM10, mais également du carbone élémentaire (EC) et des HAP. En revanche, les concentrations de PM issues de la combustion de biomasse n’ont pas significativement évolué. Leur contribution relative aux PM10 a donc sensiblement augmenté. En effet, la contribution moyenne hivernale de PMbiomasse est ainsi passée d’environ 20% autour de 2010 à 30-35% des PM10 aux cours des derniers hivers. Ainsi, les résultats obtenus suggèrent une diminution des émissions de PM liées à des sources autres que la combustion de biomasse (e.g., transport routier, activités industrielles). En revanche, le chauffage au bois reste l’une des principales sources de PM à Grenoble, et il apparait nécessaire de poursuivre ce type d’étude à moyen terme, afin notamment d’aider à la bonne évaluation de l’efficacité des politiques publiques mises en œuvre (dont les « fonds air bois ») en région Auvergne-Rhône-Alpes, comme sur d’autres territoires.

Depuis 2007, une surveillance est effectuée par l’ensemble des AASQA de façon continue ou ponctuelle, pour le Pb, As, Cd et Ni dans les PM10 en accord avec les directives européennes (2008/50/CE et 2004/107/CE modifié par la 2015/1480/CE). Les objectifs de Mines Douai, au sein du LCSQA, sont : d'assurer un rôle de conseil et de transfert de connaissances auprès des AASQA, de procéder à des travaux permettant de garantir la qualité des résultats, de participer activement aux travaux de normalisation français (AFNOR X43D) et européens (WG14, WG20, WG44), de réaliser une veille technologique sur les nouvelles méthodes de prélèvement et d’analyse susceptibles d’optimiser les coûts tout en respectant les objectifs de qualité, de participer à la valorisation des activités de surveillance et des études menées en collaborations avec les AASQA.   Au cours de l'année 2016, les travaux réalisés dans le cadre du LCSQA ont porté sur les actions suivantes : Fourniture de filtres vierges en fibre de quartz. Des filtres sont achetés par lots et leurs caractéristiques chimiques sont contrôlées, avant d’être redistribués aux AASQA sur simple demande de leur part. En 2016, 4 550 filtres en fibre de quartz (Pall et Whatman) ont été distribués auprès de 16 AASQA différentes. Participation au comité de suivi « Benzène, métaux, HAP » sur la stratégie de mesure de As, Cd, Ni, Pb dans l’air ambiant, au groupe de travail « Caractérisation chimique et sources des PM » et au groupe de travail « Référentiel constituant ». Préconisation méthodologique pour l’analyse du chrome total dans les PM10. La méthode préconisée pour les 4 métaux réglementés, issue de la norme EN 14902, n’est pas appropriée pour cet élément (cf travaux LCSQA-Mines Douai 2014). Une revue de la littérature et des essais sur divers matériaux de référence certifiés et sur filtres vierges et impactés de PM10 (Téflon et quartz) ont été réalisés afin de proposer la meilleure méthode disponible pour la mesure du Cr total dans les PM10. Analyse des métaux, métalloïdes et éléments majeurs dans des échantillons de PM10 collectés dans le cadre du programme CARA à Nogent sur Oise, Poitiers et SIRTA (Paris) pendant l’année 2015. L’application de modèles source-récepteur (PMF) permet l’identification des principales sources de particules affectant les zones (sites récepteurs) et leurs contributions relatives à la masse des PM10 (voir rapport LCSQA-CARA).

