CE01 - Terre fluide et solide

Chimie atmosphérique des forêts suburbaines - Observations aéroportées – ACROSS-AO

Chimie atmosphérique de la forêt suburbaine - Observations aéroportées

Le projet ACROSS Airborne Observations (ACROSS-AO), par le biais de mesures de la composition et des propriétés de l'atmosphère à l'aide d'instruments installés sur une plate-forme aérienne, vise à améliorer considérablement la compréhension de l'évolution de la composition des masses d'air mixtes urbaines/suburbaines/rurales et à conduire au développement de nouvelles connaissances quantitatives. Les données recueillies au cours du projet ACROSS-AO permettent de tester les processus chimiques.

Des données de haute qualité sont collectées au cours d'une campagne de terrain intensive (2022). Ces données seront utilisées pour répondre à une variété de questions scientifiques.

1. What are the oxidation pathways for VOCs within mixed anthropogenic/biogenic air masses?<br />The pathways by which VOCs are oxidised potentially has implications for the partitioning of carbon compounds between the gas and aerosol phases because of the different products that are formed. In addition, the presence of highly reactive BVOCs and their oxidation products can affect the behavior of anthropogenic VOCs.<br />2. How are the budgets and reactions of reactive nitrogen compounds modified within mixed air masses?<br />Measurements of these compounds and analysis of the observations lead to improved understanding of the evolution of the partitioning of reactive nitrogen among its various forms. Moreover, as they are key components of atmospheric chemistry oxidation machinery, this knowledge leads to increased ability to predict its evolution in the mixed air mass situations studied during ACROSS and is key for the evolution of future air quality models.<br />3. How are the formation and growth of the organic component of aerosols changed in mixed air masses?<br />It is important to understand the pathways and specific products to develop full understanding of the evolution of the organic carbon content of the gas and aerosol phases. Also important from a climate perspective are the resulting changes in aerosol optical properties with changes in the types and amounts of organic material within the aerosols, including the effects of aerosol hygroscopicity on these properties.

Pour quantifier l'évolution des gaz et des aérosols dans le panache de Paris lorsqu'il quitte la région métropolitaine et est exposé aux émissions biogéniques (par exemple de la forêt de Rambouillet) puis est transporté sous le vent sur 100 kilomètres ou plus, des schémas de vol soigneusement conçus sont utilisés pour permettre aux instruments embarqués de collecter des données qui seront utilisées pour améliorer la compréhension scientifique.
La période de mesure intensive consiste en environ 16 vols scientifiques de l'avion ATR-42 de la flotte française SAFIRE, chaque vol ayant une durée d'environ 3,5 heures.
La campagne d'observation permet : (i) la quantification d'une large gamme de variables dans l'écoulement urbain de Paris, (ii) la maximisation de la charge utile aéroportée, (iii) la capitalisation des capacités de l'avion pour compléter les observations de surface avec des informations tridimensionnelles,
La charge utile peut être regroupée en quatre catégories :

État standard et état de l'aéronef. Ces instruments fournissent des données sur l'état de base de l'atmosphère (température, pression, point de rosée et de gel, humidité relative, teneur en eau liquide) et sur l'état de l'aéronef (localisation, altitude, vitesse sol et air).

Rayonnement. La chimie de l'atmosphère pendant la journée étant déterminée par des processus photochimiques, les mesures du rayonnement solaire sont importantes. Les instruments de cette catégorie comprennent un radiomètre de photolyse du NO2 et trois radiomètres d'irradiation qui répondent dans différentes régions de longueur d'onde.

Phase gazeuse. Ces instruments quantifient un large éventail de composants chimiques gazeux, notamment l'ozone, la vapeur d'eau, le CO, le CO2, le CH4, plusieurs composés d'azote réactif et une variété de COV. Dans la catégorie de l'azote réactif, on mesure le NO, le NO2, le HNO3, la somme des nitrates d'alkyle organiques (AN) et la somme des nitrates de peroxy (PN). Deux approches sont utilisées pour quantifier les COV qui comprennent les hydrocarbures non méthaniques, les COV oxygénés et les COV biogènes.

Phase aérosol. Les mesures des propriétés des aérosols sont effectuées à l'aide de plusieurs instruments. Les distributions de tailles d'aérosols submicroniques et supermicroniques sont mesurées avec trois sondes fournies par SAFIRE et un autre instrument. Les distributions de taille submicronique sont mesurées par deux instruments distincts. La composition des aérosols est fournie par plusieurs instruments, dont un système de spectrométrie de masse à particule unique pour le contenu inorganique et organique, un instrument pour le contenu en carbone noir et l'état de mélange, et des échantillons d'impacteurs et de filtres collectés pendant les vols et analysés en laboratoire à l'aide d'une extraction par fluide supercritique (SFE)-GC-MS couplée à une dérivatisation BSTFA. Des instruments sont inclus pour mesurer l'hygroscopicité et les propriétés optiques.

