Motivations

Le dépôt atmosphérique constitue un puit définitif pour la plupart des composés atmosphériques, gazeux comme particulaires. Il est un paramètre intégrateur des processus depuis les émissions des composés atmosphériques, en passant par leur transport et transformations chimiques jusqu’à leurs dépôts sur les écosystèmes terrestres et aquatiques. Il est donc important de quantifier et d’étudier les mécanismes de dépôts atmosphériques afin de mieux comprendre le cycle biogéochimique des composés atmosphériques majeurs. Pour autant, la quantification des dépôts atmosphériques ne bénéficie pas du même degré d’attention et d’investissement que celles des émissions, du suivi des contenus atmosphériques ou de la transformation physico-chimique des espèces atmosphériques.

A l’échelle globale, il existe plusieurs réseaux de mesure long terme bien établis des dépôts humides atmosphériques : NADP aux USA, CAPMON au Canada, EMEP en Europe, EANET au Japon et INDAAF en Afrique.  Le réseau de mesure de dépôt existant au niveau national depuis les années 80 est l’Observatoire national de Mesure et d’Evaluation en zone Rurale de la pollution Atmosphérique à longue distance : MERA. Il est intégré au programme européen EMEP (European Monitoring and Evaluation Program). La coordination de cet observatoire est assurée par le département Sciences de l’Atmosphère de l’Environnement (SAGE) de l’IMT Lille Douai. Les sites sont instrumentés pour la détermination de tout ou d’une partie des paramètres définis dans la stratégie définie par EMEP et pour les besoins des directives européennes et sont gérés localement par les AASQA. De plus à l’échelle nationale, l’INSU/CNRS a labélisé depuis 1995 le SNO INDAAF (International Network to study Deposition and Atmospheric chemistry in Africa) pour l’étude des dépôts atmosphériques en Afrique. INDAAF (http://www.indaaf.obs-mip.fr) fait partie de l’infrastructure de recherche ACTRIS-FR, est un réseau contributeur labelisé WMO/GAW et fait partie de la task DEBITS (Deposition of Biogeochemically Trace Species) du programme international de chimie atmosphérique IGAC. Il est composé de 13 stations en zones rurales représentatives des écosystèmes africains et vise à l’étude et la quantification des dépôts secs et humides de gaz et particules ainsi que  des mesures de dépôt total insoluble.

Un des aspects critique pour la mesure des dépôts atmosphériques est qu’il n’existe pas de protocole standard ou de norme pour la collecte des dépôts secs, ni pour l’analyse des dépôts insolubles. Le groupe de travail est donc un lieu d’échanges, d’analyse et de concertation ouverts aux équipes en charge de dispositifs de mesures à long-terme des dépôts atmosphériques labellisé par l’INSU ou d’autres institutions mais aussi aux chercheurs de la communauté atmosphériques intéressés ou impliqués dans l’étude des processus de dépôt, leur quantification et leur représentation dans les modèles 3D de chimie transport.  Le thème du groupe de travail s’inscrit dans la dynamique internationale  de GAW WMO à travers le groupe d’expert du Scientific Advisory Group Total Atmospheric Desposition  (SAG TAD) en concertation avec les SAGs Aérosols et Gaz réactifs (SAG-RG et SAG-Aerosols).

Sites de mesure (ou plateformes d’observation) 

Le SNO INDAAF dispose de 8 stations labellisées en Afrique de l’Ouest et de 5 stations partenaires en Afrique du Sud et en Tunisie. Elles sont représentatives de sites ruraux et des grands écosystèmes : savanes sèches, savanes humides, forêt. (https://indaaf.obs-mip.fr/)

Le réseau MERA: Observatoire national de Mesure et d’Evaluation en zone Rurale de la pollution Atmosphérique à longue distance. Il est constitué de 12 stations en 2018 localisées en zone rurale sur le territoire français. (https://www.lcsqa.org/fr/actualite/mera-observatoire-national-mesure-evaluation-zone-rurale-pollution-atmospherique-longue-di)

Instruments

Collecteurs de dépôt humide atmosphérique

  • SNO INDAAF : Fraction soluble des dépôts humides :  collecteur automatique conçu au LA. Fraction insoluble des dépôts humides, le collecteur commercial automatique MTX.
  • MERA : Fraction soluble : collecteur automatique Eigenbrodt

Collecteurs de dépôt sec atmosphérique

  • SNO INDAAF : Flux massique de particules : Collecteur frisbee inversé (anneau déflecteur +billes). Pas de temps hebdomfdaire

Collecteurs d’Aérosols : Prélèvement sur filtre par classe de taille PM2,5, PM10 (Tête de coupure bas volume)-Pas de temps hebdomadaire.

Capteurs passifs gaz : mesure des concentrations de NO2, HNO3, NH3, SO2, O3. Pas de temps mensuel.

Mesure TEOM masse d’aérosol : TEOM 1400 A Thermo scientific. Mesure temps réel.

Mesure paramètres météorologiques : Matériel Campbell Scientific Instruments : Windsonic 2D, Capteur 50Y, Capteur HMP50, Pluviomètre à augets basculants ARG100, Centrale d’acquisition CR200, pluviomètre à lecture directe.

Les stations du réseau MERA, étant gérées localement par des Associations Agréées de Surveillance de la Qualité de l’Air (AASQA), associent des mesures de suivi de différents composés atmosphériques gazeux et particulaires.

