Mesure et caractérisation des aérosols organiques à Beyrouth, Liban

L’aérosol atmosphérique

Un aérosol atmosphérique est par définition toute particule solide ou liquide en suspension dans l’atmosphère, à l’exception des gouttelettes d’eau nuageuses (IPCC, 2007). Les aérosols atmosphériques peuvent diffuser ou absorber le rayonnement solaire, et donc modifier l’équilibre radiatif de l’atmosphère (Kanakidou et al., 2005). L’aérosol ainsi défini regroupe plusieurs constituants et est généralement divisé entre aérosol primaire et aérosol secondaire. L’aérosol primaire émis directement dans l’atmosphère par des sources anthropiques et biogènes inclut par exemple le carbone organique (OC) primaire, le carbone élémentaire (EC), les sels marins, les pollens et les poussières minérales, tandis que l’aérosol secondaire, qui résulte de l’oxydation de certains composés (composés organiques volatils (COV), dioxyde de soufre (SO2), oxydes d’azote
(NOx)) (Seinfeld et Pandis, 2006) est constitué principalement de carbone organique, sulfate, nitrate et ammonium. Le carbone élémentaire (ou carbone suie) réchauffe l’atmosphère par absorption du rayonnement solaire, alors que le carbone organique participe principalement au refroidissement de l’atmosphère de la terre par diffusion du rayonnement (Tsigardis et Kanakidou, 2003).
La matière organique particulaire (MOP) est constituée d’une fraction primaire (aérosol organique primaire (AOP)) et d’une fraction secondaire (aérosol organique secondaire (AOS)). Elle peut constituer entre 30 et 70 % de la masse des particules (Kanakidou et al., 2008). Étant donné que les mécanismes qui aboutissent à la formation de cette matière sont de nature complexe et afin de pouvoir mieux appréhender l’effet de cette matière sur la santé et le climat, son identification et sa quantification sont d’une importance capitale.

Impacts des aérosols sur le climat, la visibilité et la santé

Les aérosols ont un effet important sur la visibilité et la santé humaine et peuvent influencer directement et indirectement le climat (IPCC, 2007).

Forçage radiatif

Le forçage radiatif des aérosols représente leur participation dans le bilan radiatif terrestre et dans le processus de réchauffement climatique (Tsigardis et al., 2006). Les particules fines (< 2.5 µm) qui ont des dimensions proches des longueurs d’ondes dans le visible (400 à 700 nm), possèdent un impact climatique plus fort que celui des grosses particules (> 2.5 µm) et sont transportées, en l’absence de précipitation, loin de leurs régions d’origine. Leur impact climatique et environnemental est, par conséquent, délocalisé par rapport aux zones d’émissions. L’impact de cette participation peut être direct, semi-direct ou indirect (Tsigardis et Kanakidou, 2003). Ils ont un effet radiatif direct parce qu’ils rediffusent dans toutes les directions, et éventuellement absorbent,
le rayonnement qu’ils interceptent. L’effet lié à la diffusion du rayonnement solaire se traduit dans le visible par un effet de brume sèche et une diminution de la visibilité. La rétrodiffusion du rayonnement solaire vers l’espace par les aérosols induit en moyenne globale une diminution nette de l’énergie incidente au sommet de l’atmosphère, et donc en général un forçage radiatif négatif. Cependant, l’absorption par l’aérosol qui induit un réchauffement des couches atmosphériques peut provoquer l’évaporation des nuages éventuellement présents en exerçant un forçage positif. C’est l’effet semi-direct (PIGB-PMRC, 2006).
De plus, un effet indirect se traduit par une modification des propriétés microphysiques des nuages et de leur durée de vie, conduisant à modifier l’albédo planétaire et le régime des précipitations (IPCC, 2001). En effet, les aérosols hydrophiles peuvent agir en tant que noyau de condensation des nuages (CCN) en contribuant de manière significative à la masse des particules (Carlton et al., 2008).