Les particules atmosphériques sont constituées d’une très grande variété d’espèces chimiques, dont la nature et les concentrations varient suivant les sources d’émission et l’intensité des mécanismes secondaires donnant lieu à la formation de nouvelles particules et/ou à leur transformation dans l’atmosphère. Ainsi, l’étude de la composition chimique des particules permet d’obtenir des indications sur les sources et les processus contribuant à l’évolution des concentrations observées en air ambiant. Le présent rapport rend compte d’une analyse géochimique multisites des concentrations moyennes saisonnières des composés majeurs et de quelques espèces traces des PM en France métropolitaine. Il s’appuie sur les résultats obtenus au cours de ces dernières années pour 19 sites de typologies différentes (11 urbains, 2 trafics, 3 vallées alpines, et 3 ruraux), dans le cadre du programme CARA et/ou de projets coordonnés par l’IGE. Ce travail, conduit en parallèle d’une vaste étude de sources de PM via l’utilisation de modèle sources-récepteur de type Positive Matrix Factorization dans le cadre le projet SOURCES cofinancé par l’ADEME, apporte une vision globale des principales sources de PM et de leurs impacts en fonction des caractéristiques du site étudié. Les principaux résultats obtenus sont repris ci-dessous : Des concentrations maximales en matière organique et en levoglucosan sont observées en période hivernale sur la quasi-totalité des sites étudiés, témoignant de la grande influence de la source de combustion de la biomasse liée au chauffage domestique (en tout premier lieux dans les vallées alpines, mais également sur l’ensemble des niveaux de fond urbain) ; Des concentrations maximales en nitrate d’ammonium sont observées au printemps, en particulier dans la partie nord de la France, en lien notamment avec les émissions agricoles de NH3 et les conditions météorologiques favorisant la formation d’aérosols secondaires semi-volatils ; Des concentrations relativement élevées de sulfate sont observées en été sur la plupart des sites du sud de la France, reflétant l’importance de l’impact des émissions par combustion de fioul lourd et de l’intensité des processus photochimiques ; Des concentrations maximales en polyols sont observées en été et/ou en automne sur l’ensemble des sites étudiés, suggérant un impact non négligeable des émissions biogéniques primaires (e.g., spores fongiques) ; Des concentrations plus importantes en Cu, Sb et Ba (émis par l’usure de certaines pièces mécaniques des véhicules, pneus/freins) sont observées sur les deux sites trafics de Roubaix et Strasbourg, confirmant l’influence des émissions automobiles hors échappement au niveau local.  La détermination des espèces chimiques prises en compte pour la présente étude permet une description préliminaire des principales sources anthropiques de PM pouvant influencer les niveaux de concentrations en air ambiant. Néanmoins, selon les sites, une caractérisation chimique plus fine peut s’avérer nécessaire à une meilleure description d’autres sources primaires locales (e.g., activité industrielle spécifique) et/ou des phénomènes de formation des aérosols secondaires (tels que les aérosols organiques secondaires biogéniques ou anthropiques).

Ce rapport présente les résultats issus de l’utilisation de l’outil statistique Positive Matrix Factorization (PMF) pour une réanalyse homogène de 15 jeux de données français collectés lors de ces 6 dernières années dans le cadre du programme CARA et/ou de projets de recherche nationaux/européens. Ce travail a notamment été conduit dans le cadre du projet SOURCES (cofinancé par l’ADEME) et constitue la plus large étude de sources de PM10 au niveau national par application d’outil sources-récepteur. Cette étude inclut le développement d’une méthodologie de traitement de données harmonisée (analyse statistique du jeu de données, sélection des variables d’entrée pour l’analyse PMF, estimation de leurs incertitudes, application des contraintes chimiques spécifiques dans les profils chimiques de certains facteurs). L’application de cette méthodologie sur un ensemble des jeux de données disponibles converge vers les principales conclusions suivantes : Les émissions primaires liées au transport routier influencent fortement la masse des PM10sur les sites de proximité automobile, mais également sur certains sites de fond urbain tels que Rouen, Marseille, Grenoble et Nogent (avec des contributions relatives de l’ordre de 20-30% en moyenne annuelle). Sur les autres sites, les contributions annuelles sont d’environ 10%. La source de combustion de la biomasse est très importante en hiver, contribuant jusqu’à 70% de la masse des PM10en moyenne saisonnière à Chamonix (contre 10-15% à Marseille, Lens et Rouen, et environ 30% sur tous les autres sites). Les aérosols secondaires riches en nitrate d’ammonium présentent une concentration maximale au printemps (typiquement 30% des PM10), en particulier sur les sites de la moitié nord de la France. L’impact des aérosols secondaires riches en sulfate d’ammonium sur les niveaux de PM10est principalement observé en période estivale (en particulier dans le sud de la France). Les poussières minérales présentent des contributions importantes (5-20%) et relativement comparables au printemps et en été sur un grand nombre de sites. De nouveaux traceurs organiques - e.g., polyols et l’acide méthylsulfonique (MSA), rarement utilisés dans les études précédentes - ont permis la quantification de sources biogéniques spécifiques (e.g., émissions primaires biogéniques et aérosols organiques secondaires d’origine marine) qui présentes des contributions significatives du printemps à l’automne. Cette étude s’inscrit dans un contexte de définition de procédures d’assurance qualité pour l’application des outils de source apportionment au niveau européen, incluant les exercices de comparaison inter-laboratoire organisés par le JRC et les travaux de normalisation du CEN. La méthodologie mise en œuvre pourra notamment être utilisée dans de prochaines études PMF à large échelle spatiale, permettant ainsi d’améliorer la comparabilité des résultats entre les différents sites et des différentes régions. Néanmoins, une limitation inhérente à l’utilisation d’un protocole de traitement de données harmonisé réside dans l’hétérogénéité (en nombre et en qualité) du panel des espèces chimiques utilisées comme variables d’entrée. Ainsi, selon les caractéristiques spécifiques des sites et jeux de données étudiés, l’utilisation d’une approche « personnalisée » de traitement de données peut être préférée. En particulier, l’élargissement du jeu de données d’entrée avec, par exemples, de nouveaux marqueurs organiques (e.g., n-alcanes, hopanes, cellulose, oxy- et nitro-HAP dérivés, et/ou autres marqueurs de composés secondaires), des résultats de mesures isotopiques (e.g., 14C, 15N), et/ou des données d’analyseurs automatiques (AE33, ACSM, mesures de métaux en continu…), doit permettre d’améliorer l’identification et la quantification de certaines sources minoritaires (e.g., émissions industrielles et/ou combustion de fioul lourd) ainsi que les facteurs liés aux aérosols secondaires (organiques et inorganiques).

  Attention : Ce guide 2016 est obsolète ; il a fait l'objet d'une révision en 2020 applicable au 15 décembre 2020. Lire le guide révisé "Guide méthodologique pour la mesure du « Black Carbon » par Aethalomètre multi longueur d’onde AE33 dans l’air ambiant " (2020)   Ce document constitue la première version du guide méthodologique LCSQA pour la mesure des concentrations de carbone suie (ou Black Carbon, BC), émis par les sources de combustion. Il concerne l’utilisation de l’aethalomètre multi-longueur d’onde AE33 fabriqué par « Magee scientific ». Ce guide méthodologique ne constitue pas un mode opératoire ou un manuel d’utilisation. Le lecteur est invité à se reporter au manuel fourni par le distributeur pour les informations relatives au fonctionnement de l’instrument lui-même. Ce document s’attache à recenser les bonnes pratiques, les fréquences de maintenance, les différentes étapes inhérentes à la validation des données ainsi que les méthodes d’exploitation des données à travers notamment l’utilisation d’un modèle d’estimation des sources reliées aux combustion de biomasse ou de carburant fossile. Il a été rédigé sur la base des documents des constructeurs, des échanges avec le distributeur, de l’état de l’art scientifique ainsi que des retours d’expériences des utilisateurs des AASQA émis notamment lors des réunions LCSQA du « Groupe Utilisateur AE33 » et du « Groupe de travail du programme CARA ». Ce guide pour l’utilisation des AE33 pourra être remis à jour en fonction des retours d’expériences des utilisateurs, des préconisations du constructeur ou des avancées de l’état de l’art scientifique. Approuvé en CPS du 15 mars 2018.

