Analyse des échantillons prélevés in-situ

Au cours des vols mentionnés dans le tableau 4.5, des échantillons de particules d’aérosols ont été prélevés à l’aide d’un impacteur à deux étages permettant d’isoler les particules submicroniques de celles supermicroniques. L’impacteur était inséré, par un système de valves contrôlé par le logiciel Labview, dans un flux d’air pour une durée arbitraire en fonction des conditions de vols et des différents événements nuageux ou de pollution rencontrés. Une présentation plus approfondie de cet impacteur est faite par Matsuki et al. (2005a,b). Les diamètres de coupures à 50% sont 1.6 et 0.2 µm pour des particules de densité égale à un et pour chaque échantillonnage, deux substrats (décrits par Matsuki et al. (2010)) sont disposés à chaque étage de l’impacteur afin de recueillir les particules. Les échantillons in-situ ont ensuite été analysés au Laboratoire de Physico-Chimie

62

Chapitre 4. Étude de la partie réfractaire et du vieillissement des aérosols pollués transportés en Arctique de l’Atmosphère à Dunkerque à l’aide de plusieurs instruments. Les particules submicroniques analysées ont d’abord été mises sous un microscope électronique à transmission (Transmission electron microscope, TEM, JEM-2010 FEF, JEOL) afin de produire des images à haute résolution. Elles ont ensuite été soumise à un spectromètre à rayons X (Energy Dispersion X-Ray spectrometer, EDX, JED2003, JEOL) dont le principe est de bombarder les particules avec des électrons accélérés par l’application d’une tension de 200 kV pour les faire passer dans un état « excité ». Pour quitter l’état d’excitation, les particules émettent des rayons X dont l’analyse des spectres permet ensuite l’identification des constituants des particules. Les particules supermicroniques sont elles aussi imagées à l’aide d’un microscope électronique à balayage (Scanning Electron Microscope SEM, S-3000N, Hitachi) avant qu’un second EDX (EMAX-500, Horiba), accélérant les électrons à 20 kV, analyse leur composition élémentaire.

Origine date ^{N˚panache début fin analyse analyse}

correspondant (UTC) (UTC) submicro. supermicro.

Euro. anth 9 Avril 6 9 :39 9 :47 analysé (a)

Feux Russes 9 avril 8 12 :04 12 :17 analysé analysé

Mixte 8 avril 3 et 4 13 :52 13 :59 analysé (a)

Asie anth. 11 avril 13 10 :42 10 :52 analysé analysé

Asie feux 11 avril 14 10 :53 11 :30 (b) analysé

Air polaire 11 avril 12 :16 12 :27 analysé (a)

TABLEAU 4.5 – Liste des échantillons prélevés lors de certains vols de la cam-pagne de printemps. Les heures de début et de fin d’échantillonnage sont indiquées tout comme les origines auxquelles ces échantillons sont reliés. (a) indique que les particules supermicroniques sont en trop faible nombre pour être analysées et (b) indique que les analyses ne sont pas disponibles.

Pour chaque substrat de particules submicroniques, trente particules choisies aléatoirement ont été analysées, cette méthode permettant de connaître qualitative-ment la composition relative des particules mais pas de la quantifier. En revanche, chaque particule supermicronique a été analysée, le nombre total de particules par substrat pouvant varier de seize à plus de cinquante en fonction de la durée d’échantillonnage et de la nature des masses d’air rencontrées. Néanmoins, il est important de noter que ces nombres de particules supermicroniques sont assez faibles du fait de la courte durée d’échantillonnage et des masses d’air dont les concentrations en particules supermicroniques sont faibles.

4.3. Étude des panaches transportés vers l’Arctique 63

L’échantillonnage des particules par cet impacteur visait dans un premier temps l’étude des noyaux de condensations et glacogènes (dont l’étude ne fait pas partie des objectifs de cette thèse). Ainsi, si sur la campagne 68 échantillonnages ont été effectués, seuls cinq ont concerné des panaches de pollution en ciel clair décrits jusqu’ici auxquels s’ajoute un sixième échantillonnage obtenu dans de l’air polaire (et donc supposé propre). Les caractéristiques de ces 6 échantillons sont décrites dans le tableau4.5.

POLAIRE 100% S ^{49% Na, 42 % S,} 9% K ANTHROPIQUE EUROPÉEN (RH = 40%) 100% S 76% S, 24% K FEUX EUROPÉENS (RH > 55%) 77% S, 23% K 36% S, 64% K ANHTROPIQUE ASIE (RH = 23%) 13% Na, 68 % S, 19% K ^{77% S, 23% K} A B C D 500 nm

Figure 4.11 – Images prisent en microscopie électronique à transmission de parti-cules échantillonnées durant les vols POLARCAT printemps. Les origines relatives aux images sont indiquées sur la figure, tout comme les compositions chimiques ma-joritaires des particules présentées. L’échelle est identique pour chaque image, chaque côté correspondant à 500 nm.

L’analyse des images, présentées sur la figure 4.11, permet d’ors et déjà de constater que des différences apparaissent entre les origines. Ainsi, les particules submicroniques polaires (figure 4.11(A)) apparaissent sous forme « satellitaire » avec une grosse goutte entourée de gouttelettes qui sont une signature typique des sulfates que l’on trouve dans les particules vieillies. Entre les particules originaires des feux (figure 4.11(C)) et des émissions anthropiques (figures 4.11(B) et (D)), peu de différences apparaissent visuellement avec des particules qui comportent quasiment toutes des inclusions de suie très visibles. En revanche,

64

Chapitre 4. Étude de la partie réfractaire et du vieillissement des aérosols pollués transportés en Arctique

S K Na Suie 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Fréquence de détéction (%) EU anth. Feux russes Mixte Asie mixte Polaire

Figure 4.12 – Fréquence de détection des trois éléments les plus abon-dants (Soufre (S), Potassium (P) et Sodium (Na)) dans les échantillons prélevés pendant les vols et correspondants à des panaches de pollution identifiés au cours de cette étude.

l’humidité relative semble influencer la visibilité d’une couche recouvrant la parti-cule comme on peut le voir sur les images (D)(RH = 23%) et (B) et (C)(RH > 40%).

Comme expliqué précédemment, il est possible de déterminer la nature de certains composants des particules mais pas de quantifier leur présence au sein de celles-ci. Pour un échantillon de trente particules submicroniques nous introduisons donc le terme de fréquence de détection (FD) qui renseigne la fréquence suivant laquelle un composé est trouvé parmi les trente particules. Une FD de 100% signifiant donc que le composé a été identifié dans chacune des trente particules. Le soufre (S) est systématiquement mesuré avec une FD de 100% du fait qu’il entre dans la compo-sition de l’acide sulfurique mais également des sulfates, deux composés largement présents dans les particules d’aérosols notamment lorsque celles-ci ont été soumises à un transport sur de longues distances. Le potassium (K) est considéré comme un marqueur de feux de biomasse (Andreae, 1983) bien qu’il puisse être mesuré, en plus faible quantité toutefois, dans les émissions anthropiques (Guazzotti et al.,