COMPOSITION, PROPRIETES ET COMPORTEMENT DESAEROSOLS ATMOSPHERIQUES, DES BROUILLARDS, DESROSEES ET DES PLUIES EN REGION BRUXELLOISE

Université Libre de Bruxelles

Faculté des Sciences – Sciences de la Terre et de l’Environnement Laboratoire d’Océanographie chimique et géochimie des eaux

COMPOSITION, PROPRIETES ET COMPORTEMENT DES AEROSOLS ATMOSPHERIQUES, DES BROUILLARDS, DES

ROSEES ET DES PLUIES EN REGION BRUXELLOISE

Thèse présentée pour l’obtention du grade de Docteur en Sciences

Sophie FALLY

2001

Remerciements

Je tiens à remercier tout particulièrement mon directeur de thèse, le Professeur Roland Wollast, pour m’avoir ouverte toute grande la porte de “La recherche scientifique”, pour son infatigable enthousiasme scientifique, pour les discussions enrichissantes, les éclaircissements profitables et les conseils avisés, et enfin pour m’avoir soutenue jusqu’au bout afin de mener à bien ce travail.

Je remercie de tout coeur le Professeur Réginald Colin pour sa patience illimitée et ses encouragements multiples et pour la confiance qu’il m’a témoignée dès notre rencontre. Un grand merci également à mes collègues actuels du Laboratoire de Chimie Physique Moléculaire, et en particulier à Pierre-François Coheur, Ann Carine Vandaele, Cathy Clerbaux et Michel Carleer, pour leur bienveillance à mon égard.

Pour leur profonde sympathie et l’ambiance amicale qu’ils font régner au laboratoire, je tiens à remercier tous mes collègues du Laboratoire de Traitement des Eaux et Pollution. Merci plus particulièrement à Hugues Paucot, Lei Chou, Pierre Wollast, et Jean-Pierre Vanderborght pour les fructueuses discussions scientifiques et les idées lumineuses jaillissant de cerveaux en ébullition constante, à Didier Bajura pour avoir entièrement conçu et réalisé plusieurs appareils de collecte et pour avoir résolu avec le plus grand talent des problèmes techniques ardus, à Marie-Cécile Koob, Olivier Valet et Olivier Dufour pour leur précieuse aide au niveau des analyses des (trop!) nombreux échantillons, à Michèle Loijens pour sa bonne humeur et son “peps”, à Nicolas Canu pour sa disponibilité, à Edouard Ledent pour m’avoir aidée à affronter les analyses statistiques, à Geneviève Jamin pour avoir solutionné au quotidien les problèmes informatiques, aux mémorants Véronique Herzl, Kallid Mellas et Kalid El-Mansouri pour avoir apporté leur pierre à l’édifice.

Toute ma reconnaissance va à tous ceux que j’ai rencontrés dans le cadre des recherches effectuées ainsi qu’au cours de mon voyage d’étude au NCAR (National Center for Atmospheric Research), et qui ont contribué techniquement, scientifiquement ou humainement à l’élaboration de ce travail. Je pense particulièrement aux collaborateurs de l’ensemble du projet Walter Hecq, Dimitri Leduc, Robert Lannoye, Pascal Dumortier, ainsi qu’à Annick Meurrens, Yves Lenelle, Alain Herbosch, Roland Souchez, et également à Guy Brasseur et Jean-François Müller.

Je tiens à exprimer mon entière gratitude à l’ULB pour son aide financière à l’accomplissement de ce travail (bourse Mini-ARC).

Finalement, le plus gigantesque des mercis à Patrick qui a su m’insuffler le courage, l’énergie,

et la conviction (et les coups de pied au ...!) nécessaires pour concrétiser ce travail, qui a toujours été

une source de confiance, d’optimisme et d’espoir, et qui a fameusement mis la main à la pâte en temps

utile.

Résumé

La pollution atmosphérique en milieu urbain est un problème préoccupant car une fraction croissante de la population mondiale vit dans les villes. Les effets de la pollution se manifestent également sur la végétation urbaine et sur notre patrimoine architectural, de sorte que c’est la qualité de la vie de l’ensemble des habitants des métropoles de la planète qui est en jeu. Il est indispensable de connaître la composition des atmosphères urbaines et de comprendre les mécanismes qui régissent cette composition pour évaluer les conséquences de la pollution, définir les exigences de réduction des émissions et établir des scénarios des tendances futures.

L’objectif du présent travail est de déterminer la composition chimique, les propriétés et le comportement des particules et des dépôts humides en Région bruxelloise. On a distingué les aérosols atmosphériques, les brouillards, les rosées (ou givres) récoltés à la fois sur les végétaux et sur un collecteur inerte, les pluies et les dépôts totaux (formés des pluies et des dépôts secs accumulés dans l’entonnoir de collecte en l’absence de pluie). Ce vaste objectif a été réalisé grâce à la collecte de nombreux échantillons sur une échelle de temps suffisante en différents endroits de la capitale, et à l’analyse de ces échantillons par des techniques variées et complémentaires (techniques classiques d’analyse d’échantillons liquides telles que spectrométrie d’absorption et d’émission atomique, chromatographie liquide, colorimétrie, ainsi que microscopie électronique et fluorescence des rayons- X). Trois collecteurs (pour le brouillard, la pluie et la rosée) ont été entièrement conçus et réalisés au laboratoire dans le cadre de ce travail. Les éléments suivants sont analysés: NO , SO , NH , Na, Mg,

Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Pb.

Afin de comprendre les causes de la variabilité spatio-temporelle des concentrations, l’influence de paramètres tels que la saison, la direction du vent, et le lieu de prélèvement a été examinée. De plus, dans le cas des pluies et des brouillards, l’étude de l’évolution des concentrations au cours d’un même épisode a permis d’investiguer les processus physico-chimiques qui contrôlent le dépôt humide. Elle a permis d’acquérir une meilleure connaissance des mécanismes d’incorporation des aérosols dans la phase aqueuse et du phénomène de lessivage de l’atmosphère. Tout au long de ce travail, les interactions entre la phase particulaire (aérosols) et les phases liquides (brouillards, rosées, pluies) ont été examinées. Une relation entre les concentrations en éléments dissous et le volume d’eau de l’échantillon a été établie dans le cas des pluies, des rosées et des brouillards. Cette relation traduit un effet de dilution et démontre l’importance du mécanisme de condensation-évaporation des gouttes d’eau. L’importance du phénomène de nucléation des sulfates, nitrates et chlorures d’ammonium constitutifs de la fraction fine de l’aérosol soluble a été démontrée. Ces sels d’ammonium sont formés secondairement par des réactions de conversion gaz-particules. L’abondance des ions ammonium, et l’importance de leur action de neutralisation de l’acidité, constituent une particularité de l'atmosphère bruxelloise.

L'identification des sources de particules et d’éléments en relation avec leurs propriétés

chimiques et granulométriques a été réalisée en utilisant divers outils statistiques (corrélations entre

éléments, analyse factorielle) et géochimiques (rapports de concentration, facteurs d’enrichissement,

granulométrie). Les apports d’origine marine, continentale, biologique et anthropique (trafic,

incinération des déchets, processus de combustion) ont ainsi été clairement mis en évidence dans

l’aérosol et le brouillard bruxellois.

Errata

- paragraphe 1.2 page II.9 et Tableau II.13:

“Aérosols totaux”: comprendre “Aérosols non fractionnés”.

L’appellation Aérosols totaux est utilisée par la suite pour indiquer que les phases soluble et insolubles ont été analysées conjointement.

- page II.49: Corrections apportées au Tableau II.13: voir ci-joint.

