Les mesures in-situ

Le premier grand type de mesure sont les mesures dites in-situ. Comme le nom l’indique, ce sont les mesures réalisées sur place, c’est à dire que le capteur ne va analyser que la masse d’air dans laquelle il se trouve directement au contact.

1.5.1.1 Les différents capteurs

Il existe différents types de capteurs pour mesurer la pollution atmosphérique, et no- tamment l’ozone :

— Analyseur par colorimétrie : c’est la méthode la plus simple et la moins coûteuse. L’échantillon d’air à analyser passe dans un tube contenant un réactif dont la couleur va changer en fonction de la concentration de l’espèce chimique à analyser. La lecture de la concentration se fait ensuite, grâce à une échelle colorimétrique, par comparaison de couleur entre l’échelle et le contenu du tube. Les problèmes majeurs de cette technique sont le manque de précision et le temps nécessaire (plusieurs minutes) pour réaliser une seule mesure.

— Sonde électrochimique : cette méthode porte également sur l’analyse d’un échantillon d’air passant dans un tube contenant un réactif. Cependant cette fois-ci la réaction chimique se déroulant entre l’espèce chimique à analyser et le réactif va entraîner la création d’un léger courant électrique, dont l’intensité va varier en fonction de la concentration de l’espèce à analyser. La mesure du courant électrique nous donne alors l’information de la concentration. La mesure peut se dérouler en continu tant que le tube contient du réactif, assurant ainsi un suivi temporel de l’évolution de la concentration. Les inconvénients de cette méthode sont le coût qui en fonction de la performance de l’appareillage et de sa durée de vie peut devenir important, la sensibilité à d’autres gaz qui va venir entacher la précision de la mesure, et la nécessité de remplacer le réactif périodiquement.

— Capteur à semi-conducteurs : ces capteurs utilisent une pièce de matériau semi- conducteur dont les caractéristiques électriques varient en fonction de la concentration

54 1.5. LA MESURE DE LA QUALITÉ DE L’AIR ET EN PARTICULIER DE L’OZONE

de l’espèce chimique à analyser dans l’air. Les capteurs actuels sont munis de couches protectrices sélectives qui diminuent leurs sensibilités aux autres gaz, et ont des temps de réponses rapides (quelques dizaines de secondes), permettant d’assurer ainsi des mesures précises dans le temps. Plusieurs technologies de capteurs à semi-conducteurs existent, jouant sur la solidité et la fiabilité des détecteurs, leurs précisions, et leurs consommation d’énergie et durée de vie.

— Analyseur par absorption spectrale : ces capteurs sont de loin les plus coûteux, mais ont l’avantage d’être extrêmement précis et rapides (mesure en moins d’une seconde). Pour se faire ils utilisent la loi de Beer-Lambert, l’intensité du rayonnement diminue exponentiellement en fonction de la distance parcourue et de la concentration des espèces absorbantes.

Au final, l’utilisation d’un capteur plutôt qu’un autre est un compromis à faire entre la qualité des mesures et leurs précisions, la vitesse d’acquisition de la mesure, et le coût de l’instrument et de la mise en opération.

Ces différents capteurs opèrent généralement au sol, dans ce qu’on appelle les stations sol (cf. section 1.5.1.2), pour mesurer les constituants chimiques pour la qualité de l’air dans la masse d’air directement en contact avec la population. Également, ces capteurs sont parfois embarqués à bord de ballons ou d’avions, pour réaliser des mesures dites aéroportées (cf. section 1.5.1.3), qui servent alors à étudier les propriétés de la masse d’air sur une étendue spatiale (verticale comme horizontale) beaucoup plus importante. Les mesures aéroportées veulent répondre directement au besoin de connaître la stratification des masses d’air et leurs évolutions, que la mesure trop locale des stations sols ne peut hélas donner. Cette connaissance de la stratification et de la dynamique des masses d’air est un pré-requis pour espérer améliorer sensiblement les modèles de qualité de l’air.

1.5.1.2 Les stations sols

En France, plus de 670 stations sol sont chargées de mesurer en continu, ou de manière périodique, les concentrations en polluants atmosphériques de l’air extérieur ambiant. La figure 1.8 représente la répartition de ces stations en Europe, et un zoom est fait autour de la région Midi-Pyrénées. On constate qu’un effort est fait pour implanter ces stations sol sur les zones les plus à risques comme les grandes métropoles et les zones industrielles. Cependant malgré le nombre important de stations en Europe, la couverture spatiale est loin d’être suffisante, et certaines régions entières d’Europe ne sont pas couvertes, princi- palement les agglomérations étendues, et les zones rurales.

