Les analyseurs de particules:

Toutes les mesures chimiques faites au sommet du Puy de Dôme après la récupération des aérosols sur filtres, sans distinction de taille ou à l’aide d’impacteur en cascade, sont expliquées par Sellegri et al. (2003). Nous décrirons ici succinctement le principe de fonctionnement des appareils pour la mesure physique des particules.

2.1 Condensation Particle Counter (CPC) :

Le principe d’un CPC est de faire condenser un liquide sur les particules d’aérosol afin d’obtenir des gouttes de même tailles et suffisamment grosses pour être facilement pris en compte par le photo-détecteur. Plusieurs types de CPC existent et sont décris par Willeke (1993). Les CPC utilisés lors des campagnes de mesure au Puy de Dôme sont tous à condensation dans un écoulement laminaire. Il s’agit des CPC 3010, 3760, 3025A et 3022 de TSI. Pratiquement, ceux-ci sont différenciés par leurs diamètres de coupure allant de 3 nm (3025A) à 7 nm (3022), 10 nm (3010) et enfin 11 nm (3760). Fig. 2.2.1 : Schéma du CPC3010 1. Entrée Aérosol (débit 1 l/min) 2. Bloc Saturateur 3. Butanol 4. Chauffage 7. Bloc Condenseur 8. Pompe Chauffée 9. Ailettes de Refroidissement 12. Jet Convergent 13. Chambre de Détection Optique 14. Faisceau Laser 15. Lentille de Convergence 16. Photo-Détecteur 17. Orifice Critique (Contrôle du débit).

Leur principe de fonctionnement est décrit par le schéma de la figure 2.2.1. Le liquide utilisé est du butanol pur car il permet d’obtenir de très fortes sursaturations (jusqu’à RH=500%) pour de relativement faibles différences de températures. Les gouttelettes de butanol se forment par refroidissement dans le bloc condenseur après avoir été amenées dans le flux laminaire de l’air porteur à saturation par le bloc saturateur. Les gouttelettes passent ensuite dans un convergent, puis

devant le faisceau laser de la chambre de détection optique où elles sont comptées. Le débit du CPC est contrôlé en aval par un orifice critique qui maintient le débit constant quels que soient les sursauts de puissance de la pompe utilisée.

Les comptages par CPC sont en général extrêmement précis et le seul problème provient des erreurs de coïncidence lorsque deux particules ou plus sont comptées simultanément par le rayon laser. Elles peuvent être corrigées en résolvant l’équation ci-dessous par itération.

Na = Ni exp (Na Q τp) éq. 2.2.1 où Na est la concentration réelle (#/cm^-3), Ni est la concentration mesurée (#/cm^-3), Q est le débit d’échantillonnage qui vaut 16.67 cm³/s pour un CPC 3010, et τp (0.4 µs) est le temps de résidence de chaque particule dans le volume d ‘échantillonnage.

Il existe aussi une équation du second degré proposée par Hermann (2001) pouvant être utilisée:

²

2

))²

1

(

²

1

(

)

1

(

²

1

c

c

N

c

c

N

c

N

= − − − −

où c est un paramètre de coïncidence déterminé par le calibrage. Dans le cas du CPC 3022, au-delà d’une concentration de 1000 particules/cm³, le photo-détecteur est utilisé pour mesurer l’intensité de la lumière diffusée, car il a été calibrée en fonction de la concentration des aérosols. Par suite, toute réparation ou modification nécessitera un nouveau calibrage. Dans la pratique, les concentrations mesurées au puy de Dôme ne nécessitent pas de corrections de ce genre. En effet, les concentrations de particules sont faibles et une erreur de coïncidence de seulement 3.5 % existe pour une concentration de 5000 #/cm^-3.

Le diamètre de la plus petite particule comptée par ce système dépend de la sursaturation imposée dans le bloc condenseur qui elle-même dépend de la différence de température entre le bloc saturateur et le bloc condenseur ∆T. Dans des conditions normales d’utilisation ∆T vaut 17°C, mais elle peut être augmentée tant que des gouttelettes de butanol ne se forment par nucléation homogène ce qui arrive pour ∆T supérieure à 25°C (Mertes, 1995). Il est aussi possible d’abaisser le diamètre d’activation des particules en abaissant le débit d’échantillonnage (i.e. augmenter le temps de résidence des particules, Banse et al., 2001; Hermann, 2001), mais cela augmente les pertes de particules par diffusion vers les parois des tubes du CPC.

2.2 Le compteur de CCN (WYOCCN) :

La description et le calibrage de cet appareil sont faites dans Delene, (1998 et 2000). Le compteur de CCN est initialement conçu pour être utilisé à bord d’un ballon-sonde. Il est comparable à d’autres chambres de diffusion avec un gradient thermique statique produit par deux plaques circulaires en inox créant un volume de 80 cm³. Un gradient vertical de vapeur est produit en refroidissant la plaque inférieure à l’aide d’un thermocouple. Un laser éclaire alors les gouttelettes durant leur croissance à l’intérieur de la chambre, dont un photodétecteur mesure la quantité de lumière diffusée (cf. fig. 2.2.2). La concentration de CCN est alors déterminée à l’aide d’un calibrage de la lumière diffusée par un aérosol monodispersé créé en laboratoire. Les plaques supérieure et inférieure sont maintenues humides durant deux heures à l’aide de papier buvard imbibé d’eau. La mesure du spectre d’activation des CCN nécessite 40 s. Un cycle de mesure correspond à un ajustement de la température entre les deux plaques durant 5 à 10s, suivi d’une vidange de 5 s pour enlever l’air de l’échantillon précédent et le remplacer par un nouveau (débit de 3 L/min), puis un intervalle de 20 s est nécessaire pour mesurer le développement du nuage à l’intérieure de la chambre.

Fig. 2.2.2 : Schéma des principaux composants du système de détection du compteur de CCN.

Le calibrage du WYOCCN consiste à établir la relation entre le nombre de gouttelettes, mesurées par la camera, et la tension délivrée par le photo-détecteur. A partir du moment où le volume de rayon de laser vu par la caméra vidéo est petit (0.071 cm-3), de nombreuses mesures du nombre de gouttelettes et de la tension du photo-détecteur sont nécessaires pour établir une bonne corrélation entre ces deux valeurs. Ce calibrage change selon la sursaturation (S) appliquée, cette dépendance a été paramétrée pour les sursaturations de 0.2, 0.4, 0.8 et 1.6 %.

Problèmes rencontrés :

1. Pics de concentration dus à l’ouverture et à la fermeture de l’électrovanne

2. Des tests en laboratoire utilisant des aérosols monodispersés dont les tailles englobent celle du diamètre d’activation ont montré que la sursaturation calculée (en utilisant les températures des plaques et un modèle permanent pour la chambre) est 30% plus faible que celle estimée (Delene, 2000).

Comme il est nécessaire d’attendre que les gouttelettes se forment, L’utilisation d’une chambre CCN ne permet pas de faire une mesure en flux continu. Or toute perturbation du flux en aval du CVI modifie ses conditions d’échantillonnage, mais surtout son diamètre de coupure (cf. la 4^ème partie de ce chapitre), et peut créer des écoulements turbulents augmentant les pertes de particules. Ainsi, la chambre CCN n’est pas utilisable en l’état derrière le CVI.