La campagne ne s'étant achevée qu'en juillet 2022, les données finales n'ont pas encore été produites, et une analyse détaillée n'est donc pas possible. Les premiers résultats montrent que les schémas de vol ont effectivement permis d'échantillonner le panache de Paris lorsqu'il a rencontré des zones forestières proches avec des émissions de carbone organique volatil biogénique. L'évolution des espèces a été suivie sous le vent alors que l'avion effectuait de multiples transects du panache. Occasionnellement, il a également été possible, au cours du même vol, de surveiller les émissions biogènes sans influence urbaine significative. Ces situations semblaient parfois indiquer une nouvelle formation de particules (comme en témoigne le grand nombre de très petites particules). Le profilage vertical effectué lors de nombreux vols indique les différences de composition et de propriétés entre la couche limite, où résident la plupart des émissions, et la troposphère libre, qui est généralement assez propre.

Il est prématuré d'évaluer une seule caractéristique exceptionnelle des données et de leur analyse. Nous espérons toutefois pouvoir révéler de tels aspects au cours des prochains mois de réduction et d'analyse des données.

Si la production d'articles scientifiques a été limitée jusqu'à présent, nous nous attendons à ce qu'elle augmente considérablement à mesure que les données sont réduites et analysées.

Les activités anthropiques mais aussi la biosphère conduisent à l’émission de nombreux composés dans l'atmosphère. Ils y évoluent selon une chimie et une physique non linéaire qui conduit à la formation de constituants secondaires complexes. Le mégaprojet ACROSS (Atmospheric ChemistRy Of the Suburban foreSt) est une initiative intégrative, innovante et de grande envergure visant à améliorer la compréhension des impacts du mélange des masses d'air urbaines d’une part et biogéniques, d’autre part, sur l’évolution des panaches de pollution : notamment sur l'oxydation des composés organiques, de l’aérosol, la formation de photo-oxydants. L'hypothèse ACROSS est que ce mélange de masses d'air entraîne des modifications de la production des composés secondaires dont les propriétés physiques modifient la chimie de la troposphère et la qualité de l'air. Elle s’appuie également sur le fait que l’agglomération Parisienne en tant que source intense de pollution insérée dans une région relativement peu urbanisée, fortement boisée et à l’orographie modérée, constitue un espace de choix pour étudier l’impact de la forêt suburbaine sur la pollution atmosphérique à l’échelle régionale.

ACROSS-AO constitue la composante aéroportée d'ACROSS. En utilisant l'ATR-42 de l’Infrastructure Nationale des avions de recherche, il projette la caractérisation in-situ de la composition du panache Parisien en synergie avec des mesures au sol (hors projet). Ces mesures concernent un large spectre d’espèce carbonées, azotées et de photo-oxydants dans les phases gazeuses et particulaires. Un intérêt particulier est porté aux processus chimiques conduisant aux polluants secondaires et aux propriétés des aérosols. Le projet regroupant cinq partenaires est organisé en six work package qui se concentrent respectivement sur la coordination des activités, la préparation de la campagne, l'utilisation des données pour répondre aux questions scientifiques prioritaires et l’exploitation de ces données par une communauté de modélisateurs s’étendant au-delà de ce projet.

Le projet fera progresser la science grâce à des observations et des analyses de haute qualité et aboutira au développement de mécanismes chimiques améliorés pour, à terme, les incorporer dans les modèles de qualité de l'air. Ils conduiront à des prévisions fiabilisées et à des stratégies d'atténuation plus efficaces. Après plus de douze ans sans campagnes comparables, ces résultats sont possibles grâce aux progrès récents de notre compréhension de la chimie atmosphérique mais aussi grâce aux progrès de l’instrumentation. Ils sont rendus nécessaires par les performances récentes insuffisantes de la modélisation opérationnelle de la qualité de l'air dans un contexte de changement climatique et de changement des émissions anthropiques.

Coordinateur du projet

Monsieur Vincent Michoud (Laboratoire inter-universitaire des systèmes atmosphèriques)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LISA Laboratoire inter-universitaire des systèmes atmosphèriques
CNRM Centre national de recherches météorologiques
University of Chieti - Pescara / Atmospheric Physics-Chemistry Laboratory and Climatology - Ud'Atmo
MPIC Max Planck Institute for Chemistry / Particle Chemistry
CERI EE Centre d'Enseignement de Recherche et d'Innovation Energie Environnement

Aide de l'ANR 717 859 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2021 - 48 Mois

Liens utiles

Explorez notre base de projets financés

 

 

L’ANR met à disposition ses jeux de données sur les projets, cliquez ici pour en savoir plus.

Inscrivez-vous à notre newsletter
pour recevoir nos actualités
S'inscrire à notre newsletter