Photo du site INDAAF de Lamto

Variables

Instrument/Échantillonnage/Paramètres Mesurés Norme/Standard
PLUIE
Collecteur automatique de précipitation (LA, EIgenbrodt)

Pas de temps : évènement

Unité µeq/l

Normes internationales Manual for the WMO GAW Precipitation Chemistry Programme (report 160)  norme instrument, norme sur la représentativité spatiale et temporelle de l’échantillonnage. 
Paramètres PH, Conductivité

Ions majeurs inorganiques et organiques

(Cl,  NO3,  SO4 2-, HCO3, CO3 2-, Na+,  NH4+,  K+, Mg 2+, Ca 2+, HCOO-, CH3COO-,C2H5COO-, C2O42

Critère Qualité appliqué aux données: Norme US EPAbasé sur test balance ionique en fonction de la charge
Analyse

Chromatographie Ionique

chromatographes Thermo DIONEX

Programme Qualité Control/Quality Assurance international WMO GAW Label qualité du laboratoire d’aérologie INDAAF depuis 1996 (référence 700106) Résultats sur site http://www.environment-canada.ca

Programme intercomparaison EMEP

AEROSOL
Spéciation en taille PM2.5 et PM 10

Pas de temps : hebdomadaire

Unité µg/m3,

Norme internationale WMO GAW Aerosol Measurement procedures (report 153)
 Paramètres Masse totale : Pesée filtre

Pesée de la masse des particules collectées (voie sèche Frisbee et voie humide après collecte avec MTX)

Protocole gravimétrie report GAW WMO 153.

Balance SARTORIUS MC21S

Balance de précision (10-5g)

Ions majeurs inorganiques et organiques Chromatographie ionique (QA/QC WMO GAW)
Carbone : carbone élémentaire, carbone organique, carbone total (EC OC TC) Analyseur thermo-optique DRI et Sunset (Improve : méthode US EPA + intercomparaison nationale (Chiappini et al 2014), méthode EUSAAR : intercomparaison ACTRIS EU, ECAC Tropos européenne)
Concentrations en PM10 (mg.m-3 au ng.m-3) TEOM 1400 A Thermo Scientific Tapered Element Oscillating Microbalance Tête de prélèvement PM10

Norme GAW WMO report 153

GAZ  
Capteurs passifs

Pas temps : Mensuel Unité : ppb, µg/m3

Paramètres 

SO2      NO2        NH3     O3    HNO3

Capteurs passifs

Pas temps : Mensuel Unité : ppb, µg/m3

Paramètres 

SO2      NO2        NH3     O3    HNO3

PARAMETRES METEOROLOGIQUES  
Station météo : Matériel Campbell Scientific

Paramètres mesurés

Vitesse et direction de vent

Température de l’air

Humidité relative

Précipitations

V : 0 à 60m/s, Dir : 0 à 360° Vitesse : ± 2 %; Résolution : 0,01 m.s-1 Direction : ± 3°; Résolution 1°

: -40°C à +60°C (T° : ±1,4°C à -40° ;  ±0,8°C à 60°C)

Hrel : 0 à 100% , HR%: ± -3% de 0% à 90% de RH;  ± 5% de 90 à 98% de RH

P : max 0,2 mm

● QC-QA

1- Les mesures de composition des pluies et des aérosols (INDAAF, MERA) sont réalisées selon les standard GAW/WMO et EMEP. Exemple de DQO pour la chimie des précipitations réévaluées par GAW/WMO en 2018.

Les analyses de chromatographie ionique sont évaluées à travers la participation aux exercices d’intercomparaison EMEP (Rapports : https://projects.nilu.no//ccc/intercomparison/index.html) et GAW (Rapport : http://www.qasac-americas.org/) deux fois par an.

Exemple d’évaluation des objectifs qualité définis par GAW. Guidelines for precipitation chemistry (http://www.qasac-americas.org/publications).

2- Les analyses de carbone EC/OC par méthode thermo-optique répondent aux normes européennes ACTRIS EU à travers la participation des laboratoires aux intercomparaisons organisées par le European Centre for Aerosol Calibration (ECAC, http://www.actris-ecac.eu) chaque année. Les laboratoires participants reçoivent à analyser un aliquote de prélèvements PM2,5 collectés sur deux sites européens (rural ou urbain de fond) ainsi qu’une solution aqueuse d’acide phtalique. Rapports : https://www.actris-ecac.eu/ocec-analyse.html

 

Filière de traitements 

 Les variables mesurées sont des quantités de matière solubles ou insolubles déposées au niveau de la surface. Les paramètres chimiques ou physiques (après validation QA/QC, DQO) sont ramenés à la surface des collecteurs ou la quantité de précipitations et à la durée de prélèvement, permettant ainsi de calculer les flux de dépôts totaux ou humides par unité de surface ou de hauteur de pluie et par unité de temps.

De plus, les flux de dépôts secs de gaz et de particules sont estimés par méthode inferentielle en utilisant une modélisation de vitesse de dépôt sec (Adon et al, 2013) et les concentrations atmosphériques mesurées.

Les données brutes sont traitées dans les laboratoires impliqués dans les réseaux où sont également réalisées les analyses chimiques. Les données qualifiées sont distribuées via AERIS/SEDOO sur le site INDAAF et pour MERA sur le bases de données nationales (LCSQA GEOD’AIR) et européenne (EMEP EBAS).

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.