CAES INDAAF

CAES INDAAF

Description

Les mesures du CAES INDAAF permettent de suivre l’évolution de la composition chimique atmosphérique et de quantifier des flux de dépôts atmosphériques en Afrique, continent où il existe très peu de mesures in situ en continu d’aérosols et de gaz. Ces données de qualité contrôlée sont uniques et comparables aux mesures réalisées sur les réseaux à l’échelle globale.

L’objectif premier du CAES INDAAF est de quantifier les dépôts humides et totaux des principaux composés atmosphériques gazeux et particulaires et leur évolution à long terme. Les dépôts sont le terme « puits » du cycle de vie des espèces atmosphériques, leur quantification permet donc de contraindre ce cycle. Ces mesures de dépôts, et en particulier de dépôt sec, manquent cruellement pour la validation des modèles tridimensionnels de chimie et d’aérosol. Par exemple, elles permettent de tester et contraindre le bilan de masse des différentes espèces dans les modèles de Chimie Transport et les modèles climatiques globaux et régionaux. Elles permettent aussi d’identifier les facteurs et les mécanismes physiques et chimiques clés qui régulent les dépôts (interaction gaz/aérosol/pluie, relation source/transport/dépôt…). De telles études peuvent conduire à des améliorations des paramétrisations de dépôt utilisées actuellement dans les modèles. Les mesures de dépôts permettent également de contraindre les émissions dans une région où les inventaires sont parmi les moins fiables, alors même que les changements globaux vont les impacter très fortement.Le second objectif est de mesurer les concentrations en gaz et les concentrations et la composition chimique des aérosols et de documenter leurs évolutions temporelle et spatiale. L’analyse des variations hebdomadaires, saisonnières et interannuelles des concentrations gazeuses (ozone, composés gazeux azotés et soufrés), de la masse totale et de la composition chimique des aérosols (poussières désertiques, aérosols carbonés, sulfates, nitrates et ammonium) est effectuée de la saison à l’échelle pluri-décennale, l’échelle de temps pertinente pour l’étude du changement climatique mais aussi de l’évolution naturelle et anthropique des sources de gaz et de particules. L’interprétation des variations des concentrations mesurées permet d’identifier les processus et sources qui les gouvernent. Pour les espèces dont le dépôt n’est pas directement mesuré, les concentrations associées à des vitesses de dépôt permettent d’en estimer les flux.

Motivations

Suivre l’évolution de la composition chimique de l’atmosphère et des dépôts atmosphériques en régions tropicales répond à des problématiques scientifiques majeures. C’est également une contribution importante aux Objectifs de Développement Durable (ODD) définis par le Programme des Nations Unis pour l’Environnement (PNUE).

L’étude du système Terre et des impacts environnementaux nécessitent des estimations de qualité, spatialisées et actualisées des dépôts atmosphériques. Les dépôts constituent un puits définitif pour les composés atmosphériques, gazeux comme particulaires. C’est un intégrateur de l’ensemble des processus qui affectent les composés atmosphériques, depuis leurs émissions en passant par leur transport et transformations chimiques jusqu’aux processus de dépôts. Les constituants atmosphériques sont éliminés de l’atmosphère par dépôt humide (espèces dissoutes ou entrainées par les précipitations) et dépôt sec sous forme gazeuse ou particulaire sur les sols, la végétation, l’eau et les structures urbaines.

