Apport complémentaire des travaux de recherche scientifiques

Jusqu‟à aujourd‟hui, peu d‟études ont été menées sur la nature, l‟origine et les sources des COV en région IDF - contrairement à ce qui a pu être réalisé pour les particules tant d‟un point de vue expérimental (Favez et al., 2007a ; Sciare et al., 2010 ; Bressi, 2012 ; Petit, 2014) que lié à des travaux de modélisation (Petetin, 2014). Ces travaux avaient pour objectifs (1) d‟améliorer les connaissances liées à la composition chimique de l‟aérosol fin (PM2.5) présent en région parisienne, (2) d‟identifier et de quantifier ses principales sources d‟émissions et (3) déterminer ses origines géographiques.

La pollution gazeuse à Paris a déjà fait l‟objet d‟études dans le cadre d‟importants programmes scientifiques, dont le projet ESQUIF (Etude et Simulation de la Qualité de l‟air en Île-de-France, mené du 25 juillet 1998 au 31 juillet 2000). Les principaux objectifs de ce projet ont été de mieux comprendre les processus dynamiques et chimiques conduisant aux pics de pollution atmosphérique en région parisienne et de constituer une base de données pour l‟évaluation des modèles numériques dédiés à l‟analyse, aux scénarios et à la prévision de la qualité de l‟air (Vautard et al., 2003). Durant ce programme de recherche, des mesures de CO, O3 et COV (basées sur quelques flacons) ont été réalisées au cours de l‟été 1998 et 1999. Il a été déterminé que la formation d‟ozone

en région parisienne était associée à un régime chimique COV dépendant (également appelé régime saturé en NOx selon Sillman, 1999). En raison d‟un faible nombre d‟échantillons et d‟un

manque de spéciation, il n‟a pas été possible de caractériser exhaustivement les COV. Ceci a tout de même permis de mettre en perspective le besoin de mesures systématiques d‟un large panel de composés.

À l‟issue de cette initiative, une nouvelle campagne de mesures intensive a été mise en place : le projet AEROCOV (projet ANR, 2005-2008), « Étude expérimentale des aérosols et composés organiques volatils dans les mégapoles : quantification des interactions et des impacts ». Ce projet a exigé la mise en place de systèmes de mesures automatiques permettant une spéciation fine d‟une large gamme de COV. Deux chromatographes en phase gazeuse couplés à un détecteur à ionisation de flamme (GC-FID) ont permis la mesure de nombreux hydrocarbures primaires (dont des alcanes, alcènes, alcynes, aromatiques). En complément de ces mesures, un spectromètre de masse à transfert de proton (PTR-MS) a permis l‟acquisition de mesures de COV fonctionnalisés (oxygénés, nitrés, azotés…). Finalement, ce programme de recherche a permis sur une période de temps donnée (Mai-Juin 2007) de (1) caractériser les COV en termes de nature de composés, de concentration et de variabilité, (2) d‟identifier l‟ensemble des sources de COV et d‟en déterminer leur contribution respective à l‟aide d‟un modèle statistique, (3) de comparer ces dernières avec les données d‟inventaire

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et d‟évaluer le potentiel de formation d‟ozone (Gros et al., 2011 ; Gaimoz et al. 2011). Ces travaux ont fait partie intégrante de la thèse de C. Gaimoz (2009).

Les simulations ont montré que la source trafic (de par la combinaison des gaz d‟échappement et évaporation des essences) était le principal contributeur des émissions de COV (39 %). Cette proportion a été considérée en désaccord avec l‟inventaire d‟émissions local fourni par Airparif (Année 2005 – Ancienne méthodologie), pour lequel l‟utilisation des solvants (domestiques et industriels) était l‟activité la plus émettrice de COVNM. Un tel constat a également été observé à l‟échelle européenne (e.g. Allemagne - Niedojadlo et al., 2007; Suisse –Lanz et al., 2008). Ce programme s‟est toutefois limité à des mesures atmosphériques ambiantes d‟un mois (Mai -Juin 2007). Bien que cette étude puisse apporter de précieuses informations sur l‟origine/la nature des COV et leurs principales sources d‟émissions, elle n‟aborde pas la question de la variabilité temporelle des concentrations à plus large échelle (notamment la dimension saisonnière). Des mesures sur le long terme s‟avèrent en effet nécessaire pour vérifier la représentativité de ces résultats.