- page III.4: Au lieu de “Une distribution bimodale et un schéma ... a récemment été proposé ...”

Lire “Une distribution bimodale et un schéma ... ont récemment été proposés ...”.

- page III.17:

Dans les trois légendes, supprimer “...différents (ou 2) auteurs. Extrait de”

Lire “...selon (ou d’après) Brasseur et al. (1999)”.

- page III.37: Corrections apportées au Tableau III.10: voir ci-joint.

- pages III.40, III.78, IV.23 et IV.74: Légende des tableaux III.13, III.26, IV.7 et IV.25:

Supprimer “et l’oxygène”.

- page III.45: Au lieu de “Tableau III.15”, lire “Tableau III.14”.

-page III.49: Supprimer le signe - devant 12, 312 et 88 dans le Tableau III.17.

- page III.92: Ajouter en haut de la page:

“Dans la Figure III.42, les contributions des différents cations aux sulfates et nitrates grossiers ont été calculées selon un schéma simplifié qui suppose que tous les ions H et NH sont associés à SO et

NO , et que Na et Mg sont d’abord présents sous forme de sels marins (NaCl et MgCl ). Cette figure

montre que:”

- page IV.33 Légende du Tableau IV.12:

Au lieu de “T = Métaux en traces (Al, Fe, Zn, Mn, Pb, Cu, Ni, Cd)”

Lire “T = Al, Fe et métaux en traces (Zn, Mn, Pb, Cu, Ni, Cd)”.

- pages IV.38 et IV.39 Figure IV.15:

Se référer à la version en couleurs ajoutée sous forme de page libre.

- page IV.51: Au lieu de “Tableau IV.2”, lire “Tableau IV.3”.

- page IV.139: Ajouter “anthropique” tout en bas de la page.

- Ajouter dans la Bibliographie:

Batterman S. A., Dzubay T. G., Baumgardner R. E. (1988) Development of crustal profiles for receptor modeling, Atmos. Environ., vol 22, pp1821-1828.

Bowen (1979) ibid. Van Borm et al., 1990b.

Howes (1983) ibid. Van Borm et al., 1990b.

Olmez I., Sheffield A. E., Gordon G. E., Houck J. E., Pritchett L. C., Cooper J. A., Dzubay T. G.,

Bennett R. L. (1988) Compositions of particles form selected sources in Philadelphia for

Type d'échant. Périodes de prélèvement (discontinues) Type d'analyse¶ Nb. échant.

prélevés

‘90 ‘91 ‘92 ‘93

12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5

Aérosols fractionnés SG, PD

16 #

Aérosols totaux AI, SG, XRF 57 + 21 §

Brouillards PD , PD , AI, SG, MTT

51

Givres-Rosées PD , PD , AI, SG

40

Dépôts totaux PD

400

Pluies PD

735

Tableau II.13: Synthèse des prélèvements et des analyses.

¶: SG= Spectres Globaux en microscopie électronique (Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Zn, Pb).

AI= Analyses Individuelles en microscopie électronique.

XRF= Fluorescence des Rayons-X (Na, Mg, Al, Si, P, S, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Pb).

PD = Phase Dissoute-éléments majeurs (NO , Cl , SO , NH , Na , K , Ca , Mg ).

PD = Phase Dissoute-Al, Fe, et métaux traces (Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb).

MTT = Métaux Traces Totaux (= soluble + insoluble)

#: 16 séries comportant chacune 9 fractions granulométriques.

§: = 21 filtres donnés par l'Institut d'Hygiène et d'Epidémiologie (IHE).

Essais de prélèvements (prototype).

Auteur Site Date Type éch. Nb SO

Cl NO

NH

Na K Ca Mg

Harrison & Pio, 1983 Lancaster, NW 79-81 Filtres 65 Moy 183 119 85 240 80 6 27 18

GB s 165 69 81 229 56 4 33 14

Harrison & Allen, 1990 Colchester, East 08-11/86 Filter pack 9 Moy 72 30 44 138

GB s 50 14 37 99

02-04/87 Filter pack 16 Moy 223 86 159 327

s 139 21 75 189

Munger et al., 1990 Calif., 11/85- Filter pack 24 Moy 330 21 575 851 44 49 14

bassin LA 03/86 Min 7 4 114 150 5 20 5

Max 810 69 2033 1859 159 187 56

Sharma et al., 1990 Bombay 88-89 Filtres Moy 35 41 18 44 45 13 42 63

Pio et al., 1992 W Portugal 09/89- Impacteur 13 Moy 187 212 38 17 351 14 100 65

(Suburbain) 03/90

Tsitouridou et Samara, Thessaloniki, 03/89- Filtres 48 Moy 203 66 32 287 50 28 59 6

1993 Grèce 12/90 s 140 55 28 219 33 26 39 4

Ce travail Bruxelles 07/91- Impacteur: 16 Moy 94 51 89 168 47 5 26 11

05/92 0.4-10 µm s 66 28 54 109 29 3 16 18

Dzubay et al., 1982 Houston, Texas 09/80 Filtres :

9 Moy 350 4 240 13

< 2.5 µm s 29 4 22 10

> 2.5 µm 9 Moy 23 29 <11 12

s 4 4 11 10

Willison et al., 1989 Leeds, central 08-09/ Impacteur:

North GB 83 < 2.5 µm 31 Moy 154 6 24 149 9 16 2 2

2.5-15 µm 31 Moy 20 29 19 12 27 2 18 11

Ludwig & Klemm, 1990 Bayreuth, 01/87 Impacteur :

N-E Bavière < 1.35 µm 10 Moy 1166 23 77 938 74 30 62 21

2

> 1.35 µm 10 Moy 57 10 17 18 8 2 33 8

Ce travail Bruxelles 07/91- Impacteur: 16 Moy 72 23 64 150 14 4 4 2

05/92 < 2.1 µm s 45 14 46 103 9 2 3 1

> 2.1 µm 16 Moy 31 29 26 17 32 2 22 8

s 27 20 18 14 25 1 16 7

Tableau III.10: Teneurs en éléments dissous dans les aérosols urbains (néq/m ) selon différents auteurs.

1. Echantillonneur dichotomique. 2. Somme des concentrations moyennes de plusieurs étages.

TABLE DES MATIERES CHAPITRE I. INTRODUCTION GENERALE

1. POSITION DU PROBLÈME . . . I.1 2. L’ÉCOSYSTÈME URBAIN ET SON MICROCLIMAT . . . I.2 3. INTÉRÊT, STRATÉGIE ET BUTS . . . I.7 CHAPITRE II. MATERIEL ET METHODES

1. TECHNIQUES DE PRÉLÈVEMENT . . . II.1 1.1 Prélèvement des aérosols fractionnés . . . II.1

1.1.1 Principe de l'impaction inertielle 1.1.2 L'impacteur en cascade

1.1.3 Le diamètre de coupure 1.1.4 Les pertes de particules 1.1.5 Les prélèvements

1.2 Prélèvement des aérosols totaux . . . II.9 1.1.1 L'appareillage

1.1.2 Les prélèvements

1.3 Préparation des échantillons d'aérosols . . . II.14 1.3.1 Pour la fluorescence des rayons-X

1.3.2 Pour la microscopie électronique 1.3.3 Pour l'analyse des éléments dissous

1.4 Prélèvement des brouillards . . . II.14 1.4.1 Le collecteur

1.4.2 Les prélèvements

1.4.3 Préparation des échantillons

1.5 Prélèvement des rosées et des givres . . . II.22 1.5.1 Introduction

1.5.2 Le collecteur 1.5.3 Les prélèvements

1.6 Prélèvement des pluies et des dépôts totaux. . . II.25 1.6.1 Le collecteur séquentiel

1.6.2 La mesure instantanée du pH

1.6.3 Performances et autocritique du collecteur 1.6.4 Les prélèvements

2. TECHNIQUES D'ANALYSE . . . II.35 2.1 Analyse des éléments dissous . . . II.35

2.1.1 La chromatographie liquide 2.1.2 La colorimétrie

2.1.3 La spectrométrie d'absorption et d’émission atomique

2.2 Analyse des particules atmosphériques. . . II.39 2.2.1 Introduction

2.2.2 La microscopie électronique

4. ANALYSES STATISTIQUES. . . II.50 4.1 Introduction . . . II.50 4.2 Détection des données aberrantes (outliers) . . . II.50