Les dépôts en excès de certains composés peuvent avoir des conséquences néfastes sur l’environnement : cela peut engendrer des problèmes d’acidification, d’eutrophisation, de production agricole. Mais ces dépôts atmosphériques peuvent à l’inverse constituer des apports en nutriments, notamment aux écosystèmes océaniques éloignés de toutes autres sources. Il est donc important de quantifier et d’étudier les mécanismes de dépôts atmosphériques afin de mieux comprendre le cycle des composés atmosphériques et leurs impacts biogéochimiques.Les régions tropicales aux conditions météorologique, climatique et sociétale spécifiques sont considérées comme une zone d’intérêt prioritaire à l’échelle nationale, européenne et internationale aux enjeux scientifiques et sociétaux majeurs. En effet, l’évolution des conditions climatiques impactent les émissions et le transport des espèces d’origine naturelle et l’accroissement de la population et de ses activités impactent la quantité et la nature des composés émis. En Afrique, la croissance démographique très forte (4,5 milliards hab. d’ici 2050 selon l’ONU) et le développement de mégacentres urbains conduisent à une évolution des activités et des modes de vie entraînant des augmentations des émissions de polluants gazeux et particulaires. Le continent africain comporte des sources majeures de composés gazeux et particulaires à l’échelle globale, associées à une réactivité chimique très forte liée aux forts rayonnement et contenu en vapeur d’eau ainsi qu’à des phénomènes de transport de masses d’air intenses liés à la convection. Le Nord de l’Afrique qui englobe le Sahara et le Sahel est la principale source d’aérosols désertiques au monde et l’évolution des vents de surface et des précipitations peut modifier de façon notable les émissions et le transport de ces aérosols comme dans la zone Sahélienne, « hot spot » du changement climatique. L’évolution de l’usage des sols et la modification des pratiques agricoles (e.g., utilisation de fertilisants) en Afrique impactent les émissions/dépôts des composés azotés. Au Sahel, l’augmentation des surfaces agricoles aggrave les processus d’érosion éolienne affectant les sols pauvres et peu fertiles. Ainsi les modifications des cycles biogéochimiques peuvent entrainer des pertes en nutriments (dégradation des sols, risques liés à la sécurité alimentaire), ou au contraire des pertes de biodiversité en lien avec des dépôts massifs de polluants dans les zones à forte activité humaine.

Sites de mesure (ou plateformes d’observation) 

Le réseau INDAAF est composé de 8 sites participants en Afrique de l’Ouest (Niger, Mali, Sénégal, Bénin, Côte d’Ivoire) et Centrale (Cameroun et Congo) et de 2 sites réseaux (Afrique du Sud et Tunisie). Chaque site est représentatif à l’échelle régionale d’un grand écosystème africain avec ses caractéristiques en termes de sources d’émissions (émissions biogéniques, animales et domestiques, aérosols désertiques, feux de biomasse…) et sa sensibilité aux changements climatiques, écologiques et anthropiques. Ainsi, les stations sont réparties sur un gradient nord-sud à des bandes de latitude à pluviométrie croissante pour représenter les écosystèmes de savane sèche (Niger, Mali, Sénégal), humide (Mali, Côte d’Ivoire, Bénin) et l’écosystème de forêt (Cameroun, Congo). Elles permettent également d’échantillonner un transect sahélien est-ouest (3°E à 17°O), sur le trajet des aérosols terrigènes Sahariens et Sahéliens vers l’Atlantique Nord-tropical. Les sites réseaux permettent de documenter un écosystème de savane sèche de l’hémisphère Sud et un site de steppe de zone aride (Tunisie). Les caractéristiques des différentes stations sont données sur le site web : https://indaaf.obs-mip.fr/network-2/.

Instruments

Les stations du CAES INDAAF sont équipées de tout ou partie des instruments suivants (seuls les super-sites de Banizoumbou (Niger), Lamto (Côte d’Ivoire) et Bambey (Sénégal) inclut l’ensemble des instruments décrits ici) :

  • Deux collecteurs automatiques de dépôt humide : un collecteur spécifiquement développé pour le CAES (Yoboué et al., 2005 ; Akpo et al., 2015 ; Galy-Lacaux et al., 2009 ; https://indaaf.obs-mip.fr/measurements/precipitation/) et un collecteur commercial (MTX ARS 1010, MTX Italia SPA, Modane, Italie),
  • Un TEOMTM (Tapered Element Oscillating Microbalance, modèle 1400A, Thermo ScientificTM) équipé d’une tête de prélèvement PM10 (Thermo ScientificTM),
  • Une station météorologique (Campbell® Scientific Instruments) composée d’un anémomètre sonique 2D (2DwindSonic), un pluviographe à augets basculants (ARG100) et une sonde d’humidité relative et température (HMP50) connectés à une centrale d’acquisition CR200 (ou CR1000 dans le cas des stations où les données sont télétransmises).
Photo du site INDAAF de Lamto

