L’analyse des travaux antérieurs sur la pollution atmosphérique de la zone de Dunkerque indique que l’approche sources – récepteurs a été la plus utilisée. Nous proposons une analyse plus complète de la qualité de l’air basée sur des mesures de concentrations en plusieurs polluants, par un réseau de surveillance installé sur la totalité de la zone, pendant une longue période. Couplée aux données météorologiques, cette étude apporte un complément indispensable à la recherche des régimes de pollution et à la mise en évidence de la variabilité spatio-temporelle des concentrations en polluants (Aldrin et Haff, 2005; Castanho et Artaxo, 2001; Flemming et al., 2005; Gong et al., 2005; Harrison et al., 1997). Les nombreux travaux publiés de part le monde, montrent que le niveau des connaissances sur la formation et le vieillissement des aérosols de pollution, par nucléation, coagulation et condensation, ne permet pas encore de décrire la complexité des phénomènes au niveau moléculaire et au niveau de la particule individuelle (Chabas et Lefevre, 2000; Choël et al., in press; Figler et al., 1996; Kasparian et al., 1998; Krueger et al., 2004; Machemer, 2004; Moreno et al., 2003; Okada et al., 2001; Paoletti et al., 1999; Rietmeijer et Janeczek, 1997; Umbria et al., 2004; Utsunomiya et al., 2004; Zou et Hooper, 1997).
La zone de Dunkerque est représentative de beaucoup d’autres zones portuaires dans le monde. Le premier objectif de l’étude est d’identifier les principaux régimes de pollution rencontrés dans la zone de Dunkerque. Le second objectif est de déterminer les concentrations des différents constituants des PM10, fraction inhalable de l’aérosol, en fonction de leur taille. Le troisième
objectif est d’acquérir des informations élémentaires et moléculaires au niveau de la particule individuelle, qui renseignent sur ses transformations dans une masse d’air d’origine marine et traversant une zone d’activités anthropiques.
Pour atteindre le premier objectif, nous avons utilisé les mesures de polluants effectuées par ATMO Nord Pas-de-Calais. La base de données est analysée par des méthodes statistiques mono et multivariées (cf. chapitre III). Les résultats mettent en évidence deux régimes de pollution prédominants, qui permettent de mieux cibler et de réduire les campagnes de prélèvements des PM10. Ainsi, le choix de deux sites d’échantillonnage apparaît suffisant pour décrire la
Figure 8 : Localisation des sites de GS et du Port et rose des vents annuelle à Dunkerque.
Rose des vents annuelle 0,5 - 2 2 – 4 4 – 6 6 – 8 ≥8 0,5 - 2 2 – 4 4 – 6 6 – 8 ≥8 m/s
Port
GS
Le site de Grande Synthe (GS) est installé dans un quartier résidentiel sur le toit d’une école primaire et en aval de la zone industrielle côtière sous les vents dominants en conditions anticycloniques (secteur NNE). La station ATMO de GS, de typologie urbaine (ADEME, 2002), se situe à 50 m de notre site d’échantillonnage. GS est également influencé par le trafic local et autoroutier. Le site du Port Est (Port), de typologie industrielle (ADEME, 2002), est représentatif de l’apport des activités anthropiques aux PM10 dans les conditions de dépression caractérisées
par des vents dominants de secteur SO. La distance de 2,5 km entre les deux sites, parcourue en 12 min par des masses se déplaçant à 3,5 m/s (12,6 km/h), est, à priori, peu propice à l’observation de transformations chimiques de longue durée mais est imposée de façon à réduire la dispersion des émissions de la zone d’activité.
La stratégie d’échantillonnage consiste en des prélèvements par filtration et par impaction des PM10 par incréments de 6 heures, 12 heures ou 5 jours menés simultanément sur les deux sites
d’échantillonnage (GS et Port). Les techniques de filtration classiques s’avèrent adaptées à l’échantillonnage des éléments métalliques et du carbone élémentaire (EC) mais sont responsables d’artéfacts liés à l’absorption de composés gazeux et la volatilisation d’espèces semi-volatiles telles que certaines espèces ioniques (sulfate, nitrate, ammonium, chlorure) et organiques (OC).
Ces artéfacts entraînent une surestimation ou une sous-estimation des concentrations réellement présentes dans les aérosols, et dépendantes des conditions de températures, d’humidité relative et de prélèvement (débit de pompage, type de filtre) (Chow et Watson, 1998; Claes et al., 1998; Keck et Wittmaack, 2005; Keck et Wittmaack, 2005; Keck et Wittmaack, 2006; Kitto et Colbeck, 1999; Pathak et Chan, 2005; Schaap, 2003; Schaap et al., 2004). Le prélèvement des espèces ioniques inorganiques semi-volatiles nécessite l’emploi de la technique du dénuder Filter Pack (Acker et al., 2004; Charron, 1999; Chen et al., 2003; Coddeville et al., 2004; Hering et al., 2001; Liu et al., 1996; McCurdy et al., 1999; Pathak et Chan, 2005; Pathak et al., 2004; Sauvage et al., 2000; Schaap et al., 2004) (cf. chapitre II).