Impacts sanitaires

L’impact de la pollution sur la santé est largement reconnu depuis plusieurs décennies et de nombreuses études ont démontré l’existence d’une relation entre l’exposition prolongée aux particules fines et les effets nocifs sur la santé (Pope et al., 2009). Chaque année, on estime que 800000 personnes succombent à des affections cardiovasculaires et respiratoires dues aux particules en suspension dans l’air (OMS, 2002) . L’effet des particules sur la santé dépend de leurs tailles. Les grosses particules (> 5 µm) s’arrêtent dans la région nasopharyngée. Entre 1 et 5 µm, les particules s’installent dans la région trachéobronchiale ou elles peuvent être éliminés en 24 h (Primequal-Predit, 2005). Les particules fines de diamètres inférieurs à 1 ou quelques µm peuvent atteindre les régions bronchiales et alvéolaires et y persister. Par inhalation, elles se déposent sur les cellules des organes concernés (appareil respiratoire) entraînant le déclenchement du processus immunitaire. Tout ce processus se traduit généralement chez l’être humain par une obstruction bronchique entraînant l’asthme ou la broncho-pneumopathie chronique obstructive (Primequal, 2008). Aussi, ces microparticules peuvent transporter des composés toxiques et cancérigènes comme les HAP, les métaux (Gammon et al., 2004) et le carbone suie des moteurs diesel, des composés généralement émis par la combustion des énergies fossiles provenant du diesel (Robinson et al., 2007). Elles peuvent traverser aussi la barrière physiologique, être transportées dans le réseau sanguin et atteindre des organes vitaux.
Les HAP, produits industriellement et issus de la combustion de carburants de la biomasse, font partie des composés les plus toxiques et cancérigènes connus, même à des concentrations extrêmement faibles.

Sources d’émissions

L’aérosol atmosphérique est composé d’une fraction primaire provenant d’émissions directes de particules dans l’atmosphère, et d’une fraction secondaire résultant de la conversion de gaz par un processus appelé « conversion gaz/particules ».

Sources de particules primaires

Les particules primaires émises directement dans l’atmosphère proviennent de sources naturelles et de sources anthropiques.
Sources naturelles
Érosion des sols : L’érosion des sols est responsable de l’émission de poussières sous forme de particules. Ces émissions dépendent de la vitesse du vent et de la nature du sol. Ainsi, le vent est capable d’arracher du sable ou de l’argile et de les transporter sous forme de particules. Ces particules sont principalement de grosses particules avec un diamètre aérodynamique moyen de l’ordre de quelques µm. Elles sont constituées principalement d’oxydes métalliques, d’aluminosilicates et de débris de plantes et d’humus, de silices.
Les mers et les océans : Les océans sont responsables de la production de l’aérosol marin qui est connu sous le nom du « spray » océanique. Il est produit dans les vagues déferlantes et sous l’action du vent lors de la formation des gouttelettes d’eau chargées de sels marins. Par évaporation, ces gouttelettes d’eau se transforment en cristaux solides. Ce genre de particules est constitué d’ions chlorures, sodium, du sulfate mais aussi d’autres ions.
Les volcans : Les volcans projettent de façon discontinue des particules dans l’atmosphère. Deux types d’aérosols sont directement émis : les aérosols silicatés et les aérosols sulfatés. Les aérosols silicatés contiennent en grande proportion des métaux lourds tandis que les aérosols sulfatés résultent de la transformation des gaz volcaniques soufrés au contact de la vapeur d’eau qui refroidit et se condense.
Sources anthropiques
Transport routier : Le trafic routier constitue la contribution la plus importante des émissions des particules anthropiques en zones urbaines. L’émission des particules provient des processus de combustion des carburants fossiles, ainsi que du frottement des pneus, l’usure des plaquettes de frein et la remise en suspension. La combustion est responsable de l’émission de particules fines composées généralement de carbone organique et carbone élémentaire tandis que le frottement des pneus et l’usure des freins mènent à l’émission de particules qui contiennent des métaux (plomb, zinc, cuivre, aluminium, vanadium), des ions minéraux et des composés carbonés. Combustion de biomasse : La combustion de la biomasse provient majoritairement des feux de forêts d’origine anthropique ou naturelle et des activités humaines (chauffage individuel et cuisson des aliments). La végétation, qui est le principal combustible de biomasse utilisé, est composée principalement de cellulose, d’hémicellulose et de la lignine (Graber et Rudich, 2006). Le processus de pyrolyse de ses constituants émet des particules dans l’atmosphère.
Industries : Certaines industries sont responsables d’émissions de particules de toutes sortes. Ces émissions résultent de différents procédés liés à la combustion de carburants fossiles pour la production d’énergie, à l’incinération de déchets et les émissions liées à des procédés industriels.

