La mesure du carbone suie dans l’air ambiant est important à la fois pour son rôle dans le changement climatique et pour la quantification des produits de combustion associés aux effets sur la santé. Bien qu'il s'agisse conceptuellement d'une simple mesure des propriétés d'absorption de la lumière des particules en suspension dans l'air, le mesurande n'a actuellement pas de traçabilité au SI, ce qui engendre des conséquences sur la comparabilité et l'interprétation des données.
OBJECTIFS
Apporter la traçabilité au SI des mesures de carbone suie pour améliorer leur exactitude
Établir un ensemble de paramètres physiques bien définis, (coefficients d'absorption de la lumière des aérosols, coefficients d'absorption massique, etc) qui peuvent être utilisés pour quantifier les concentrations massiques de carbone suie avec traçabilité aux étalons primaires
Développer et caractériser des matériaux de référence standard de carbone suie (MRS), représentatifs des aérosols atmosphériques, ainsi que des méthodes pour les utiliser pour étalonner les moniteurs de carbone suie sur le terrain
Développer une méthode primaire traçable pour déterminer les coefficients d'absorption à des longueurs d'onde spécifiques qui doivent être définies dans l'intérêt des utilisateurs
Développer un étalon de transfert validé pour l'étalonnage traçable des photomètres à absorption établis tels que les photomètres à absorption à angles multiples, les aethalomètres et les photomètres à absorption
Faciliter l'adoption de la technologie et de l'infrastructure de mesure développées dans le projet par les organismes d'élaboration de normes (CEN, ISO) et les utilisateurs finaux tels que l'Agence de protection de l'environnement (EPA), l'Agence européenne pour l'environnement (AEE), l'Organisation météorologique mondiale-Global Atmosphere) Watch (WMO-GAW), ACTRIS (Réseau d'infrastructures de recherche sur les aérosols, les nuages et les gaz traces)
RESUME ET RESULTATS
Les aérosols qualifiés de carbone suie intéressent la communauté scientifique et les décideurs politiques depuis le début du XXe siècle en raison de leur rôle dans le changement climatique et de leurs effets sur la santé. Le carbone suie a été identifié comme le deuxième agent de forçage climatique le plus important après le CO2. De plus, les études sur les effets à court terme sur la santé suggèrent que le carbone suie est un meilleur indicateur de substances particulaires nocives provenant de sources de combustion que la concentration massique de PM. Les sources dominantes ont cependant changé au fil des décennies, allant de la combustion domestique et industrielle du charbon vers les émissions de combustion liées aux véhicules, avec des contributions plus récentes de la combustion du bois.
Ces aérosols ont été largement caractérisés par diverses méthodes optiques depuis le début du XXe siècle étant donné la simplicité de fonctionnement des instruments basés sur ces méthodes. Néanmoins, la traçabilité de ces mesures est entravée par le fait que les instruments déterminent l'absorption des particules collectées sur un filtre fibreux. Bien que la mesure d'absorption optique elle-même puisse être effectuée avec précision, la présence du filtre a un effet important en raison de la diffusion interne à l'intérieur du filtre qui peut augmenter l'absorption d'un facteur 5 et donc biaiser les mesures. Ces effets sont actuellement traités avec des facteurs de correction implémentés dans les instruments.
C'est la nécessité de remplacer ces facteurs de correction par des facteurs d'étalonnage correctement déterminés qui ont été au cœur du projet européen intitulé Black Carbon. Ces facteurs de correction sont souvent intégrés dans le coefficient d'absorption massique utilisé pour convertir le coefficient d'absorption de la lumière en une concentration massique particulaire. Mais, l'absence de cadre métrologique, voire de cadre normatif pour le carbone suie a été mise en évidence en 2013 par l'Agence européenne pour l'environnement (AEE) ainsi que par le BIPM-GAWG Particulate Workshop en avril 2015 sachant que différents types d'instrument de mesure donnent des résultats pouvant varier jusqu'à 30% et qu’aucune procédure n’existe pour fournir une traçabilité nécessaire à des résultats justes.
Durant le projet, les propriétés physiques des aérosols pertinentes pour les mesures du carbone suie ont été clairement définies, de manière à clarifier comment la traçabilité au SI peut être établie. Des matériaux de référence ainsi qu'une méthode pour leur introduction contrôlée en laboratoire ont été développés. Le projet a également permis de travailler sur une méthode primaire traçable pour déterminer les coefficients d'absorption des aérosols. Ce procédé de laboratoire, traçable au SI et bien caractérisé doit permettre de déterminer les coefficients d'absorption des aérosols à des longueurs d'onde spécifiques.
Le LNE a été impliqué sur les travaux liés au développement de matériaux de référence de par l’implication de trois générateurs d’aérosols candidats. Deux premiers générateurs étaient associés à la nébulisation d’aérosols à partir de suspensions de graphite colloïdal et de billes de polystyrène latex noires. Le troisième mettait en œuvre deux électrodes de graphite entre lesquelles une décharge électrique pulsée permet la désorption de particules de carbone avant leur transport dans un gaz vecteur. Puis une comparaison interlaboratoires a été organisée afin de comparer les différentes solutions techniques proposées par les partenaires du projet.
IMPACTS SCIENTIFIQUES ET INDUSTRIELS
- Etablissement d'un comité des parties prenantes
- Avantage aux fabricants européens d'instruments liés au carbone suie, qui auront un accès rapide à des installations d'étalonnage traçables pour leurs instruments actuels, et qui utiliseront également ces installations pour développer des conceptions innovantes plus rapidement
- Amélioration de l’exactitude et de la comparabilité des mesures de carbone suie dans les réseaux de surveillance des aérosols à travers l'Europe, grâce au développement de matériaux de référence pour le carbone suie, des installations nationales primaires et des mécanismes d'étalonnage traçables
- Les résultats du projet devraient servir de base à de nouvelles normes documentaires pour la surveillance du carbone suie par des organisations européennes et internationales d'élaboration de normes comme le CEN et l'ISO
- Potentiellement, législation révisée sur la qualité de l'air, basée sur le carbone suie, pour laquelle des méthodes de mesure fiables sont disponibles
- Mesures améliorées utilisées directement dans les projets de mesures d'aérosols atmosphériques au sein de l'UE, affinant les modèles de changement climatique et les propositions d'atténuation, et permettant d’améliorer la qualité des conclusions des études de cohorte sur la santé qui examinent les effets sanitaires de la pollution atmosphérique
PUBLICATIONS
M. Gini, P. Fetfatzis, E. Diapouli, S. Vratolis, E. Asmi, J. Backman, T. Müller, M. Gysel-Beer, K. Vasilatou, M. Ess, F. Gaie-Levrel, K. Ciupek, J. Saturno, A. Nowak, A. Wiedensholer, P. Quincey, K. Eleftheriadis, Overview of the winter black carbon campaign in Athens, European Aerosol Conference (EAC2020), Online - Hosted by GAeF Gesellschaft für Aersosolforschung e.V., 31 août – 4 septembre 2020.
B. Romshoo, T. Müller, A. Nowak, J. Saturno, P. Quincey, K. Ciupek, K. Vasilatou, M. Ess, K. Eleftheriadis, M. Gini, F. Gaie-Levrel, A. Wiedensohler, Laboratory generated soot: Application for optical modelling at various stages of ageing, European Aerosol Conference (EAC2020), Online - Hosted by GAeF Gesellschaft für Aersosolforschung e.V., 31 août – 4 septembre 2020.
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