La pollution particulaire constitue aujourd’hui un véritable enjeu à la fois politique  sanitaire et règlementaire. Ainsi, un besoin fort est exprimé par les pouvoirs publics de se doter d’outils de compréhension des phénomènes et d’aide à la décision afin d’appliquer la Directive 2008/50/CE et mettre en œuvre des plans de réduction des sources de matière particulaire (PM) en France. C’est pourquoi le dispositif CARA a été crée au sein du Laboratoire Central de Surveillance de la Qualité de l’Air (LCSQA) et que des campagnes de mesures sont menées sur le territoire pour suivre des traceurs spécifiques de certaines pollutions, caractériser la pollution particulaire dans des zones spécifiques telles les zones rurales, mettre au point des méthodes d’analyse et de traitement des données pour attribuer les sources et comprendre les phénomènes. En 2009, un premier rapport s’est attaché à faire l’état des lieux des différentes approches existantes pour l’attribution des sources de particules ainsi que des différentes études de source de PM menées en France au niveau national, régional et dans le domaine de la recherche, ce travail a révélé la multiplicité et la diversité de ces études. En 2010, ce travail de veille s’est poursuivi et a permis de mettre en évidence les principaux éléments suivants : Le nombre de sites instrumentés pour l’étude des PM est passé d’une trentaine en 2009 à une cinquantaine en 2010. La grande majorité de ces sites couvre la partie Est de la France, l’Ouest n’étant couvert que par quelques sites du dispositif CARA et les sites ruraux. Une grande majorité des projets régionaux est tournée vers l’attribution des sources locales et plus particulièrement le chauffage au bois, aucun ne s’intéresse spécifiquement aux apports transfrontaliers (si l’on excepte les projets AERA paragraphe 7.9 et PACTES paragraphe 7.11 en partenariat avec l’Italie) et aux sources naturelles. Parmi l’ensemble des projets, deux seulement sont destinés à des applications épidémiologiques (« Brumes de sable » en Martinique paragraphe 7.5 et le site d’observation de la Meuse paragraphe 7.7) et un se destine à des études de toxicologie (PACTES en région PACA paragraphe 7.9). Le nombre d’études régionales est bien plus important que le nombre d’études menées à l’échelle nationale et les programmes de recherche nationaux sont peu nombreux. Alors que de multiples études régionales sont venues enrichir celles répertoriées en 2009, aucun nouveau programme de recherche national n’a été initié en 2010 alors que les campagnes MEGAPOLI ont eu lieu et que le programme FORMES est arrivé à son terme. Cet état de fait semblerait mettre évidence une plus grande facilité à monter des projets localement, qu’au niveau national en regroupant plusieurs laboratoires et ainsi des compétences multiples et complémentaires, et par conséquent la nécessité de favoriser la mise en place et le financement de ce type de projets par un encadrement national par exemple.  Néanmoins, qu’elles soient un outil des pouvoirs publics, aient pour objectif la caractérisation d’une pollution locale ou la compréhension des phénomènes, toutes ces études participent à la connaissance de la pollution particulaire en France et sont ou seront à l’origine d’une masse importante de données. A nouveau le besoin de cohérence nationale pour la mise en œuvre de tels projets est clairement identifié afin que les méthodes de mesures soient harmonisées pour une meilleure exploitation des données et que les différents projets soient coordonnés pour apporter les réponses adaptées à la problématique nationale posée par la pollution particulaire (réduction des sources, estimation de l’exposition, application de la Directive). Dans ce contexte et dans la continuité du travail de veille réalisé depuis 2009, une revue et compilation de l’ensemble de ces données est prévue pour les années à venir par le LCSQA. La vision globale que peut offrir ce travail pourrait permettre de proposer des pistes d’orientation des projets en création ou d’exploitation des données des projets en cours.