4.2.1 Principe

4.2.2 Définitions des différents paramètres et choix des limites 4.2.3 Résultats du test

4.3 Analyse factorielle . . . II.52 4.3.1 Principe

4.3.2 Le modèle 4.3.3 Les étapes

4.3.4 Les logiciels utilisés

CHAPITRE III. L’AEROSOL ATMOSPHERIQUE

1. INTRODUCTION... . . III.1 2. L’ETAT DE L’ART . . . III.1 2.1 Définition et classement de l’aérosol atmosphérique . . . III.1 2.2 Formation de l’aérosol atmosphérique.. . . III.4 2.3 La pollution atmosphérique . . . III.7

2.3.1 Les sources globales

a) Les sources particulaires naturelles b) Les sources gazeuses naturelles c) Les sources particulaires anthropiques d) Les sources gazeuses anthropiques 2.3.2 Les émissions globales

a) Les émissions globales particulaires b) Les émissions globales gazeuses 2.3.3 Les concentrations globales et régionales

2.3.4 La pollution atmosphérique en Région bruxelloise a) Caractéristiques générales de la ville de Bruxelles b) Les émissions gazeuses en Région bruxelloise c) Les concentrations gazeuses en Région bruxelloise d) Les sources d’éléments en milieu urbain

2.4 Transformations physiques, élimination et temps de résidence. . III.27

3. L’AEROSOL SOLUBLE BRUXELLOIS . . . III.31

3.1 Introduction.. . . III.31

3.2 Bilan ionique des espèces dissoutes. . . III.31

3.3 Composition moyenne .. . . III.33

3.4 Comparaison avec la littérature. . . III.36

4. L’AÉROSOL TOTAL BRUXELLOIS.. . . III.38

4.1 Introduction.. . . III.38

4.2 Composition moyenne élémentaire. . . III.38

4.3 Composition moyenne particulaire.. . . III.42 4.3.1 Distribution granulométrique des particules

4.3.2 Inventaire des particules

4.3.3 Abondances relatives des particules 4.3.4 Spécificité des sulfates

4.4 Comparaison avec la littérature . . . III.46 5. IMPORTANCE DES PHASES SOLUBLE ET INSOLUBLE. . . III.48 6. VARIATIONS SPATIO-TEMPORELLES DES COMPOSITIONS. . . . III.50 6.1 Généralités . . . III.50 6.2 Influence de la saison.. . . III.54 6.3 Influence de la pluviosité.. . . III.55 6.4 Influence de la direction du vent . . . III.57 6.5 Influence du lieu de prélèvement.. . . III.58

6.5.1 Trois sites urbains 6.5.2 L’aérosol “Indoor”

6.6 Influence de la hauteur de prélèvement. . . III.63 6.7 Conclusions.. . . III.63 7. IDENTIFICATION DES SOURCES DE PARTICULES

ET D’ÉLÉMENTS . . . III.65 7.1 Introduction.. . . III.65 7.2 Granulométrie des particules et facteurs d’enrichissement. . . III.65

7.2.1 Définition et signification du facteur d'enrichissement 7.2.2 Choix de l'élément de référence

7.2.3 Choix du matériau de référence 7.2.4 Présentation des résultats

a) Granulométrie et diamètre moyen pondéré b) Facteurs d’enrichissement

c) Relation enrichissement par rapport au sol - granulométrie 7.2.5 Comparaison avec les données de la littérature

7.3 Les composantes marine et terrigène.. . . III.77 7.3.1 L’aérosol marin

7.3.2 L’apport marin

7.3.3 Les chlorures du mode fin 7.3.4 L’apport terrigène

7.3.5 Contribution des sources marine et terrigène

7.4 Les sels d’ammonium et le processus de neutralisation des acides. III.88

7.5 Les sulfates et les nitrates grossiers. . . III.91

7.6 L’analyse factorielle. . . III.92

7.7 Synthèse par élément.. . . III.95

8. CONCLUSIONS . . . III.98

CHAPITRE IV. LA PHASE AQUEUSE: BROUILLARDS, ROSEES, PLUIES

1. INTRODUCTION.. . . IV.1 2. L’ETAT DE L’ART.. . . IV.1 2.1 Les noyaux de condensation et la formation des gouttes liquides.. IV.1 2.2 Le brouillard.. . . IV.2 2.3 La rosée et le givre.. . . IV.3 2.4 Les pluies. . . IV.4 2.5 Processus physico-chimiques et propriétés des gouttes.. . . IV.4 2.6 Les dépôts acides humides. . . IV.6 3. LES BROUILLARDS . . . IV.9 3.1 Introduction. . . IV.9 3.2 Validité des résultats.. . . IV.9 3.3 Composition moyenne et comparaison avec la littérature.. . . IV.9

3.3.1 Généralités 3.3.2 Les ions majeurs 3.3.3 L’acidité

3.3.4 Les espèces métalliques

3.3.5 Le CEL ou Contenu en Eau Liquide

3.3.6 Comparaison avec les données de la littérature

3.4 La fraction insoluble: composition et corrélation entre éléments. IV.21 3.5 Variabilité spatio-temporelle des concentrations.. . . IV.26

3.5.1 Influence de paramètres météorologiques a) La direction du vent

b) La saison

3.5.2 Influence du lieu de prélèvement 3.5.3 Etude de cas

a) Le cas des échantillons BCA91- 89D et 91D b) Le cas de l’échantillon BWH92-25

c) Le cas de l’échantillon BWP92-67 3.5.4 Variabilité intra-épisode

3.6 Identification des sources d’éléments. . . IV.43 3.6.1 Elimination des observations atypiques

3.6.2 Les sels d’ammonium

3.6.3 L’influence marine et l’absorption d’HCl a) Influence marine

b) Absorption d’HCl 3.6.4 Les métaux

3.6.5 L’analyse factorielle: étude des variables 3.6.6 Synthèse

3.7 Synthèse et conclusions.. . . IV.60

4. LES ROSEES ET LES GIVRES.. . . IV.64

4.1 Introduction.. . . IV.64

4.2 Validité des résultats. . . IV.64

4.3 Composition moyenne et comparaison avec la littérature. . . IV.67 4.3.1 Les ions majeurs

4.3.2 L’acidité 4.3.3 Les métaux

4.3.4 La fraction insoluble

4.3.5 Comparaison avec les données de la littérature

4.4 Etude des sources d’éléments . . . IV.78 4.4.1 Les sels d’ammonium dans les rosées récoltées sur surface artificielle 4.4.2 L’influence marine dans les rosées récoltées sur surface artificielle 4.4.3 Les chlorures d’origine anthropique

4.4.4 Etude d’un cas: Prélèvements pendant un épisode de brouillard 4.4.5 L’influence des végétaux sur la composition des rosées et givres