Variables

Variables primaires :

  • Flux de dépôt humide soluble : détermination de la composition chimique des précipitations avec un échantillonnage évènementiel semi-automatique de la pluie pour analyse chimique (pH, conductivité, ions majeurs inorganiques et organiques).
  • Flux de dépôt humide insoluble : mesure de la masse insoluble par événement pluvieux avec un collecteur automatique.
  • Flux de dépôt total insoluble : mesure hebdomadaire de la masse totale insoluble déposée par voie sèche et humide avec un collecteur passif.
  • Concentration des gaz : mesures mensuelles par capteurs passifs (SO2, NO2, NH3, HNO3, O3).
  • Concentration massique totale et composition chimique de la fraction soluble des aérosols : échantillonnage hebdomadaire de l’aérosol par classe de taille (PM2.5 et PM10), analyse de la partie soluble minérale et organique et de l’aérosol carboné (OC, EC, TC).
  • Concentration massique d’aérosol : mesure au pas de temps de 5 mn de la masse totale en PM10 par un analyseur actif.

Les paramètres suivants sont dérivés des variables primaires :

  • Flux de dépôt sec gazeux estimés à partir des concentrations gazeuses de surface et des vitesses de dépôt sec calculées en fonction des paramètres dynamiques et de la surface des écosystèmes.
  • Flux de dépôt sec total et des fractions solubles minérale et organique et de l’aérosol carboné estimés en fonction des concentrations en masse et de la composition chimique par classe de taille (PM2.5 et PM10).

Variables secondaires, utiles à l’exploitation des variables primaires :

  • Mesures météorologiques : température et humidité de l’air, vitesse et direction du vent, précipitations.

QC-QA

Les instruments et les protocoles de mesure mis en œuvre sur les stations du SNO/CAES INDAAF sont pour l’essentiel du matériel commercial et homologué et les protocoles de collectes et d’analyses répondent aux standards en vigueur dans les réseaux internationaux.

C’est le cas en particulier pour les mesures chimiques :

