Motivations

Les gaz traces réactifs comprennent un nombre importants d’espèces avec des durées de vies variant de quelques minutes à quelques mois. Ils jouent un rôle clé dans la chimie atmosphérique et ont directement ou indirectement des impacts sur la capacité oxydante de l’atmosphère, sur la santé, sur le climat et sur les écosystèmes. Evaluer le rôle et les impacts de ces gaz réactifs nécessitent des connaissances sur les variabilités spatiale et temporelle, sur les changements à long terme et en particulier dans un contexte de changement climatique. L’observation des niveaux de fond est également essentielle pour mieux comprendre les relations entre les sources et les récepteurs de polluants et notamment évaluer l’efficacité des politiques de réduction mises en place. Les gaz réactifs clés sont l’ozone troposphérique, le monoxyde de carbone, les composés organiques volatils (COV), les gaz nitrés réactifs (ex les oxydes d’azote-NOx) et les gaz soufrés réactifs.  Compte tenu des variables potentiellement documentées dans d’autres cadres (O3, SO2, NH3), le périmètre d’ACTRIS-FR considère prioritairement les COV et les NOx. Ces Composés sont présents à l’état de traces dans l’atmosphère (de ppt à ppb ou de picogrammes à nanogrammes de composé par mètre cube d’air ambiant). Ils sont, soit directement émis par des sources naturelles ou anthropiques, soit issus de processus photochimiques. Ils sont parmi les déterminants clés de plusieurs problématiques :
  • Celle de l’ozone (O3) et de ses précurseurs (NOx/COV) dans la basse troposphère européenne qui reste d’actualité et justifie de poursuivre l’effort de leur suivi à long terme.
  • Les gaz réactifs sont également précurseurs de l’aérosol secondaire pour lequel la connaissance des processus de formation est encore parcellaire. Les études en chambre de simulation en lien avec des observations in-situ sont essentielles pour une meilleure prise en compte
  • La multiplicité des sources de ces espèces rend complexe l’évaluation des émissions. La modélisation des émissions de COV biogéniques et l’évaluation des émissions anthropiques de COV restent cruciales pour améliorer les modèles de prévisions
  • Les interactions climat-composition de l’atmosphère soulèvent d’une part la question de l’évolution des émissions (en particulier les espèces biogéniques qui sont très liées aux conditions ambiantes) et, d’autre part, la question de l’impact sur les processus de photoxydation de ces espèces et de formation de polluants secondaires
Des observations in-situ des gaz traces réactifs de hautes qualités réalisées dans le cadre d’ACTRIS sont donc essentielles pour répondre à ces problématiques scientifiques. Ces données sont en outre de plus en plus demandées pour l’évaluation des modèles de prévisions, la comparaison aux mesures par satellite ou aux mesures de la colonne atmosphérique depuis le sol (eg. Formaldéhyde, ethane). Par ailleurs, la traçabilité et les protocoles de mesures de gaz réactifs réalisés dans le cadre des études en chambre de simulation sont à mettre en cohérence avec celles des observations in-situ.

Variables

Les COV comprennent un grand nombre d’espèces plus ou moins réactives, présentant différents intérêts et qui peuvent se décliner en plusieurs familles : les composés HydroCarbonés Non Méthaniques (HCNM), les Composés Volatils Oxygénés (COVO) et les composés terpéniques, essentiellement les Monoterpènes. Les oxydes d’azote (NOx) comprennent majoritairement 2 espèces le NO et le NO2.  