4.5 Dépôts et flux.. . . IV.89 4.6. Synthèse et conclusions. . . IV.93 5. LES DEPOTS TOTAUX ET LES PLUIES.. . . IV.96 5.1 Introduction. . . IV.96 5.2 Validité des résultats et préambule statistique . . . IV.96

5.2.1 Bilans ioniques

5.2.2 Distribution de fréquence et moyennes géométriques 5.3 Composition moyenne et comparaison avec les données

de la littérature. . . IV.106 5.3.1 Généralités

5.3.2 Les ions majeurs 5.3.3 L’acidité

5.3.4 La pluviosité

5.3.5 Comparaison avec les données de la littérature

5.4 Variabilité temporelle des concentrations.. . . IV.123 5.4.1 Introduction

5.4.2 Influence des temps d’arrêt

5.4.3 Comportement des éléments au cours du temps 5.4.4 Lessivage dans et sous le nuage

5.4.5 Conclusions

5.5 Influence de l’aérosol . . . IV.148 5.6 Synthèse et conclusions.. . . IV.149 CHAPITRE V. SYNTHESE ET CONCLUSIONS GENERALES

1. LES BUTS. . . V.1

2. LES PRELEVEMENTS ET LES ANALYSES. . . V.1

3. SYNTHESE DES PRINCIPAUX RESULTATS. . . V.3

3.1 Les aérosols.. . . V.3

3.2 Les brouillards. . . V.4

3.3 Les sources des éléments . . . V.4

3.4 Les rosées.. . . V.6

BIBLIOGRAPHIE

ANNEXE I: RESULTATS BRUTS: voir CD-rom

Tableau AI.1: Impacteur en cascade: Concentrations en éléments dissous (néq./m ), pH et

conductivité (µS/cm) dans la fraction grossière.

Tableau AI.2: Impacteur en cascade: Concentrations en éléments dissous (néq./m ), pH et

conductivité (µS/cm) dans la fraction fine.

Tableau AI.3: Aérosols totaux: Résultats des spectres globaux effectués par microscopie électronique (en % en poids d’oxyde).

Tableau AI.4: Aérosols totaux: Résultats des analyses individuelles (en % en nombre) et des comptages de particules (en particules/cm ) effectués par microscopie

électronique.

Tableau AI.5: Aérosols totaux fractionnés: Résultats des spectres globaux effectués par microscopie électronique (en % en poids d’oxyde).

Tableau AI.6: Brouillards: Concentrations en éléments dissous (méq./l), pH, conductivité (µS/cm) et CEL (Contenu en Eau Liquide, en g/m ).

Tableau AI.7: Brouillards: Concentrations en métaux (µmol/l).

Partie supérieure: Analyse de la phase dissoute,

Partie inférieure: Analyse totale (dissous + particulaire).

Tableau AI.8: Brouillards: Résultats des analyses individuelles (en % en nombre) et des comptages de particules (en particules/ml de brouillard) effectuées par microscopie électronique.

Tableau AI.9: Brouillards: Résultats des spectres globaux (en % en poids d’oxyde) effectués par microscopie électronique.

Tableau AI.10:Rosées et givres: Concentrations en éléments dissous (méq./l), bilans ioniques, pH, et conductivité (µS/cm).

Tableau AI.11:Rosées et givres: Concentrations en métaux dissous (µmol/l).

Tableau AI.12:Rosées et givres: Résultats des spectres globaux (en % en poids d’oxyde) effectués par microscopie électronique.

Tableau AI.13:Dépôt total (µéq./m ) via les rosées pour chaque espèce chimique analysée.

Tableau AI.14:Flux d’éléments (µéq./m .h) via les rosées.

Tableau AI.15:Dépôts totaux: Ensemble des paramètres étudiés, par épisode.

Tableau AI.16:Pluies: Ensemble des paramètres étudiés, par épisode.

ANNEXE II: INVENTAIRE DES PARTICULES Pour les Figures: voir CD-rom (visionneuse Power-Point)

1. SULFATES

1.1 Sulfate de calcium 1.2 Sulfate d'ammonium 1.3 Sulfate de sodium 1.4 Sulfate de potassium 1.5 Sulfates mixtes

1.6 Particule carbonée soufrée

2. SILICATES

2.1 Silicates

2.2 Alumino-silicates

2.3 Sphères alumino-silicatées

3. COMPOSÉS MÉTALLIQUES

4. AUTRES PARTICULES

4.1 Chlorure de sodium 4.2 Composés phosphorés 4.3 Carbonate de calcium 4.4 Composés carbonés

L’entièreté de ce travail se trouve sur le CD-rom (format PDF)

CHAPITRE I. INTRODUCTION GENERALE

CHAPITRE I: INTRODUCTION GENERALE

1. POSITION DU PROBLEME

L'être humain modifie profondément l'environnement qui l'entoure. Les activités industrielles, la production et la consommation d'énergie, l'agriculture et l'élevage intensifs entraînent des perturbations importantes de la plupart des cycles biogéochimiques. Ainsi, l'atmosphère, qui représente un maillon essentiel de ces cycles (transport, transformation, dépôt des espèces chimiques), subit l'injection de quantités énormes de gaz et de poussières d'origine anthropique. A l'échelle globale, nous savons actuellement que l'augmentation régulière de la teneur en CO (- 0.4 % par an) est une

conséquence directe de la consommation d'énergie fossile et en partie de la déforestation en région tropicale (Schlesinger, 1991). Un autre exemple bien connu est celui de la diminution de l'ozone stratosphérique et de l'existence d'un "trou d'ozone" au-dessus de l'Antarctique, causés par l'utilisation des chlorofluorocarbones (CFC) et autres composés halogénés (Warneck, 1988). D'après les mesures effectuées dans des carottes de glace (Charlson et al., 1992a), les concentrations en dioxyde de carbone, en méthane et en sulfates dans l'atmosphère ont augmenté respectivement de 50%, de plus de 65% et de 230% par rapport à l'ère pré-industrielle.

Le problème de la pollution atmosphérique dans les villes est particulier puisqu'il s'agit d'un phénomène à une beaucoup plus petite échelle spatiale. Il est cependant préoccupant en raison de la dégradation de la qualité de l'air observée dans de nombreuses mégalopoles mondiales et du nombre important de personnes qui y vivent et qui par conséquent subissent cette pollution. Le regroupement, dans un espace restreint, des émissions anthropiques provenant de l'utilisation de combustibles fossiles, du trafic routier et des activités industrielles, couplé à des conditions météorologiques, géographiques et topographiques particulières (ensoleillement, pluviosité, inversion de température, vallée) sont la cause de niveaux de pollution en permanence élevés ou d'épisodes très aigus de courte durée. Mexico, Athènes, Londres, Los Angeles, Santiago du Chili, et plus récemment, certaines villes d'Europe de l'Est sont tristement célèbres à ce sujet (Woodin, 1989; Rojas et al. , 1990; Commission of the European Communities, 1991; Commission of the European Communities, 1992).

L'impact direct de cette pollution urbaine sur l'homme, sur les végétaux et sur notre patrimoine architectural ne fait plus aucun doute et les exemples sont nombreux. Citons les dommages aux monuments historiques célèbres à Venise, Athènes, Jerusalem ainsi qu'à de nombreuses églises et cathédrales en Angleterre, en France et en Belgique (Leysen et al. , 1987a; Lipfert, 1989; Peleg et al. , 1989; Smirnioudi & Siskos, 1992), la dégradation des matériaux constitutifs de bâtiments et statues tels que ciment, bronze, zinc (Graedel & Mc Gill, 1986), les lésions aux végétaux dues à l'ozone (Velissariou et al., 1992), les irritations pulmonaires et autres pathologies respiratoires observées chez l'homme lors d'expositions à des aérosols acides (Lioy & Waldman, 1989; Lippmann 1989; Lipfert et al., 1989; Spengler et al., 1990). Même si les niveaux critiques observés dans certains sites urbains ne sont pas atteints à Bruxelles, certains effets sont néanmoins perceptibles, tels que la dégradation des monuments historiques, comme en témoignent le noircissement important des façades et les incessants travaux de restauration mis en place.