À l‟issue de ce travail, deux autres campagnes de mesures ont été réalisées dans le cadre du projet européen MEGAPOLI (Megacities, Emissions, urban, regional and Global Atmospheric POLlution and climate effects and Integrated tools assessment and mitigation) : la première ayant pris place au cours de l‟été (Juillet 2009) et la seconde durant l‟hiver (Janvier-Février 2010). Les objectifs de ce programme ont été multiples : (1) documenter un large nombre de composés gazeux et particulaires et de déterminer leurs niveaux de concentration, leurs variabilités, leurs sources d‟émissions et leurs origines géographiques à Paris (avec distinction des saisons été/hiver) ; (2) déterminer l‟impact de la pollution émise par les mégapoles sur la pollution locale, régional et globale ; (3) développer des outils d‟intégration qui serviront à la prédiction des émissions polluantes des mégapoles (Baklanov et al., 2010 ; Beekmann et al., 2015).

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III – Conclusions, objectifs et cadre de la thèse

Alors que les COV jouent un rôle prépondérant en chimie atmosphérique (en tant que précurseurs d‟ozone troposphérique et d‟aérosols organiques secondaires, aux impacts sanitaires et climatiques divers), la connaissance de leurs sources, leur devenir et leurs impacts nécessite d‟être approfondie car certains aspects scientifiques sont encore mal documentés. Des études préliminaires sur les COV ont été réalisées – néanmoins sur de courtes durées (quelques semaines seulement) ; ce qui posait la question de la représentativité des résultats à plus large échelle temporelle. Une compréhension plus

détaillée sur l‟origine (nature) des COV et de leurs principales sources d‟émissions (ainsi que leurs contributions aux teneurs ambiantes) à partir de mesures sur le long terme est primordiale pour mettre en place des stratégies de surveillance et d‟abattement efficaces d‟ozone et d‟AOS.

Cette présente thèse vise, au travers de plusieurs campagnes de mesures, à améliorer la compréhension des émissions de COV (nature, sources, origines géographiques) en Île-de-France ainsi que les principaux paramètres qui régissent leurs comportements dans l‟atmosphère. Cette caractérisation passe, en premier lieu, par une approche expérimentale : (i) via la réalisation de mesures de COV en champ proche (soit à proximité immédiate des sources d‟émissions) en vue de déterminer de manière précise des profils de spéciation spécifiques à trois types de sources anthropiques (que sont le trafic automobile, le chauffage au bois et l‟utilisation du gaz naturel) et (ii) à partir d‟observations ambiantes de COV et d‟aérosols recueillies à Paris au cours de deux campagnes de mesures intensives réalisées dans le cadre des programmes de recherche MEGAPOLI (Campagne Hiver) et FRANCIPOL (2010).

La nouveauté et la force de ces travaux de recherche reposent sur l‟acquisition, l‟exploitation et la valorisation d‟une base de données de COV (combinant des mesures d‟HCNM et de COVO) - jusqu‟à maintenant inédite pour une zone mégapole comme Paris.

Une méthodologie source-récepteur, par application de l‟outil statistique Positive Matrix Factorization (PMF) (Paatero and Tapper, 1994), a été employée pour qualifier et quantifier les principales sources d‟émissions aux teneurs ambiantes mesurées sur presque une année. L‟identification des profils de source modélisés se base à la fois (i) sur le recensement de profils de spéciation existants dans la littérature scientifique et (ii) sur l‟acquisition d‟empreintes chimiques à partir de mesures atmosphériques réalisées en champ proche. La confrontation des profils spéciés issus des observations en point-source avec ceux obtenus à partir des simulations PMF n‟a jamais encore été entreprise. L‟étude comparative que nous proposons ici permettra de rendre plus robuste/pertinent nos résultats PMF. Ces derniers seront également confrontés aux données des inventaires pour évaluer de manière indépendante leur cohérence. L‟évaluation de leur pertinence et de leur représentativité constitue un important défi, puisque les inventaires d‟émissions alimentent les systèmes de modélisation (ici, la plateforme Esméralda) exploités pour la prévision opérationnelle de la qualité de l‟air en région IDF.

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CHAPITRE II

Techniques de mesure des COV &

Méthodes de caractérisation des sources

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Sommaire du Chapitre II

I - Instruments analytiques pour la mesure des COV ... 72

1.1- Mesure des HCNM par chromatographie en phase gazeuse (GC-FID) ... 75 1.1.1- Présentation du système a0nalytique de laboratoire ... 75 1.1.2- Présentation du système analytique automatique ... 79 1.1.3- Focus sur les conditions opératoires des GC-FID durant les campagnes phares

MEGAPOLI et FRANCIPOL (2010) ... 88 1.2- Mesure des COV par PTR-MS ... 90