Formation à partir de précurseurs

L’aérosol secondaire est formé par la nucléation ou la condensation de gaz qui peuvent être émis par des sources naturelles et anthropiques ou par l’oxydation de composés émis ou formés dans l’atmosphère. Précurseurs naturels :Les précurseurs naturels sont responsables de la formation de l’AOS par réactions chimiques à partir des COV et de l’aérosol inorganique secondaire (AIS) par réactions chimiques à partir de gaz précurseurs tels que le sulfur de diméthyle (DMS) et le SO2. À l’échelle mondiale, les émissions de COV biogènes (COVB), qui sont émis principalement par la végétation, sont estimées supérieures à celles résultant des émissions anthropiques (Guenther et al., 1995). L’isoprène représente environ la moitié de toutes les émissions naturelles de COV et, est en terme de masse, la composante dominante des émissions des COVB. Les estimations des émissions d’isoprène sont comprises entre 250 et 750 Tg/an. Pendant longtemps, l’isoprène n’a pas été considéré comme un producteur majeur de l’AOS. Cependant, des études ont montré la présence de substances, comme l’aldéhyde de glycol, l’hydroxyde d’acétone et les methyltétrols, indiquant l’implication de l’isoprène comme source de production des AOS (Claeys et al., 2004). Après l’isoprène, qui est un hémiterpène, viennent en termes d’émissions les monoterpènes (C10H16) avec des émissions annuelles comprises entre 127 et 147 Tg/an. L’α-pinène, le β-pinène, le sabinène et le limonène représentent 40-80 % des émissions globales des terpènes lorsque l’isoprène est exclu. Les sesquiterpènes, notamment l’α-humulène et le β-caryophyllène ont également la possibilité de former des AOS. Les estimations des émissions annuelles des sesquiterpènes sont comprises entre 94 et 260 Tg/an, mais elles sont très incertaines (Griffin et al., 1999). Ces COVB ont la possibilité de former 12-70 Tg/an d’AOS, ce qui représente une fraction importante puisque la production globale de l’AOS est estimée à 50-90 Tg/an (Hallquist et al., 2009).
Précurseurs anthropiques :Tout comme les précurseurs naturels, les précurseurs anthropiques participent à la formation de l’aérosol secondaire (AOS et AIS). Les composés aromatiques tel que le toluène et le xylène ont la possibilité de former des AOS (Odum et al., 1997). A l’échelle mondiale, les émissions annuelles sont estimées à 6,7 Tg de toluène, 4,5 Tg de xylène, 0,8 Tg de triméthylbenzène et 3,8 Tg des autres aromatiques (Olivier et al., 1999). Ces émissions constituent jusqu’à 15 % des émissions anthropiques de COVNM (composés organiques volatils non méthaniques) (Kanakidou et al., 2005). En Europe et aux États-Unis, les tendances à la baisse des émissions d’hydrocarbures ont été observées dans les dernières décennies.