L'étude approfondie de l'atmosphère bruxelloise et des différentes retombées atmosphériques

(solides et liquides) constitue évidement un étape indispensable à l'évaluation des conséquences de la

pour appréhender les mécanismes réactionnels, déterminer les sources de pollution, définir les priorités en matière de réduction des émissions,...

Un aspect peu étudié jusqu'il y a peu, dont l'impact sur l'environnement peut être important, est le brouillard. Ainsi, les accidents tragiques accompagnés de décès et de troubles respiratoires graves, survenu dans la vallée de la Meuse en 1930, à Donora (Pennsylvanie) en 1948, à Paris en 1951 et 1959, et à Londres en 1952, 1956, 1957 et 1962 se sont produits lors d'épisodes d'épais brouillards.

Dans tous les cas, la présence d'acide sulfurique provenant de la solubilisation du SO gazeux a été

fortement suspectée (Détrie, 1969; Lipfert, 1988). Beaucoup plus récemment, et grâce aux progrès technologiques, la faculté des brouillards à accumuler les polluants a été mise en évidence (Sigg et al., 1987) et des concentrations en sulfates et nitrates très élevées ainsi que des pH très acides ont été mesurés en Californie, en Suisse et en Italie (Waldman et al. , 1982; Munger et al. , 1983; Fuzzi et al. , 1983; Jacob et al., 1985b; Johnson et al., 1987). De telles concentrations peuvent être très dommageables, tant à l'être humain, qu'aux végétaux et aux matériaux de construction, comme l'ont montré par exemple Hileman (1983), Hoffmann (1984), et Jacobson et al. (1990) .

Outre les effets environnementaux locaux des aérosols et brouillards, leur étude présente d'autres intérêts majeurs. Leur influence s'exerce sur le climat (Fouquart & Isaka, 1992), sur le cycle hydrologique ainsi que sur les cycles biogéochimiques des éléments. La présence de particules favorise la croissance des nuages et conditionne la formation des précipitations, affectant ainsi leur quantité et leur distribution. Suite à leur incorporation dans la phase aqueuse, ces particules influencent également la composition des précipitations (Koutrakis, 1984). En plus de leur rôle sur le cycle des nuages, les aérosols et les brouillards agissent sur la diffusion et l'absorption du rayonnement solaire, créant ainsi une diminution de la visibilité (Dzubay et al., 1982). La balance radiative de la terre pourrait s'en trouver modifiée. Pour terminer, le transport atmosphérique des particules sur de longues distances peut occasionner un apport important de métaux lourds, de fer, de composés soufrés et azotés au milieu marin et en des endroits très éloignés de toute source de pollution (Chester, 1990; Galloway, 1990;

Chester & Bradshaw, 1991; Van Malderen et al., 1992; Zhuang et al., 1992).

2. L'ECOSYSTEME URBAIN ET SON MICROCLIMAT

L'écosystème urbain, de par sa dominance de l'être humain, possède des caractéristiques particulières qui le différencie des autres écosystèmes terrestres: remplacement -en grande partie- de l'énergie solaire et de l'eau par des importations d'énergie (électrique ou provenant de la combustion des combustibles fossiles) et d'eau de distribution, importation quasi totale des aliments pour l'homme et les animaux, production et exportation importante de déchets de tous types, dominance des substrats imperméables à l'eau (Duvigneaud & De Smet-Denayer, 1977).

Une autre caractéristique fondamentale, qui nous intéresse plus particulièrement car elle

conditionne la composition de l'atmosphère urbaine, est la présence d'un microclimat typique caractérisé

principalement par un dôme thermique dont le sommet correspond au centre-ville (différence entre le

centre et la périphérie de 1-2°C le jour et jusque 5-8°C la nuit). L'existence de ce dôme thermique

s'explique par l'importance des dégagements de chaleur dûs au chauffage, à l'activité industrielle et à

la circulation automobile et par la nature et l'orientation des surfaces (pans de murs, toits, rues). Les

matériaux tels que le béton, la brique, l'asphalte ont en effet une meilleure conductivité thermique que

le sol permettant ainsi l'accumulation de plus d'énergie solaire en moins de temps. D'autre part,

l'imperméabilité des surfaces provoque le ruissellement des précipitations, rendant ainsi disponible une

quantité de chaleur qui aurait normalement été utilisée pour évaporer cette eau (Duvigneaud, 1980).

La colonne d'air chaud qui s'élève au-dessus de la ville est fortement enrichie en polluants divers, de sorte qu'un dôme de poussières ("dust dome") dû aux particules qui restent en suspension est associé à cet îlot thermique. Le dôme de poussières diminue l'insolation, réduit la visibilité et fournit les noyaux de condensation servant à la formation du brouillard et du smog. Les différences climatiques entre la ville et le milieu rural avoisinant, qui se marquent au niveau thermique, mais également aux niveaux hydrique (modification du cycle de l'eau) et dynamique (modification du régime des vents) (Augustin, 1978) aboutissent ainsi à la situation suivante dans les villes (White et al, 1984):

‚ calme atmosphérique et brouillard plus fréquents

‚ précipitations plus abondantes

‚ humidité relative inférieure

‚ température minimale et moyenne (moyennes mensuelles) plus élevées

‚ amplitude des variations saisonnières de température plus faible (les moyennes mensuelles des températures maximales sont plus élevées en hiver et plus faibles en été car le dôme de poussières freine l'énergie émise mais également réfléchit et diminue la pénétration de l'énergie solaire)

‚ nombre de jours sans gelées plus grand (Denayer et al., 1978; Duvigneaud, 1980).

Les interactions microclimat-pollution-brouillard dépendent de la stabilité atmosphérique et de l’existence d’une couche d'inversion de température. Par suite du dégagement de chaleur lors de l’expansion adiabatique de l’air, la température de l’air au sein de la troposphère décroît avec l'altitude.

Dans une parcelle d'air sec, le taux de refroidissement (ou gradient adiabatique sec) vaut ~10°C/km.

Dans l'atmosphère, les conditions de répartition des températures sont rarement celles de l'adiabatisme, à cause du rayonnement du sol et des vents. La décroissance de température avec l'altitude pour une masse d'air donnée peut être inférieure ou supérieure au gradient adiabatique sec, ce qui nous amène à définir 3 types de stabilité: indifférence, stabilité, instabilité (Figure I.1). Ainsi, lorsque la décroissance de température est supérieure au gradient adiabatique sec (sur-adiabatisme), l'atmosphère est instable, c'est-à-dire que toute parcelle d'air amorçant un mouvement ascendant se refroidit adiabatiquement et restera plus chaude, donc moins dense, que l'atmosphère environnante; elle aura donc tendance à poursuivre son mouvement dans la même direction. Le raisonnement est évidemment le même pour une parcelle d'air qui entame un mouvement descendant. Inversement, un gradient vertical de température inférieur au gradient adiabatique sec (sous-adiabatisme) mène à une atmosphère stable et une parcelle d'air qui se déplace vers le haut (ou vers le bas) reviendra à son point initial puisqu'elle se refroidit (ou se réchauffe) plus vite que son environnement. Enfin, l'atmosphère est indifférente lorsque les conditions d'adiabatisme sont réalisées (Détrie, 1969; Seinfeld, 1986). On conçoit ainsi aisément que les conditions de stabilité sont nettement plus défavorables à la diffusion des polluants.

