Albédomètre multi-longueur d'onde pour la mesure des suies – MABCaM

Mesures de carbone suie avec haute précision
Le carbone suie, également connu sous le nom de « carbone noir », faisant directement référence à son nom anglais « Black Carbon, BC », fait partie des particules fines polluantes (PM2,5). Il réchauffe l'atmosphère en absorbant la lumière du soleil et est considéré comme le troisième agent de forçage climatique le plus puissant dans l'atmosphère après le CO2 et le CH4 [http://www.ipcc.ch/report/ar5/wg1/]. Les incertitudes associées au forçage radiatif du BC sont, pour l'instant, supérieures à 70 % et elles sont principalement liées aux techniques de mesure actuelles [J. Geophy. Res.: Atmos. 118 (2013) 5380]. Le BC a également été identifiée comme le polluant atmosphérique le plus nocif en termes d'impacts néfastes sur la santé humaine [REVIHAAP, Technical Report, World Health Organization (2013)]. Les méthodes de mesure du BC les plus largement utilisées sont l'aéthalométrie pour mesure en ligne et l'analyse optique-thermique hors ligne. Les analyses par ces deux méthodes sont réalisées sur les filtres. Cependant, de telles méthodes analytiques basées sur des filtres souffrent de la non linéarité en raison de la charge du filtre, ce qui peut conduire à un biais de mesure important [Aerosol Sci. Technol. 42 (2008) 1033]. Dans ce projet, nous avons proposé de développer un nouvel Analyseur de Carbone Suie impliquant une cavité optique innovante. Les mesures de l'extinction et de l'absorption du BC et d'autres aérosols sont directement effectuées sans filtre en fonction de la longueur d'onde dans la région spectrale principale du rayonnement solaire de 400 à 2000 nm. Ces mesures larges bandes de l'UV au proche infrarouge, recommandées par l'Agence européenne pour l'environnement [EEA Technical report No 18/2013], peuvent fournir des informations supplémentaires sur la taille des particules (en raison de la dépendance de la longueur d'onde de diffusion par les particules fines) et la composition chimique des aérosols (en raison de leur absorptions sélectives en longueur d'onde) [J. Geophys. Res. 113 (2008) D16203].

Des cavités optiques de haute finesse, basées sur deux prismes en SiO2 ou en CaF2, ont été démontrées dans une région spectrale de longueur d'onde de 400 à 2000 nm (?>400 nm est limitée par la source lumineuse disponible). Des réflectivités effectives de R=99,925% pour les prismes en CaF2 et R=99,984% pour les prismes en SiO2 ont été réalisées. Les spectres d'absorption en cavité de NO2, NO3 et vapeur d'eau ont été étudiée pour déterminer la réflectivité du prisme. En parallèle, un spectrophone photoacoustique multi-longueurs d'onde a été développé pour la mesure directe sans filtre de l'absorption du BC et d'autres aérosols.

(1) Nouveau projet ANR ICAR-HO2 (2020-2024)
L'expertise acquise en cavité optique dans le cadre du projet ANR-MABCaM nous a permis de proposer le développement d'un instrument spectroscopique innovant pour la mesure optique directe des radicaux hydroperoxyl (HO2) en utilisant la spectroscopie de rotation de Faraday en cavité. Les radicaux HO2 jouent un rôle majeur dans la chimie atmosphérique. La mesure de leur concentration est essentielle pour identifier un manque de compréhension des processus d'oxydation en phase gazeuse. De nombreux efforts ont été faits au cours des dernières décennies pour développer des instruments sensibles dédié à une quantification fiable des radicaux HO2, une tâche difficile en raison de leur forte réactivité et de leurs faibles concentrations (~pptv). Cependant, ces instruments sont en général très coûteux, encombrants et demandent un étalonnage et une conversion chimique (entraînant des interférences). Un instrument scientifique compact sera développé pour une mesure absolue et directe de la concentration de HO2 dans l'atmosphère. Cette proposition PRC, intitulée «An Innovative Compact instrument for AtmospheRic HO2 monitoring«, a été soumise au programme ANR dans le «Domaine « Sciences de l'environnement », Axe 1.3 : Innovations scientifiques et technologiques pour accompagner la transition écologique«, en collaboration avec le GSMA (Université de Reims) et le PC2A (Université de Lille).
(2) Nouveau projet PIA SEAM (2021-2025)
Grace à l'expertise acquise en mesure optiques des particules carbonés dans le projet ANR-MABCaM, un nouveau projet intitulé “Smart Eco-efficient Air quality Monitoring system” (SEAM), répondant à l’appel à projets « Economie Circulaire – Ecoefficience dans l'Industrie, l'Agriculture et l'Eau » lancé par l’ADEME, est sélectionné en 2021 dans le cadre du PIA « Démonstrateurs et Territoires d’Innovation de Grande Ambition ». Ce nouveau projet, piloté par le groupe ENVEA avec le LPCA comme partenaire, vise à réduire significativement le coût et l’impact environnemental des stations de mesure de la qualité de l’air en développant une nouvelle technologie pour la mesure de la concentration de plusieurs composés gazeux réglementés et aussi des particules.

La production Scientifique en lien avec le projet MABCaM comprend :
- 11 articles (dont 2 en révision pour publication début 2022) dans des revues internationales à comité de lecture ou dans le livre «Advances in Spectroscopic Monitoring of the Atmosphere«, ISBN: 978-0-12-815014-6, Elsevier (2021)
- 1 livre «Advances in Spectroscopic Monitoring of the Atmosphere«, édité par Weidong Chen (coordinateur du projet MABCaM), Dean S. Venables, Markus W. Sigrist, ISBN: 978-0-12-815014-6, Elsevier (2021)
- 2 thèses sur le projet MABCaM, financées par la région HdF et le programme des bourses Eiffel, respectivement
- 15 présentations dans des conférences internationales (dont 5 sur invitation)
- 1 présentation invitée au 6th International WORKshop on Infrared Technologies à Princeton University (2019) aux états unis
- 3 présentations dans des conférences nationales (dont 1 sur invitation)
- 1 article publié dans SPIE Newsroom (12 June 2017, DOI: 10.1117/2.1201704.006896) diffusé auprès d’un large public de la communauté Optique et Photonique (SPIE)