  • L’analyse de la composition des précipitations et de ses caractéristiques (pH, conductivité) est réalisée par chromatographie ionique par le laboratoire d’analyse du LAERO-OMP qui participe depuis 1996 au programme d’assurance qualité deux fois par an et possède ainsi le label qualité WMO/GAW (http://www.qasac-americas.org/ ; Réf. du LAERO : 700106). Les collectes et analyses du site de Welgegund (Af. du Sud) sont réalisées selon les mêmes protocoles.
  • Les concentrations en gaz : NO2, HNO3, NH3, O3 et SO2 sont mesurées à l’aide de capteurs passifs. Cette méthode est tout à fait adaptée au suivi des concentrations gazeuses sur les sites africains. Ils présentent de nombreux avantages sur le terrain : légers, réutilisables, peu onéreux, ne nécessitant pas d’électricité et de calibration ni d’opérateur spécialisé sur site (Adon et al., 2007 ; WMO-GAW report n°122). Les capteurs sont préparés chaque deux mois au service de chimie du LAERO et envoyés sur site où ils sont conservés à +4°C. Chaque mois, 8 capteurs (duplicats de chacun des 4 capteurs) sont exposés sur site à l’aide d’un support inox placé à quelques mètres au-dessus du sol sur une période de 1 mois. Chaque fin de mois, ils sont retirés par l’observateur local et réexpédiés dans les plus brefs délais pour analyse en chromatographie ionique. Le principe de la technique des capteurs passifs ainsi que la méthode d’analyse, la limite de détection et la reproductibilité de la méthode sont détaillés sur le site INDAAF (https://indaaf.obs-mip.fr/measurements/gas/). La mesure continue de NH3 et H2O sera réalisée avec un analyseur de référence type PICARRO G2103 acquis dans le cadre du projet OBS4CLIM et sera déployé sur le super-site de Lamto en Côte d’Ivoire fin 2024. 
  • Les prélèvements d’aérosols sur filtres sont réalisés à la semaine avec des collecteurs automatiques pour la détermination de la concentration massique et l’analyse de la composition des aérosols pour deux diamètres de coupure : 2,5 et 10 µm). Des supports téflon sont utilisés pour la détermination de la composition minérale soluble (Ca2+, Mg2+, NH4+, NO3-, SO42-…) des aérosols par chromatographie ionique. Des supports quartz sont utilisés pour l’analyse par méthode thermo-optique des fractions carbonées de l’aérosol (OC, EC, TC). La qualité des analyses en chromatographie ionique est assurée par le label qualité GAW/WMO du service de chimie du LAERO. Les analyses de carbone EC/OC par méthode thermo-optique répondent aux normes européennes ACTRIS EU. Le service de chimie du LAERO participe aux intercomparaisons organisées chaque année par le European Centre for Aerosol Calibration (ECAC, http://www.actris-ecac.eu).
  • La concentration en masse des aérosols est mesurée en continu par un système de microbalance (Tapered Element Oscillating Microbalance ; TEOMTM 1400A de Thermo Scientific) équipé d’une tête de prélèvement PM10 standard. Cela permet une mesure homogène des concentrations massiques pour des concentrations allant de quelques µg.m-3 à quelques g.m-3 et comparables aux données de la littérature et aux mesures des réseaux de surveillance de la qualité de l’air et des stations WMO/GAW. Le protocole de maintenance de l’instrument est similaire à celui appliqué par les réseaux de qualité de l’air (Macé et al., LCSQA, 2010) et conforme aux recommandations GAW (Report n°200, 2011), avec des adaptations liées aux conditions extrêmes de température et d’empoussièrement rencontrées sur les stations.

Filière de traitements 

Les données des instruments automatiques sont collectées et transmises une fois par semaine par les opérateurs locaux. Depuis 2022, ces données sont également transmises chaque jour par télétransmission pour les stations de Bambey (Sénégal) et Cinzana (Mali). Ceci permet une identification plus rapide des éventuelles pannes des capteurs, les opérateurs locaux n’allant sur site au mieux que deux fois par semaine. Les échantillons collectés (aérosols sur filtres, précipitations, dépôt insoluble) sont rapatriés une à deux fois par an selon les opportunités de missions et les analyses sont faites de façon groupée plusieurs fois par an. Les collecteurs passifs de gaz sont analysés au maximum dans les 4 mois qui suivent leur retour au LAERO. Ces analyses ainsi que les données transmises par les opérateurs constituent les données de niveau 0.

Les données de niveau 1 sont les données dont la qualité a été évaluée (« flaguées ») selon des protocoles définis pour chaque variable. A titre d’exemple, La qualité des analyses en chromatographie ionique est assurée par le label qualité GAW/WMO (Global Atmosphere Watch/World Meteorological Organization) du service de chimie du LAERO. Les analyses de carbone EC/OC par méthode thermo-optique répondent aux normes européennes ACTRIS EU. Le service de chimie du LAERO participe aux intercomparaisons organisées chaque année par ECAC (European Centre for Aerosol Calibration, http://www.actris-ecac.eu). Les données ne répondant pas aux critères requis sont écartées et non distribuées. Les données acquises par les instruments automatiques sont moyennées au pas de temps horaire. Ces données, moyennées ou non, dont la qualité est garantie, sont les données de niveau 2 distribuées au niveau national et international.

L’ensemble des données de niveau 2 sont librement téléchargeables via la page Internet INDAAF (https://indaaf.obs-mip.fr/catalogue/) ou via la page du catalogue de données AERIS (https://www.aeris-data.fr/catalogue/) à condition d’accepter la charte d’utilisation des données.