La stabilité d'une couche atmosphérique peut être renforcée par l'existence d'une inversion de

température (Figure I.1). Ce phénomène se produit en situation anticyclonique hivernale, par nuit claire

et vent faible. Après le coucher du soleil, le sol se refroidit rapidement et aboutit au refroidissement de

la couche d'air en contact avec lui (le flux radiatif de cette couche d'air devient négatif puisque celle-ci

rayonne beaucoup plus de chaleur qu'elle n'en reçoit du sol). Cette couche d'air devient alors plus

froide que la couche d'air se trouvant juste au-dessus et elles ne se mélangent pas car la conduction et

la convection sont négligeables (Boreux, 1993). On obtient donc un profil de température qui va en

augmentant avec l'altitude, à partir du sol. Dès le lever du soleil, le sol s'échauffe plus rapidement que

l'air, provoquant un brassage convectif qui va égaliser les températures et briser l'inversion.

Figure I.1: Profils verticaux de température d'une atmosphère instable (A), stable (B) et très stable (C).

La Figure I.2 nous montre comment la stabilité de l'atmosphère influence la diffusion des

polluants. Dans le cas d'une atmosphère indifférente, le panache de fumée à la sortie de la cheminée

est conique; la concentration en polluants est la même dans toutes les directions et décroît régulièrement

quand on s'éloigne de l'axe du cône (Figure I.2.a). Dans le cas d'une atmosphère instable, le panache

est tourmenté et les polluants ont une tendance ascensionnelle marquée. Si le gradient est fortement

suradiabatique, il se produit un phénomène de looping (Figure I.2.b). Dans ces 2 cas (indifférence et

instabilité), la dispersion des polluants est bonne. Par contre, une atmosphère stable empêche ou

ralentit la diffusion verticale des polluants; le panache est alors étroit et allongé horizontalement dans la

direction du vent (Figure I.2.c). Dans le cas d'une inversion de température, lorsque celle-ci débute au

sol et dépasse le niveau des rejets, les polluants sont piégés dans la couche d'inversion (Figure I.2.d)

tandis que quand l'inversion est présente en altitude (quelques centaines de mètres) et que la couche

inférieure est instable, il se produit un phénomène d'enfumage (Figure I.2.e). Dans les deux cas

d’inversion, la pollution à proximité du sol est élevée. En résumé, l'émission de polluants dans de l'air

stable favorise l'accumulation des polluants et peut mener à des épisodes de pollution intenses, surtout

lorsque la stabilité est renforcée par une inversion thermique. C'est en hiver que la situation peut devenir

la plus critique. L'inversion peut en effet durer plusieurs jours car le refroidissement nocturne est très

intense et l'insolation insuffisante (Boreux, 1989-1990). Or, c'est également en période hivernale que

les émissions de polluants dues au chauffage sont maximales.

a.

b.

c.

d.

e.

Figure I.2: Allure des panaches de cheminées en fonction de la stratification verticale de la

température (ligne continue). En pointillé: gradient adiabatique sec. Extraite de Détrie,

Un autre facteur aggravant est la présence de brouillard, qui induit un effet identique: diminution de l'insolation et prolongement de l'inversion. Or, la formation du brouillard est favorisée d'une part par la présence d'un dôme de pollution (en fournissant des noyaux de condensation) et d'autre part par l'existence d'une inversion thermique, elle aussi plus fréquente en hiver (la couche d'air proche du sol se refroidit suffisamment pour atteindre une température inférieure au point de rosée et permettre la condensation).

Il existe donc plusieurs mécanismes de rétroaction tels que inversion-brouillard-inversion et pollution-brouillard-pollution. Cette situation complexe peut être schématisée comme suit:

Ø La présence d'un dôme de pollution prolonge l'inversion.

Ù L'inversion augmente la stabilité de l'air et favorise l'accumulation des polluants.

Ú L'inversion provoque la formation du brouillard.

Û Le brouillard prolonge l'inversion.

Ü La présence de polluants favorise la formation du brouillard.

Ý Le brouillard accumule les polluants. Les brouillards sont chimiquement très réactifs et les mécanismes d'incorporation des polluants gazeux et particulaires sont très efficaces (Stumm et al., 1987; Millet et al., 1993 ).

De telles situations de calme prolongé avec inversion de température et vent faible se

rencontrent fréquemment en milieu urbain, en particulier dans des villes comme Londres, Los Angeles,

Mexico city (Charlson, 1992).

3. INTERET, STRATEGIE ET BUT

Le présent travail est le résultat de quatre années de recherche dans le cadre d'un projet de collaboration interfacultaire entre quatre équipes, intitulé "Aérosols et brouillards acides". Notre tâche consistait à caractériser la composition chimique et les propriétés des aérosols et brouillards acides.

Les travaux des trois autres équipes ont permis de couvrir les aspects suivants:

< Evaluation des impacts des aérosols et brouillards acides sur le système respiratoire humain selon une triple approche: épidémiologique, clinique (exposition contrôlée), in vitro (cultures de cellules), effectuée par le service de Pneumologie de l'Hôpital Erasme.

< Etude des effets et du mode d'action des polluants sur les végétaux et établissement d'une méthode de diagnostic précoce, réalisés par le laboratoire de Physiologie végétale.

< Estimation des coûts dûs à la dégradation des bâtiments et détermination de la responsabilité des secteurs économiques, exécutées par le Centre d'Etudes Economiques et Sociales de l'Environnement (CEESE).

Il nous est rapidement apparu que l'échantillonnage des aérosols et des brouillards seuls serait insuffisant pour couvrir la problématique envisagée et qu'il était indispensable de prendre en compte d'autres hydrométéores tels que la pluie, le givre et la rosée. En effet, ces phénomènes contrôlent la composition de l'atmosphère en éliminant de celle-ci des gaz et des particules via les mécanismes d'incorporation et de dissolution. D'autre part, le dépôt et le rôle de ces hydrométéores sur les végétaux et les bâtiments en faisaient un complément indispensable s'intégrant parfaitement dans les travaux des autres équipes. Nous avons ainsi abordé différents aspects tant de la chimie aqueuse (brouillard, pluie, rosée) que particulaire (aérosols) tels que les mécanismes de dépôt, les processus de dissolution, les variations temporelles... Les spécialistes de ces différentes matières décèleront peut-être des lacunes ou des manques inhérents à toute approche pluridisciplinaire mais qui a le mérite d'en faire un travail varié et original. Soulignons que les données sur le brouillard et surtout sur la rosée sont peu fréquentes dans la littérature en partie à cause des difficultés de collecte et d'analyse (petits volumes).

D'autre part, mis à part les analyses de pluie moyenne et de métaux lourds dans les aérosols effectuées par l'IHE (Institut d'Hygiène et d'Epidémiologie), ce genre de données était inexistant pour Bruxelles.

Les aérosols et les dépôts humides sont intimement liés puisque les particules de l'aérosol servent de noyaux de nucléation indispensables à la formation des gouttelettes de brouillard, de pluie, de neige. La composition des dépôts humides reflète donc la composition des particules sur lesquelles l'eau s'est condensée. Cependant, l'incorporation des particules et des gaz dans la phase aqueuse, et donc les concentrations des dépôts humides dépendent fortement de la solubilité de ces particules et de ces gaz (Berner & Berner, 1987; Stumm et al., 1987; Jaffrezo & Colin, 1988; Colin et al., 1990).