Les aérosols organiques secondaires

Les aérosols organiques secondaires (AOS) sont les aérosols formés par diverses réactions d’oxydation de COV avec les oxydants atmosphériques présents dans l’air (O3, les radicaux hydroxyles (OH) et les radicaux nitrates (NO3)) (Atkinson, 2008). Afin de mieux comprendre les réactions qui aboutissent à la formation de l’AOS, il est nécessaire de savoir d’où proviennent les oxydants qui vont réagir avec ces COV.
Réactivité et mécanismes d’oxydation des COV :Les COV émis par des sources anthropiques et biogènes sont composés d’alcanes, d’alcènes, d’alcynes, de composés aromatiques et de composés oxygénés. Les COV réagissent avec le radical OH et avec l’ozone pendant la journée et avec le radical NO3 pendant la nuit car durant la journée les radicaux NO3 sont photolysés (Atkinson, 2008).
En général, les réactions d’oxydation des COV produisent un radical alkyle (R) simple ou substitué. Ce radical réagit avec l’oxygène de l’air et donne un radical peroxyle (RO2).
Dynamique des aérosols :La dynamique des aérosols inclut les processus qui affectent la concentration des aérosols (en nombre, surface, volume ou masse) en fonction de leur taille. Plusieurs processus contrôlent la dynamique des aérosols : La nucléation ,La condensation , La coagulation.
Les AOS sont formés par transfert de masse de la phase gazeuse vers la phase particulaire. Ce transfert peut avoir lieu par nucléation ou condensation.
La nucléation qui constitue la 1ère étape de la formation des particules est un processus par lequel les molécules de gaz se joignent afin de former un groupe de molécules (cluster) qui se condense pour former une petite goutte de liquide. Si le rayon du cluster atteint une taille critique, le cluster devient stable et sa taille peut alors augmenter par condensation. La nucléation peut être homogène ou hétérogène, homo-moléculaire ou hétéro-moléculaire. La nucléation est dite homogène quand un ou plusieurs gaz subissent une nucléation sans l’aide d’une surface préexistante. Par contre, elle est dite hétérogène quand elle se forme sur une surface préexistante. Elle est dite homo-moléculaire quand elle fait intervenir une seule espèce et hétéro-moléculaire quand elle fait intervenir plusieurs espèces. Cette nucléation est gouvernée par des principes thermodynamiques mettant en jeu l’enthalpie de formation d’une particule. Ainsi, dans l’atmosphère, un processus de nucléation homogène important est celui qui se produit entre l’eau et l’acide sulfurique. Les particules formées ont un diamètre qui varie entre 3-20 nm (particules ultrafines ou nanoparticules). Ces particules de faible taille vont grossir rapidement soit par condensation ou par coagulation.

Les principales techniques d’échantillonnage des aérosols

L’échantillonnage des aérosols se fait à partir d’un point fixe ou à partir d’un point mobile (exemple : échantillonnage aéroporté). L’utilisation d’une tête d’entrée pour le prélèvement des aérosols permet de déterminer un diamètre de coupure qui sépare les particules selon leurs tailles. A titre d’exemple, une tête d’entrée PM2.5 permet le prélèvement des aérosols qui possèdent un diamètre aérodynamique < 2.5 µm uniquement (avec cependant une certaine incertitude autour de ce diamètre). Les têtes d’entrée sélectionnent des aérosols selon leurs tailles en utilisant des classificateurs d’inertie tels que les impacteurs et les cyclones ou en utilisant des filtres de porosités différentes (McMurry et al., 2000).
Impacteurs : Les impacteurs classiques accélèrent les aérosols grâce à un jet circulaire ou une fente vers une impaction du substrat située perpendiculairement à l’axe d’écoulement de l’air prélevé. Les particules possédant une inertie à partir d’une valeur critique ne peuvent suivre l’écoulement et sont impactées sur le substrat. L’avantage d’une telle technique est qu’elle permet la classification des particules selon leurs tailles (Marple et Liu, 1975). L’inconvénient est que, avec de l’air sec, certaines particules solides vont rebondir après l’impaction.
Cyclones : Les cyclones sont des dispositifs en forme de cône ou de cylindre dans lesquels l’aérosol échantillonné entre tangentiellement, tourne plusieurs fois autour de l’axe et sort par une ouverture située au sommet de l’axe (McMurry et al., 2000). Les particules liquides adhèrent à la paroi tandis que les particules solides se déposent dans une tasse de collecte située au bas du cyclone. L’avantage de cette technique est qu’elle permet à la fois la collecte des particules solides
et liquides.
Filtres : Les filtres Nucleopore® avec de grands pores cylindriques (5-12 µm) ont été utilisés pour fournir des entrées sélectives en fonction de la taille des particules (Cahill et al., 1990). Les petites particules passent à travers ces filtres avec une haute efficacité tandis que les grosses particules ont une difficulté à les traverser. Ses filtres sont peu quantitatifs et non résistant à la majorité des solvants organiques. Par ailleurs, les grosses particules peuvent subir un phénomène de rebondissement. Ces filtres Nucleopore® sont d’avantage utilisés à faible débit d’air.