L’utilisation simultanée de deux impacteurs (E)LPI (Low Pressure Impactor, Dekati Ldt.) (cf. chapitre II) sur les deux sites d’échantillonnage, permet de discriminer les PM10 selon leur
diamètre aérodynamique dans la gamme 0,1 à 10 µm et de comparer les apports spécifiques des activités urbaines et industrielles de l’agglomération de Dunkerque.
La pertinence des mesures quantitatives des éléments, des ions inorganiques et de la fraction carbonée (EC, OC) est tributaire de la qualité et des quantités de matière particulaire prélevées. Les techniques analytiques, ICP-AES pour les éléments majeurs, ICP-MS pour les éléments mineurs et traces (Azimi et al., 2003; Hoenig, 2001; Lamaison, 2006), chromatographie ionique pour les ions et analyseur thermo-optique pour EC et OC (Aymoz, 2005), sont détaillées dans le chapitre II.
Les prélèvements des particules individuelles par impaction relèvent de la même démarche et sont menés simultanément avec les prélèvements par filtration sur les deux sites d’échantillonnage. Toutefois, les temps de prélèvement sont relativement courts (30 min) pour une bonne dispersion des particules sur le support de collecte.
La microscopie électronique à balayage (MEB) permet de caractériser la morphologie des particules, avec une résolution adaptée à la taille des objets (Buffat, 1999; Grasserbauer, 1983; Jambers et al., 1999). La microscopie optique est, quant à elle, limitée en résolution spatiale en raison des phénomènes de diffraction optique mais est adaptée aux conditions in situ. L’analyse chimique des particules dans leur globalité ne permet pas de mettre en évidence l’hétérogénéité des particules. Le MEB couplé à une sonde de spectrométrie X en dispersion d’énergie (EDS) est appliqué avec succès à la microanalyse élémentaire des particules individuelles avec une résolution spatiale de l’ordre de 1 µm3.
Cette technique renseigne sur la composition moléculaire dans le cas où la particule est constituée d’une même espèce dans le volume analysé (mélange externe). En revanche, dans le cas de mélanges d’espèces (mélange interne), l’analyse élémentaire ne permet pas d’atteindre cette information moléculaire (Choël et al., in press; Ebert et al., 2000; Jambers et al., 1996; Ledoux et al., 2006; Van Borm et al., 1990; Van Malderen et al., 1996). La technique MEB-EDS est plus efficace si elle est associée à une recherche automatique des particules individuelles (Buffat, 1999; Choël, 2005; Choël et al., 2007; Choël et al., 2006; Choël et al., 2005). Celle du MEB-EDS dit environnemental (MEBE-EDS) permet de travailler à pression réduite de vapeur d’eau, et ainsi, de limiter la dégradation de certaines espèces (Szaloki et al., 2000; Szaloki et al., 2001). Le MEB-EDS automatisé et le MEBE-EDS appliqués dans le cadre de notre étude. L’utilisation de la microspectrométrie et de l’imagerie Raman permet d’obtenir une information moléculaire avec une résolution spatiale de l’ordre du µm3 dans des conditions in situ (Batonneau et al., 2004; Batonneau et al., 2000; Batonneau et al., 2001; Batonneau et al., 2006; Lee et Chan, 2007; Nelson et al., 2001; Potgieter-Vermaak et Van Grieken, 2006; Sobanska, 1999a; Sobanska et al., 2006; Sobanska et al., 2002; Sobanska et al., 1999b; Stefaniak et al., 2006). Son association avec la cartographie élémentaire par MEBE-EDS et les méthodes multivariées de traitement des spectres de type Multi Curve Resolution (MCR) apportent des informations uniques sur les mélanges internes des particules élémentaires.
L’utilisation de la spectrométrie de masse par la technique TOF-SIMS offre la possibilité d’explorer la surface des particules (≈ 3 nm d’épaisseur) avec une résolution latérale de l’ordre de 0,2 µm (Falgayrac, 2006). Toutes ces informations complémentaires obtenues ont l’ambition d’imaginer des scénarii de phénomènes de nucléation, de coagulation entre particules et de condensation d’espèces, qui sont susceptibles de se produire dans les masses d’air qui traversent la zone urbano-industrielle de Dunkerque.