Sites de mesure

Site CO-PDD instrumenté pour les gaz traces réactifs
Intercomparaison d’analyseurs de NOx, Centre thématique Ci-Gas-IMT Lille Douai
Chaine de mesure on-line TD/GC/FID pour la mesure des Monoterpènes

Instruments

Plusieurs méthodes de mesure sont identifiées pour la mesure de tout ou partie des gaz traces réactifs. Les méthodes off-line consistent en des systèmes de prélèvement sur site pour une analyse différée en laboratoire. Les méthodes on-line sont directement implémentées sur site et fournissent directement les mesures. Ces méthodes se distinguent par des résolutions temporelles différentes et sont choisies suivant les objectifs recherchés.
  • Les canisters, tubes d’adsorbant et cartouches DNPH sont des systèmes de prélèvement d’air respectivement d’ambiant direct, avec piégeage et pré-concentration ou par dérivatisation chimique des composés.
  • Les ThermoDésorbeurs associés au Chromatographe Gaz et équipés de différents types de détecteur (TD/GC) sont des méthodes basées sur la pré-concentration des composés, puis la thermodésorbtion, la séparation et la détection pour quantification. Ces méthodes sont spécifiquement configurées suivant les familles d’espèces et offrent l’avantage d’une très bonne sélectivité.
  • Les PTR-MS (Proton-Transfer-Reaction Mass Spectrometry) permettent la mesure directe d’un bon nombre d’espèces. Les composés sont protonées et détectés par spectromètre de masse. Différentes versions de PTRMS se distinguent par leurs performances. S’il est moins sélectif que le TD/GC ; le PTRMS offre l’avantage d’une très bonne résolution temporelle permettant la mesure de flux et l’étude de processus réactionnels.
  • L’analyseur de NOx par chimiluminescence (CLD) permet la mesure de NO et, lorsqu’il est équipé d’une Convertisseur Photolytique (PLC), la mesure sélective du NO2
  • L’analyseur de NO2 Cavity Attenuated Phase Shift (CAPS) est basé sur le même principe qu’un spectromètre d’absorption optique. Il comprend une LED émettant dans le bleu une cellule de mesure centrée à 450 nm correspondant au spectre d’absorption du NO2. Contrairement au CLD, c’est une mesure directe et sélective du NO2.

QC-QA

Les plateformes d’observation et d’exploration sont en lien avec le Centre d’expertise Ci-Gas dont l’un des nœuds est en France à l’IMT Lille Douai. Ce centre sert d’appui pour le programme d’assurance des données pour les Gaz trace réactifs. Il est notamment en charge d’optimiser les méthodes, de fournir des protocoles de mise en œuvre des instruments ou de validation des données, d’assurer la formation et d’animer cette thématique.

Filière de traitements 

Les données COV et NOX sont reportées à AERIS pour archive et transfert à ebas au « niveau 0 » avant le 31 mars de l’année n+1. Le Topical Centre procède alors à la vérification des données reportées et envoie des commentaires et questions via le « Nilu bug tracker ». Un workshop est organisé début mai pour discuter des différents problèmes rencontrés et pour partager l’expérience. Les sites ont alors jusque fin mai pour répondre aux questions, revoir la codification des données voire invalider certaines données. Une nouvelle soumission dite « level2 » est alors attendue pour fin mai vers AERIS qui transmet ensuite à ebas. L’objectif est que l’ensemble des données soient reportées avant le 31 juillet de l’année n+1. Le format de reporting des données est précisé à ce lien : https://ebas-submit.nilu.no/Submit-Data/Data-Reporting/Templates

Highlights

Les références listées ci-après sont en lien avec les développements et les tests des techniques de mesures pour les COV et les NOx :
  • ACTRIS2-WP4- NA4: Trace gases networking: Volatile organic carbon and nitrogen oxides Deliverable D4.9: Final SOPs for VOCs measurements, version 30/09/2014 en cours d’évolution, nouvelle version attendue pour oct 2019.
  • ACTRIS2-WP4- NA4: Trace gases networking: Volatile organic carbon and nitrogen oxides. Deliverable D4.10: Standardized operating procedures (SOPs) for NOxy measurements19/09/2014
  • Report of the WMO/GAW Expert Meeting on Nitrogen Oxides and International Workshop on the Nitrogen Cycle, York, United Kingdom, 12 – 14 April 2016, 62 pp., 2017
  • ACTRIS2: WP3/NA3: Near-surface observations of aerosols, clouds and trace gases. Deliverable D3.20: Measurement Guideline for VOC Analysis by PTRMS, version 30/04/2019