Table des matières

Introduction générale 
Chapitre I – Les aérosols atmosphériques
Partie I- Sources d’émissions et processus de formation
1. L’aérosol atmosphérique
2. Impacts des aérosols sur le climat, la visibilité et la santé 
2.1 Forçage radiatif
2.2 Visibilité
2.3 Impacts sanitaires
3. Sources d’émissions 
3.1 Sources de particules primaires
3.1.1 Sources naturelles
3.1.2 Sources anthropiques
3.2 Formation à partir de précurseurs
3.2.1 Précurseurs naturels
3.2.2 Précurseurs anthropiques
4. Granulométrie et composition chimique des particules 
4.1 Granulométrie des particules
4.2 Composition chimique
4.2.1 Fraction minérale
4.2.2 Fraction organique
4.3 Le carbone organique
4.4 Le carbone élémentaire
5. Les aérosols organiques secondaires
5.1 Définition
5.3 Dynamique des aérosols
5.4 Les phénomènes observés en atmosphère réelle
5.5 Vieillissement des aérosols
5.6 Formation d’AOS en phase aqueuse
Partie II – Mesure des aérosols
1. Les principales techniques d’échantillonnage des aérosols
2. Pertes et artéfacts de prélèvement 
3. Techniques analytiques 
3.1 Mesures des propriétés physiques
3.1.1 Mesure de la taille des particules
3.1.2 Mesure de la masse des particules
3.2 Mesures des propriétés chimiques
3.2.1 Mesure du carbone organique et du carbone élémentaire
3.2.2 Mesure du sulfate, du nitrate et de l’ammonium
3.2.3 Mesure des métaux
3.2.4 Détermination de la composition organique
3.3 Mesure des propriétés physiques et chimiques
Partie III – Modélisation des aérosols
1. Les modèles de chimie-transport 
1.1.1 Émissions
1.1.3 Les données sur l’occupation des sols
1.1.4 Conditions initiales et aux limites
1.2 Le modèle de chimie-transport Polyphemus/Polair3D
IV – Bibliographie
Chapitre II – Le cadastre des émissions pour le Liban et Beyrouth
Résumé
Bibliographie
An atmospheric emission inventory of anthropogenic and biogenic sources for Lebanon
1. Introduction
2 Methodology
2.1 The study domain
2.2.1 Large combustion sources
2.2.2 Other stationary sources
2.2.3 Mobile sources
2.2.4 Other mobile sources
2.2.5 Method for spatial allocation
2.2.6 Estimation of temporal variation
3. Results and discussions
3.1 Annual emissions
3.2 Spatial distribution
3.3 Temporal variation
3.4 Comparison of pollutant ratios
3.5 Uncertainty assessment
4. Summary and conclusions
5. References
6. Supplementary material
Emissions of air pollutants from road transport in Lebanon and other countries in the Middle
East region
1. Introduction
2. Methodology for the calculation of road traffic emissions
3. Emissions from the capital Beirut
4. Comparison of emissions among Beirut, Barcelona and Athens
5. Emissions during touristic periods: summer (July-August) versus winter (December-January)
6. Emissions from road traffic in Lebanon and comparison with other regions
7. Uncertainty assessment
9. Conclusion
10. References
11. Supplementary material
Chapitre III – Mesure et caractérisation des aérosols organiques à Beyrouth, Liban
Résumé
Bibliographie
Charachterization of organic tracer compounds in PM2.5 at a semi urban site in Beirut, Lebanon (Article ne figurant pas dans cette version car non publié encore)
Composition and source apportionment of organic aerosol in Beirut, Lebanon, during winter 2012 (Article ne figurant pas dans cette version car non publié encore)
Chapitre IV – Modélisation de la pollution de l’air à Beyrouth, Liban
Résumé
Bibliographie
Modeling air pollution in Lebanon: evaluation at a suburban site in Beirut
1. Introduction
2. Method
2.1 Modeling domains
2.3 Meteorological modeling
2.4 Air quality modeling
3. Meteorological simulations
3.1 Model simulation configurations
3.2 Results
3.3 Numerical options
3.4 Physical parameterizations
3.5 Best configuration
4. Air quality simulations
4.1 Gaseous species
4.2 Particulate pollutants
5. Conclusion
6. References
7. Supplement
Assessment of source contributions to air pollution in Beirut, Lebanon: comparison of source-based and tracer-based modeling approaches (Article ne figurant pas dans cette version car non publié encore)
Chapitre V – Conclusion générale 

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