L’élaboration et l’évaluation des plans d’action visant à améliorer la qualité de l’air nécessitent l’identification et la quantification des principales sources d’émissions. Deux grands types de méthodologies sont alors principalement utilisées : celles se basant sur l’utilisation de modèles numériques permettant de simuler le devenir des polluants dans l’atmosphère à partir de cadastres d’émission, de la paramétrisation des conditions météorologiques et des processus physico-chimiques de (trans-)formation des PM ; celles se basant sur la mesure des propriétés physico-chimiques des particules sur un site récepteur (« modèles récepteurs »). Ces derniers rendent compte des situations réelles et sont aujourd’hui couramment utilisés au sein de la communauté scientifique et par les acteurs de la surveillance de la qualité de l’air. Un guide méthodologique pour leur mise en œuvre a été édité en 2014 et révisé en 2019 dans le cadre des travaux du forum Européen pour la modalisation de la qualité de l’air (FAIRMODE).[1] Le LCSQA/Ineris s’est fortement impliqué dans ces travaux, en collaboration avec le Joint Research Center. La présente note relie les différents chapitres du guide européen (indiqués en bleu) à certains des principaux points d’attention à considérer lors de la mise en œuvre de ce type outils statistiques, et en particulier de la Positive Matrix Factorization (PMF). Elle ne constitue donc pas un substitut à une lecture attentive et une application rigoureuse du guide européen.   [1] https://ec.europa.eu/jrc/en/publication/european-guide-air-pollution-source-apportionment-receptor-models

Depuis 2007, une surveillance est effectuée par l’ensemble des AASQA de façon continue ou ponctuelle, pour le Pb, As, Cd et Ni dans les PM10 en accord avec les directives européennes (2008/50/CE et 2004/107/CE modifiées par la directive 2015/1480/CE). Les objectifs de l’IMT Lille Douai, au sein du LCSQA, sont d'assurer un rôle de conseil et de transfert de connaissances auprès des AASQA, de procéder à des travaux permettant de garantir la qualité des résultats, de participer activement aux travaux de normalisation français (AFNOR X43D) et européens (WG14, WG20, WG44), de réaliser une veille technologique sur les nouvelles méthodes de prélèvement et d’analyse susceptibles d’optimiser les coûts tout en respectant les objectifs de qualité et de participer à la valorisation des activités de surveillance et des études menées en collaborations avec les AASQA. En 2017, les travaux réalisés ont porté sur la fourniture de filtres vierges en fibre de quartz. Des filtres ont été achetés par lots et leurs caractéristiques chimiques ont été contrôlées, avant d’être redistribués aux AASQA sur simple demande de leur part. En 2017, 3 275 filtres en fibre de quartz (Pall et Whatman) ont été distribués auprès de 15 AASQA différentes. Le LCSQA IMT Lille Douai a également participé aux GT « Caractérisation chimique et sources des PM » et « Référentiel constituant » organisés en 2017. Il a enfin réalisé les analyses des métaux, métalloïdes et éléments majeurs dans des échantillons de PM10 collectés dans le cadre du programme CARA à Nogent sur Oise et Metz pendant l’année 2016. Le traitement statistique (ACP, PMF) de ces données doit permettre l’identification des principales sources de particules affectant la zone (site récepteur) et leurs contributions relatives à la masse des PM10.

Le dispositif national s’est équipé ces dernières années d’Aethalomètre multi-longueurs d’onde (de type AE33) permettant d’assurer la surveillance du carbone suie en tant que traceur potentiel de polluants responsables de l’impact sanitaire des particules, mais également de différencier les émissions de ce composé dues à la combustion d’hydrocarbures de celles liées à la combustion de biomasse (BCff vs. BCwb). Il est ainsi possible de disposer d’une première estimation des concentrations de PM issues de ces deux familles de sources à l’aide de simples approches mono-traceur (PMff = a x BCff et PMwb = b x BCwb). Cependant, les profils chimiques des particules émises par combustion de biomasse peuvent être très différents d’un site et/ou d’une période de mesure à l’autre, induisant une forte incertitude sur les valeurs du facteur de conversion à appliquer entre BCwb et PMwb selon le cas d’étude. La valeur de ce facteur reste très incertaine si elle ne peut pas être contrainte par le biais d’études de sources spécifiques et indépendantes (e.g., mesures sur filtres). Outre le carbone suie, les combustions de biomasse émettent principalement de la matière organique, dont une partie absorbe le rayonnement lumineux dans le proche ultraviolet. Cette fraction organique absorbante, appelée Brown Carbon (BrC), n’est pas identique d’une combustion à l’autre, ne provient pas uniquement de la combustion de biomasse et n’est pas le seul composé (en plus du carbone suie) à absorber la lumière autour de 400 nm. Malgré ces nombreux facteurs d’incertitudes, on observe de très fortes corrélations entre les concentrations de PM issues de la combustion de biomasse et la quantité de lumière absorbée dans le proche UV par le BrC sur un panel de différents sites de fond urbain français. Ces résultats suggèrent la possibilité d’estimer directement les concentrations d’aérosols organiques issues de la combustion de biomasse, sans hypothèses sur la part de Black Carbon liée à la biomasse.