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Mini compteur d'aérosols – LOAC

Mini-compteur d’aérosols LOAC pour l’étude des particules atmosphériques

LOAC permet de déterminer la concentration et la taille des particules solides et liquides dans l’air dans une gamme de taille d’environ 0,2 à 100 µm, et de déterminer leur nature principale (particules naturelles ou de pollution). C’est un compteur miniaure développé pour que les mesures puissent être effectuées au sol mais aussi au sein de l’atmosphère depuis des vols sous ballons ou à bord de drones.

Intérêt de la mesure des particules atmosphériques

La détection des particules d’aérosols de dimension entre quelques dixièmes de micromètres et quelques dizaines de micromètres représente un enjeu fondamental pour la santé humaine en termes de pollution de l’air ambiant, ces particules pouvant être inhalées. Si certaines de ces particules sont d’origine naturelle, comme les sables ou les sels de mer soulevés et transportés lors de forts épisodes de vent, une grande partie d’entre elles est liée à l’activité humaine notamment par les rejets industriels, le trafic routier et les feux de forêt, agricoles ou domestiques (cuisine, chauffage). Une meilleure connaissance de ces particules peut aussi avoir des enjeux climatiques puisque la prise en compte de la nature physique des aérosols (propriétés optiques et hygroscopiques en particulier) est encore un point faible des travaux de modélisation sur le réchauffement climatique. <br />Une approche pour mieux caractériser les particules repose sur l’utilisation des compteurs optiques d’aérosols. Cette technique utilise la lumière diffusée par les aérosols pour définir leur concentration dans différentes gammes de taille, mais elle est sensible à la nature des particules. Ces résultats sont donc souvent biaisés si l’on ne connait pas à l’avance la nature du milieu étudié. <br />

LOAC (Light Optical Aerosols Counter) utilise un concept de mesure innovant, en effectuant les mesures à deux angles de diffusion différent. Le premier est vers 12° par rapport à la direction incidente, là où la lumière diffusée est pratiquement indépendante de la nature des particules lorsque les particules ne sont pas parfaitement sphériques, ce qui est le cas pour les grains solides atmosphériques. Le deuxième angle est vers 60°, là où la lumière diffusée est très dépendante de la nature des particules (plus précisément, de leur indice de réfraction lié au pouvoir d’absorption de la lumière par les particules). En combinant les mesures aux deux angles, il est ainsi possible d’accéder à la concentration en particules pour 19 gammes de tailles entre ~0,2 et ~100 micromètres, et de déterminer dans plusieurs intervalles de taille leur nature principale, par exemple carbone, minérale, gouttelettes liquides, par comparaison à des courbes de référence obtenues en laboratoire. L’instrument est plutôt dédié à des milieux peu denses, quelques dizaines de particules de plus de 0,3 micromètres de diamètre par cm3, mais il peut mesurer jusqu’à environ 1000 particules par cm3 dans le cas de nuages et de brouillard.

LOAC est construit par la société Environnement-SA. Il a été qualifié sous divers types de ballons (ballons captifs, ballons-sondes, ballons stratosphériques, ballons dérivants) et à bord d’un drone. Il est commercialisé par la société MeteoModem, notamment pour des sondages atmosphériques sous ballons météorologiques, incluant une sonde PTU (pression – température – humidité) qui gère l’acquisition et la transmission des données. Une démonstration a été organisée à l’aide d’un ballon captif lors de l’assemblée générale 2013 de l’European Geophysical Union (EGU) qui a rassemblé plus de 11 000 scientifiques de 95 pays à Vienne en Autriche en avril dernier. LOAC peut aussi être utilisé comme instrument pour des campagnes de mesures avec un enregistrement des données développé par l’utilisateur. Le CNES a en particulier intégré LOAC à la charge utile proposée pour ses ballons pressurisés de couche limite (BPCL) capables de dériver plusieurs jours dans la basse troposphère. Par ailleurs, les mesures de LOAC obtenues à Paris depuis le ballon touristique de la société Aerophile-SA sont présentées en temps réel au public. Enfin, la société Fly-N-Sense commence à proposer LOAC intégré dans un drone.

LOAC est déjà impliqué dans des campagnes de mesures. Il participe à ChArMEx pour l’étude de la pollution et de l'impact climatique des particules sur le bassin méditerranéen avec des vols sous ballons sondes et dérivants, à Aerowave pour l’étude des aérosols stratosphériques, à ParisFog pour l’étude des brouillards en région parisienne, et à l’étude des particules glacées depuis un drone. LOAC est aussi impliqué dans la campagne Strateole dans la stratosphère équatoriale depuis des ballons longue durée. Enfin, une version spatiale de l’instrument est en projet auprès de l’agence spatial française pour l’étude des atmosphères planétaires.

Le concept LOAC a déjà fait l’objet de 2 publications dans des revues à comité de lecture, mais plusieurs publications sont prévues dans un proche avenir, de 12 communications dans des colloques internationaux, d’un article de vulgarisation dans la revue GeoQ et de 6 présentations dans des colloques et meetings en France.LOAC a aussi été présenté et cité dans de nombreux médias français (web, presse, radio, télévision) de par son installation à bord du ballon touristique Observatoire Atmosphérique Generali au Parc André Citroën à Paris et de la démonstration organisée à l’EGU.

La détection des aérosols solides représente un enjeu fondamental pour la santé humaine en terme de pollution de l’air ambiant. La mesure de la masse des aérosols solides effectuée en routine par des techniques gravimétrique fournie une information utile mais incomplète car il n’est pas possible d’accéder à la répartition en taille des particules ni à leur nature. Les instruments de comptage actuellement disponibles sont assez onéreux et s’avèrent souvent imprécis lors de la détection de particules très absorbantes comme les particules carbonées (suies). Il est donc difficile de disposer de ces informations sur lors de campagnes scientifiques ou d’effectuer le suivi d’évènements sur une faible échelle spatiotemporelle. Le projet consiste à conduire les études préparatoires sur une nouvelle méthode de détection optique des aérosols, et de développer un compteur d’aérosols miniaturisé (LOAC), simple d’utilisation et peu couteux. Des campagnes de mesures sont prévues pour bien caractériser la nature des aérosols solides dans l'air ambiant. LOAC pourrait ensuite être utilisé par des réseaux de mesures pour le suivi en temps réel du contenu en aérosols, pour la détection d’évènements à l’échelle locale, et pour l’identification de la taille et la nature des particules. Son but n’est pas de se substituer aux mesures gravimétriques mais de fournir une information supplémentaire. Il pourrait être déplacé en fonction des besoins et être implanté en des endroits où des instruments plus lourds ne peuvent être installés. Il pourrait aussi être utilisé lors de campagnes de mesures dans le cadre de projets de recherches. Enfin, il pourrait être implanté à bord de ballons dans l’atmosphère pour fournir une mesure du profil vertical du contenu en aérosol. Il s’agira d’une collaboration entre des laboratoires du CNRS (LPC2E, LA, LSCE) et une société privée (Environnement SA), avec le soutien de l’agence spatiale française (CNES). Le projet, dans le cadre de recherche industrielle sur les méthodes de détection optique, propose de mener les études préparatoires pour définir la technique de mesure, d’effectuer les étalonnages d’une première série d’instruments et de conduire des mesures de terrain.

Coordinateur du projet

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

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Début et durée du projet scientifique : - 0 Mois

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