C'est également la solubilité des dépôts secs précédemment déposés sur les surfaces végétales et la

solubilité de l'aérosol présent à l'interface eau-air qui conditionnent la composition de la rosée et du

givre (Wisniewski, 1982; Mulawa et al., 1986). Après leur chute, les dépôts humides peuvent

également dissoudre des composés antérieurement déposés par voie sèche sur les sols, les végétaux,

les bâtiments. Enfin, c'est sous forme dissoute que les nutriments sont incorporés dans les chaînes

alimentaires et deviennent biologiquement disponibles; c'est également sous forme dissoute que certains

métaux tels que le plomb, le chrome, le manganèse, l'aluminium sont toxiques vis-à-vis des organismes

vivants (Losno et al., 1993). Pour ces multiples raisons, nous avons privilégié l'étude des composés

présents sous forme soluble dans les dépôts humides et les aérosols, et nous avons accordé une

La première partie de ce travail (chapitre II) présente les techniques de collecte et d'analyses des échantillons. Ceci a en effet constitué une étape importante dans la mesure où il a fallu concevoir, construire et mettre au point différents types de collecteurs pour la pluie, le brouillard, la rosée. Il a également fallu adapter ou développer des techniques analytiques en fonction des caractéristiques des échantillons et des buts recherchés. Nous aborderons ensuite la discussion des résultats pour chaque type d'échantillon récolté, en commençant par les aérosols atmosphériques, puis les précipitations humides: brouillards, rosées, pluies et dépôts totaux. Le chapitre III, consacré aux aérosols atmosphériques, expose d’abord quelques généralités sur les aérosols: leur mode de formation, leurs sources globales et régionales, leur mode d’élimination de l’atmosphère. Il aborde ensuite la composition de l’aérosol bruxellois soluble et total (soluble + insoluble), et l’importance des phases soluble et insoluble. Les causes de variabilité spatio-temporelle de la composition de l’aérosol sont ensuite étudiées avant de discuter des sources de particules et d’éléments. Ce chapitre est clôturé par des conclusions partielles. Le chapitre IV est consacré à la phase aqueuse est se scinde en 4 parties:

1) introduction et généralités sur la formation des gouttes liquides, 2 ) les brouillards, 3) les rosées et les givres, 4) les pluies et les dépôts totaux. La présentation des résultats suit un canevas identique à celui des aérosols, à savoir:

- composition moyenne et comparaison avec les données de la littérature;

- causes de la variabilité spatio-temporelle;

- origine et sources des éléments;

- conclusions partielles.

Cependant, certains aspects sont plus ou moins développés, en fonction de la spécificité de chaque type d’échantillon. En particulier, la variabilité spatio-temporelle des rosées et givres est peu discutée. Dans les pluies et dépôts totaux, l’accent est mis sur l’interprétation des variations temporelles (échantillonnages séquentiels), tandis que l’identification des sources d’éléments n’est pas considérée.

Pour terminer (chapitre V), les conclusions générales présentent un résumé des buts du travail et des

prélèvements et analyses effectués, puis une synthèse des principaux résultats en mettant l’accent sur

les différences et similitudes entre les différentes retombées atmosphériques et les aérosols, avant de

terminer par les perspectives.

CHAPITRE II. MATERIEL ET METHODES

CHAPITRE II: MATERIEL ET METHODES

1. TECHNIQUES DE PRELEVEMENT 1.1 Prélèvement des aérosols fractionnés 1.1.1 Principe de l'impaction inertielle

L'impaction inertielle est due au fait que la capacité des particules en suspension dans un gaz porteur en accélération à suivre le mouvement de ce gaz dépend de leur inertie (Friedlander, 1977).

Cette notion est illustrée dans la figure II.1. Ainsi, quand un jet d'air, de vitesse et de viscosité dynamique connues, chargé en particules sphériques de diamètre variable et de densité connue, est dirigé perpendiculairement à une surface plane, les particules possédant une inertie suffisante vont s'extraire des lignes de courant et suivre une trajectoire les amenant à s'impacter sur la surface. Les particules dont l'inertie est trop faible sont soumises aux forces de viscosité et entraînées par le flux d'air de manière à éviter la surface d'impaction.

Figure II.1: Principe de l'impaction inertielle. Extraite de Andersen (1985).

1.1.2 L'impacteur en cascade

L'appareil utilisé est un impacteur en cascade multi-étages multi-orifices, de type Andersen.

Il fonctionne selon le principe de l'impaction inertielle et permet de fractionner les particules atmosphériques en fonction de leur taille aérodynamique. Le diamètre aérodynamique D est une

fonction du diamètre réel, mais tient compte, en plus, de la forme et de la densité des particules. Il est en effet définit comme le diamètre d'une sphère de densité unitaire qui se comporterait dans l'impacteur de la même manière que la particule collectée, de forme et de densité arbitraire (Friedlander, 1977).

Par exemple, 2 particules, de 7 et 10 µm de diamètre et de densité égale à 4.1 et 2.0 g/cm

respectivement, ont le même D car elles sont aérodynamiquement identiques. Ce paramètre est utilisé

car il est souvent plus important de connaître les caractéristiques aérodynamiques des particules plutôt

que leur taille réelle, comme par exemple dans le cas du comportement des particules dans l'ait ambiant ou de la pénétrabilité des particules dans le système respiratoire humain.

L'impacteur, schématisé à la figure II.2, est composé de 8 étages, chacun constitué d'une plaque comportant de nombreux orifices et d'une surface d'impaction. L'air ambiant, qui pénètre par le cône d'entrée, traverse les orifices du premier étage et les particules ayant une inertie suffisante se déposent sur la surface d'impaction (recouverte d'un filtre membrane ou d'un autre substrat). Les particules plus petites suivent les lignes de courant et atteignent l'étage suivant, comme le montre la figure II.3. Les trous des étages successifs étant de plus en plus petits, la vitesse du gaz et l'inertie des particules sont de plus en plus grands, et les particules collectées à chaque étage ont un diamètre aérodynamique de plus en plus petit. Le dernier étage (étage F), composé uniquement d'une surface d'impaction, récolte toutes les particules qui n'ont pas été impactées sur les étages précédents.

L'impacteur d'Andersen permet ainsi l'échantillonnage des particules en 9 fractions granulométriques, comme indiqué dans le tableau II.1.

Une des particularités de cet impacteur est que le classement des particules par gamme de taille sur chaque étage simule la pénétration des particules dans le système respiratoire humain, comme le montre la figure II.4.

Figure II.2: Dispositif de collecte des aérosols fractionnés: l'impacteur d'Andersen et sa pompe

électrique. Extraite de Andersen (1985).

Figure II.3: Schéma interne de l'impacteur en cascade, montrant les trajectoires des particules de différentes tailles.

Etage Gamme de taille D fabricant

D expérimentaux

Mitchell et al., 1988 Vaughan, 1989

0 9.0 - 10.0 9 9 8.8 9.8

1 5.8 - 9.0 5.8 5.8 5.6 6

2 4.7 - 5.8 4.7 5 5 5.7

3 3.3 - 4.7 3.3 3.8 3.6 3.1

4 2.1 - 3.3 2.1 2 2 2.06

5 1.1 - 2.1 1.1 1 0.9

6 0.7 - 1.1 0.7 0.64 0.6

7 0.4 - 0.7 0.4 0.44

F 0.0 - 0.4 0

Tableau II.1: La gamme de taille et les diamètres aérodynamiques de coupure (D

) des différents

étages de l'impacteur en cascade.

