Caractérisation chimique des aérosols

Suite à un incident technique, aucun échantillon pour l’analyse par chromatographie ionique

des éléments organiques ou inorganiques, n’a pu être prélevé dans l’avion lors des vols du 1er

et du 2 juillet 2006. L’analyse de la composition chimique se limite donc aux analyses individuelles par microscopie électronique des particules échantillonnées à l’aide de l’impacteur.

Les Figure 4.49 a et b représentent l’abondance relative, en nombre, de différents types

d’aérosol du mode accumulation (2eme étage de l’impacteur) en fonction de l’altitude,

respectivement avant et après le passage du MCS. Un seul échantillon a été analysé pour le 1er

juillet 2006. L’analyse des autres échantillons est actuellement en cours. Ainsi, nous ne pourrons pas déterminer l’évolution de la composition chimique des aérosols dans la couche limite. Néanmoins, les informations recueillies nous permettent de déterminer l’évolution de la composition chimique dans la couche intermédiaire, après le passage du MCS.

Sur la Figure 4.49a, l’abondance relative des types d’aérosol est présentée à 2790 m. Sur cet échantillon 25 particules différentes ont été analysées. On peut remarquer une forte contribution (~ 48%) des poussières désertiques, dont la composition est riche en silicate. L’abondance relative est de 32% pour les aérosols de feu de biomasse, de 12% pour les aérosols sulfatés, de 4% pour les aérosols marins et de 4% pour les aérosols de nature

indéterminée. A ce niveau d’altitude, le 1er juillet, deux types d’aérosols prédominent (80% du

4.1 Cas du mois de juillet 101

La Figure 4.49b montre l’abondance relative des différents types d’aérosols à 400, 2500 et 3090 m. Sur ces trois échantillons ont été analysées respectivement 30, 33 et 30 particules. A 400 m, dans la couche limite, la majorité des aérosols (47%) sont des poussières désertiques et seulement 13% sont des particules de feux de biomasse. Les aérosols sulfatés représentent 26% de la totalité des aérosols, la partie indéterminée 10%, les aérosols de carbone suie 4% et les sels marins sont indétectables.

a) b) A lt it ude ( m ) 0% 50% 100% 2790 A lt it ude ( m ) 0% 50% 100% 3090 2500 400

Abondance Relative (%) Abondance Relative (%)

Figure 4.49 : Abondance relative des différents types d’aérosols en fonction de l’altitude (m) a) le 1er juillet, avant le passage du MCS; b) le 2 juillet, après le passage du MCS.

Dans la couche intermédiaire, on observe une contribution plus importante des aérosols de feux de biomasse (36% à 2500 m et 31% à 3090 m) tandis que celle des poussières désertiques est moins importante (18% à 2500 m et 31% à 3090 m). L’abondance relative du sulfate augmente nettement dans cette couche (43% à 2493m et 31% à 3086m). La somme des aérosols de nature indéterminée et de carbone suie représente moins de 7% pour chaque échantillon.

En comparant les échantillons prélevés dans la gamme d’altitude comprise entre 2500 m et 3090 m (Figure 4.49a et Figure 4.49b), où la concentration totale des particules est similaire, les proportions de poussières désertiques et d’aérosols sulfatés sont très différentes avant et après le passage du MCS. Dans la couche intermédiaire, avant passage du MCS, les poussières désertiques sont majoritaires, tandis qu’après le passage du MCS, elles ne représentent plus qu’un tiers de l’aérosol. Dans le même temps, l’abondance relative des aérosols sulfatés est quadruplée. La quantité relative des autres types d’aérosols ne varie pas significativement après le passage du MCS.

L’analyse élémentaire par microscopie électronique permet également de déterminer l’état de mélange des particules. L’aérosol atmosphérique peut être considéré comme un mélange interne ou externe de particules. La Figure 4.50 représente la fréquence de détection, sur les poussières désertiques, d’espèces telles que le soufre (S) et le chlore (Cl) en fonction de