Les données sont mises à disposition dans deux formats distincts adaptés à des utilisateurs différents :

  • Un format ASCII de type CSV permettant une manipulation simple via des outils comme des tableurs, ou des codes informatiques. Ce format intègre un en-tête descriptif de la structure du fichier.
  • Un format NETCDF, reconnu de la communauté scientifique Océan-Atmosphère utilisable grâce à des outils spécifiques. Là aussi, les metadonnées du fichier en permettent la compréhension.

Dans les deux cas, le DOI est rappelé soit dans l’en-tête (fichier CSV), soit dans les metadonnées (fichier NETCDF), ce qui permet d’accéder facilement à la fiche complète de metadonnées.

Par ailleurs, les données de chimie des précipitations sont reportées dans le cadre du programme international GAW/WMO dans la base de données WDCPC (World Data Center Precipitation Chemistry). Les données d’aérosols carbonés et de contenu chimique des pluies sont en cours d’inclusion dans la base de données EBAS du NILU.

Highlights

Les mesures de composition des pluies et des aérosols réalisées depuis les années 90 par les réseaux INDAAF er MERA ont contribué :

  • A la synthèse globale WMO/GAW des dépôts atmosphériques

WMO/GAW

 Integration of Data from the Major Wet Deposition Monitoring Networks.

Composition chimique des précipitations à l’échelle globale 2005-2007 µeq/L

Synthèse WMO sur les dépôts atmosphériques : Robert Vet, Richard S. Artz, Silvina Carou, Mike Shaw, Chul-Un Ro, Wenche Aas, Alex Baker, Van C. Bowersox, Frank Dentener, Corinne Galy-Lacaux, Amy Hou, Jacobus J. Pienaar, Robert Gillett, M. Cristina Forti, Sergey Gromov, Hiroshi Hara, Tamara Khodzer, Natalie M. Mahowald, Slobodan Nickovic, P.S.P. Rao, and Neville W. Reid. A global assessment of precipitation chemistry and deposition of sulfur, nitrogen, sea salt, base cations, organic acids, acidity and pH, and phosphorus. http://dx.doi.org/10.1016/j.atmosenv.2013.10.060. Atmospheric Environment , vol 93, p 3-100, 2014.

  • A la synthèse globale de tendances d’évolution des composés soufrés dans l’atmosphère et à l’évaluation de la capacité de modèles globaux à reproduire ces tendances. Ces résultats font l’objet d’un « Scientific report » (Nature Research).

Ils montrent une forte diminution des composés soufrés en Europe et notamment des aérosols  et des dépôts, liées à la baisse des émissions de SO2, qui est reproduite par les modèles. Il n’y a pas de baisse significative observée en Afrique où les modèles ne reproduisent pas de façon correcte les observations. Dans cette région, les résultats restent limités par le faible nombre de sites de mesure. Ce travail illustre la valeur ajoutée de bases de données harmonisées résultant de la combinaison des données des différents réseaux de mesure régionaux.

Wenche Aas, Augustin Mortier, Van Bowersox , Ribu Cherian , Greg Faluvegi, Hilde Fagerli, Jenny Hand, Zbigniew Klimont , Corinne Galy-Lacaux, Christopher M. B. Lehmann, Cathrine Lund Myhre, Gunnar Myhre, Dirk Olivié, Keiichi Sato, Johannes Quaas, P. S. P. Rao, Michael Schulz, Drew Shindell, Ragnhild B. Skeie, Ariel Stein, Toshihiko Takemura, Svetlana Tsyro, Robert Vet  & Xiaobin Xu. Global and regional trends of atmospheric sulfur, Scientific reports, www.nature.com, https://doi.org/10.1038/s41598-018-37304-0, 2018.

Responsables

Béatrice Marticorena beatrice.marticorena@lisa.ipsl.fr

Corinne Galy-Lacaux corinne.galy-lacaux@aero.obs-mip.fr

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