1.5.1.3 Les mesures aéroportées (ballons, avions)

Les mesures aéroportées sont les mesures effectuées lorsque les capteurs sont embarqués sur des ballons ou des avions. Ces mesures, à l’instar des stations sol, permettent de fournir une information précise sur les masses d’air traversées. On peut ainsi obtenir une représen-

Figure 1.8 – Répartition des stations sol mesurant la qualité de l’air. (À gauche) En Eu- rope. (À droite) Zoom autour de la région Midi-Pyrénées. Les couleurs n’ont pas de significa- tions particulières. D’après http://www.eea.europa.eu/themes/air/air-quality/map/ real-time-map.

tation de la stratification d’une masse d’air ou de son étendue spatiale.

Dans le cas des mesures ballons, les capteurs embarqués sont généralement des capteurs électro-chimiques à courte durée de vie, car ils sont peu chers. En France, il n’y a que peu de sites proposant un lâcher de ballon régulier (hebdomadaire), dans le but de mesurer les paramètres thermodynamiques et les concentrations des espèces chimiques atmosphériques, comme par exemple à l’Observatoire de Haute Provence (OHP). Pour l’essentiel de ces lâ- chers de ballons, on utilise des ballons en composés élastiques du type latex, néoprène ou polyéthylène. Le ballon est gonflé avec de l’hélium de façon à avoir une vitesse ascension- nelle d’environ 5 m/s, il est ensuite fermé et lâché. Le ballon va avec l’altitude, la pression diminuant, se distendre, jusqu’à ce qu’il éclate aux alentours de 10 à 35 km d’altitude. Ces ballons permettent ainsi de réaliser un profil vertical atmosphérique en quelques dizaines de minutes. Il existe d’autres types de ballons pour des usages plus spécifiques, comme par exemple les ballons plafonnants dans la couche limite qui sont dotés d’une enveloppe rigide et évoluent à pression (donc altitude) constante, assurant ainsi le suivi de l’évolution d’une masse d’air pendant plusieurs semaines.

Dans le cas des mesures avions, ces dernières ont les avantages de pouvoir embarquer plus de matériel, généralement plus coûteux (du fait que les mesures peuvent être répétitives) et plus précis, et de pouvoir aller explorer les masses d’air à la convenance de l’opérateur. Cependant ce type de mesures est généralement rare, car elles sont essentiellement effec- tuées lors de campagnes scientifiques dédiées. Il est difficile d’obtenir des autorisations de vol, et elles coûtent très chers. On peut cependant noter que depuis 1993, le programme

56 1.5. LA MESURE DE LA QUALITÉ DE L’AIR ET EN PARTICULIER DE L’OZONE

MOZAIC (Measurement of OZone and water vapour by AIrbus in-service airCraft) mesure automatiquement l’ozone, la vapeur d’eau, le monoxyde de carbone, et les oxydes d’azote, à partir d’instruments à bord d’avions civils longs courriers. Cependant l’exploration de la masse d’air reste limitée au décollage, à l’atterrissage, et à l’altitude de croisière (entre 9 et 12 km) de l’avion.

Enfin, j’ai eu la chance durant mes travaux de thèse de participer à la campagne de me- sure TRAQA (TRAnsport à longue distance et Qualité de l’Air ; pré-campagne ChArMEx), qui avait pour objectifs de caractériser des événements d’exports de pollution au-dessus du bassin méditerranéen, lors de conditions de mistral. Pour cela, la campagne de mesure s’est déroulée dans la région de Fos-sur-mer, à proximité d’un site à hautes émissions pol- luantes, sur alerte météorologique (lors de conditions de mistral), durant les mois de Juin et Juillet 2012. Une station sol éphémère a été aménagée afin de réaliser, en continu du- rant la campagne, les mesures au sol des paramètres météorologiques ainsi que des valeurs d’ozone. L’équipe bénéficiait d’une dizaine de ballons sondes classiques équipés de capteurs météorologiques et de capteurs d’ozone (sondes électrochimiques), ainsi que de 5 ballons plafonnants dans la couche limite (cf. Fig. 1.9). En plus des mesures ballons, la campagne TRAQA a bénéficié en simultanée de mesures avions, réalisées par l’ATR-42, afin d’échan- tillonner la même masse d’air que celle suivie par les ballons plafonnants.

Figure1.9 – Photo prise lors de la campagne TRAQA réalisée en Juin et Juillet 2012, en fond on distingue un ballon plafonnant dans la couche limite s’apprêtant à être lancé.

la qualité de l’air, est évident. Cependant, l’information locale qu’elles fournissent, et la rareté des mesures aéroportées, ne permettent pas à elles seules de cerner l’évolution globale de la pollution atmosphérique. De plus il n’est pas convenable de penser pouvoir couvrir l’ensemble de l’Europe avec ce type de mesures sans devoir payer un coût prohibitif. Il faut donc se tourner vers un autre moyen de mesure si l’on veut pouvoir un jour suivre la pollution atmosphérique dans sa globalité.