l’altitude, après le passage du MCS. Le soufre et le chlore sont en effet des espèces extrêmement solubles (Levin et al., 1996 ; Trudi et al., 2007). La fréquence de détection de ces espèces sur des particules minérales constitue un indicateur de modifications superficielles de ces particules (Shi et al., 2007) et donc de la présence éventuelle d’une pellicule de surface soluble. La Figure 4.50 indique que la fréquence de détection du soufre et du chlore est nulle dans la couche limite et qu’elle augmente avec l’altitude. Les poussières désertiques échantillonnées dans la couche limite sont donc des particules dont les propriétés de surface n’ont pas été modifiées par des éléments solubles. Par contre, dans la couche intermédiaire, la fréquence de détection du soufre est de 20% à 2500 m et de 33% à 3090 m, tandis que celle du chlore est plus faible 0% à 2500 m et 11% à 3090 m. Ces résultats prouvent que les poussières désertiques échantillonnées dans la couche intermédiaire, par nature plutôt insolubles, sont chimiquement modifiées par des éléments solubles.

Les analyses individuelles par microscopie électronique permettent de connaître la quantité de chaque élément présent sur une particule. Grâce à ces données nous avons pu déterminer que les poussières désertiques, chimiquement modifiées, contiennent en moyenne 2% de soufre et de chlore. Roberts et al. (2002) ont montré que l’ajout de quelque pourcent de matières solubles sur des particules peu hygroscopiques est de nature à augmenter significativement leur capacité à agir comme de bons CCN. La quantité de soufre et de chlore ajoutée à ces particules suffit donc à modifier leurs propriétés hygroscopiques.

A lt it ude ( m ) Fréquence de détection (%)

Figure 4.50 : Fréquence de détection de soufre (rouge) et de chlore (bleu) sur les poussières désertiques du mode accumulation en fonction de l'altitude. Les échantillons ont été prélevés le 2 juillet 2006.

La Figure 4.51 représente les images prises au microscope électronique à balayage sur les

substrats en nitron utilisés à 2790 m et 3090 m respectivement, le 1er et le 2 juillet 2006. Les

particules apparaissant sur la Figure 4.51 sont celles qui constituent le mode grossier,

collectées sur le 1er étage de l’impacteur. On rappelle que la particularité de ce substrat est de

4.1 Cas du mois de juillet 103

passage du MCS (photo de gauche), les particules échantillonnées ne sont pas enrobées de nitrate. Après le passage du MCS (photo de droite), la majorité des particules est recouverte d’une pellicule de surface composée de nitrate.

Meng et Seinfeld (1994) ont prouvé, par des analyses en laboratoire, que la quantité

d’éléments solubles déposée à la surface des particules est dépendante du processus qui génère cette pellicule de surface. Selon leurs conclusions, le processus le plus efficace, en terme de quantité d’éléments solubles, est le passage de la particule dans une phase aqueuse (nuage). Dans notre cas, la quantité de nitrate semble être relativement importante. Le processus de passage dans une phase nuageuse est donc une hypothèse probable pour expliquer la présence de cette pellicule de surface composée de nitrate.

a) b)

Figure 4.51 : Images prises au microscope électronique à balayage sur les substrats de l’impacteur pour les particules du mode grossier prélevées à 2790 m le 1er juillet (à gauche) et à 3090 m le 2 juillet (à droite).

En résumé, les données de l’impacteur nous ont permis de décrire l’abondance relative des espèces en présence et l’état de surface des particules minérales en fonction de leur taille (mode d’accumulation et grossier). Dans les couches atmosphériques supérieures, on constate que la différence majeure après le passage du MCS est l’augmentation importante de l’abondance relative de sulfate dans les échantillons prélevés au détriment de la fraction minérale. Par contre, ce rapport d’abondance entre sulfates et poussières désertiques est inversé dans les basses couches.

L’analyse de la fréquence de détection d’éléments solubles (S et Cl) sur ces poussières désertiques ainsi que l’observation de l’état de surface des particules du mode grossier, avant et après le MCS, nous permet d’identifier les processus subit par ces particules. Dans la couche intermédiaire, les poussières désertiques, du mode accumulation, ont été chimiquement modifiées par du soufre et du nitrate, leur conférant un caractère plus hydrophile.

Par contre, dans la couche limite, les poussières désertiques n’ont pas été chimiquement modifiées par des éléments solubles. Ces particules garderaient donc leur caractère peu hydrophile. Ce résultat est en accord avec un soulèvement de poussières désertiques par le

MCS dans les basses couches. Afin de confirmer ces observations il est nécessaire de décrire l’état de mélange des aérosols, à partir des données de thermo-désorption.