D ' 18 ø µ D

j

C ñ

j V

j

Figure II.4: Relation entre la taille des particules collectées sur chaque étage de l’impacteur en cascade et leur niveau de pénétration dans le système respiratoire.

1.1.3 Le diamètre de coupure

Idéalement, chaque étage de l'impacteur devrait collecter toutes les particules plus grosses qu'un certain D et aucune des particules de diamètre inférieur, ce diamètre est appelé point de coupure

(figure II.5a). En pratique, chaque étage est défini par une courbe d'efficience de collecte donnant la probabilité d'impaction en fonction du D (voir figure II.5b). On utilise alors comme point de coupure

le D correspondant à une efficience de collecte de 50%, appelé D

ou plus simplement D . Les

courbes d'efficience de collecte peuvent être calculées théoriquement (Marple et Liu, 1974) à l'aide de la formule de base suivante (Friedlander, 1977; Harris, 1977):

(1)

où D = Diamètre de la particule sur un étage donné Ø = Nombre de Stokes

µ = Viscosité du gaz

D = Diamètre des trous pour un étage donné

C = Facteur de correction de Cunningham ñ = Densité de la particule

V = Vitesse du gaz à travers les orifices.

Une calibration à l'aide de sphères de polystyrène de diamètre connu permet d'obtenir les valeurs

en fonction des performances réelles de l'impacteur. En effet, Vaughan (1989) et Harris (1977) ont montré qu'il existe des écarts au comportement théorique, qui dépendent de paramètres tels que: le rapport entre la longueur d'un orifice et son diamètre (T/W dans la figure II.3), le rapport entre la distance de la sortie d'un orifice à la plaque d'impaction et le diamètre de l'orifice (S/W dans la figure II.3), le nombre de Reynolds. Cependant, plusieurs études ont montré qu'il existe un bon accord entre les valeurs calculées et celles déterminées expérimentalement (Marple et Liu, 1974; Marple et Willeke, 1976).

Le tableau II.1 reprend les valeurs des D qui nous ont été fournies par le fabricant (Andersen,

1985). Celles-ci sont très proches des valeurs expérimentales proposées par Mitchell et al. (1978), mais diffèrent plus fortement des valeurs mesurées par Vaughan (1989), en particulier pour l'étage 2.

Notons que dans le cas de l'impacteur d'Andersen, le chevauchement des tailles particulaires entre les étages -chevauchement inhérent à tout impacteur en cascade- est minimisé, et la gamme de taille des diamètres est étroite, et ceci grâce au fait que les orifices des plaques sont nombreux, petits et ronds (Ranz et Wong, 1952).

1.1.4 Les pertes de particules

La distribution de taille des particules peut être modifiée par des problèmes de pertes de particules pendant l'échantillonnage. Ces pertes sont de 3 ordres (Marple & Willeke, 1976; Andersen, 1985; Newton et al., 1990; Gomes et al., 1990):

‚ Pertes à l'entrée de l'impacteur:

Celles-ci sont minimisées par une forme adéquate du cône d'entrée et sont de toute façon négligeables dans de l'air calme.

‚ Pertes sur les parois entre les étages:

Aucune théorie ne permet de prédire ces pertes, qui doivent donc être déterminées expérimentalement. Certaines études expérimentales ont ainsi montré qu'elles dépendent de la taille des particules et qu'elles sont en général de l'ordre de 5-10% au total, mais qu'elles n'affectent pas les valeurs des diamètres de coupure. Cependant, l'impacteur utilisé, de type Mark II, a été amélioré par rapport au modèle précédent (type Mark I) de manière à minimiser ce phénomène. Les 2 premiers étages comportent un nombre plus faible d'orifices de plus grande taille et ceux-ci sont disposés radialement plutôt que circulairement de façon à diminuer la turbulence.

‚ Réentraînement des particules (bounce-off et blow-off):

Les étages de l'impacteur étant conçu de manière à limiter la turbulence du flux gazeux, les problèmes de réentraînement des particules sont limités, à condition évidemment de ne pas surcharger les plaques d'impaction en prélevant pendant des temps trop longs (la limite supérieure est d'environ 10mg de matière particulaire sur chaque étage).

Plusieurs auteurs conseillent toutefois d'appliquer une couche adhésive (graisse) sur les

surfaces d'impaction. Mais l'emploi de cette graisse n'est en général pas compatible

avec une analyse chimique des échantillons (blancs trop élevés, interférence de la

couche de graisse avec les techniques analytiques). Enfin, certains auteurs préconisent

l'utilisation de filtres en fibre (de verre ou de cellulose) mais ce type de filtre ne convient

pas pour les analyses que nous voulons effectuer (microscopie, fluorescence des

rayons-X, analyse de la fraction dissoute) car les particules pénètrent dans l'épaisseur

du filtre.

1.1.5 Les prélèvements

Seize séries d'échantillons ont été prélevés entre juillet 1991 et mai 1992 sur le campus de la Plaine de l'Université Libre de Bruxelles, dans des conditions météorologiques variables. L'accès aux toits nous ayant été interdit, les 7 premiers prélèvements ont été effectués sur l'appui de fenêtre d'un laboratoire situé au 3 niveau du bâtiment. Pour les prélèvements suivants, nous avons pu bénéficier

de l'accès à une terrasse située au niveau 2 du même bâtiment, ce qui nous a permis d'éloigner l'impacteur des murs du bâtiment (jusqu'à une distance d'environ 5m). Les temps d'échantillonnage sont au minimum de 24 heures, afin de collecter des quantités suffisantes de particules sur chaque étage; ces temps varient entre 29 et 97 heures. L'ensemble des ces informations est repris dans le tableau II.2.

Les aérosols ont été collectés sur des filtres membrane de 87mm de diamètre et de porosité

égale à 0.8µm (une porosité inférieure n'existe pas pour des filtres d'une telle superficie), posés sur les

plaques d'impaction en acier inoxydable. Pour pouvoir effectuer sur les mêmes échantillons l'analyse

des éléments dissous et l'analyse des éléments totaux en microscopie électronique, un 2 filtre de

25mm de diamètre et de 0.45µm de porosité a été placé dans certains cas (Séries K, M, P et Q) au-

dessus du filtre de 87mm de diamètre. L'échantillonnage est donc supposé homogène pour un étage

donné et les résultats analytiques ont été ramenés à la surface totale d'impaction.

a.

b.

c.

Figure II.5: Courbes d'efficience de collecte idéale (a), théorique (b) et fournies par le fabricant (c),

en fonction du diamètre aérodynamique.

Série Date Temps Vol. Conditions météorologiques (HH:MM) (m )

Vent dominant Jours de pluie

A 22-07 au 24-07-1991 47:00 78.9 SSE 24-07

B 27-07 au 29-07-1991 47:30 79.9 SSE

C 30-07 au 01-08-1991 53:20 896 SE 30-07

D 02-08 au 06-08-1991 95:45 155.8 WSW

E 06-08 au 08-08-1991 45:00 75.4 NNW 07-08 et 08-08

F 12-09 au 13-09-1991 29:30 49.4 E

G 15-10 au 18-10-1991 70:00 1179 SW Tous

H 22-10 au 25-10-1991 63:30 1067 WSW

J 26-12 au 30-12-1991 96:30 162.1 W 26-12

K 10-01 au 13-01-1992 75:15 126.4 NE

L 31-01 au 03-02-1992 69:45 117.1 NE 03-02

M 14-02 au 17-02-1992 72:00 121 NW 14-02 et 15-02

N 24-02 au 28-02-1992 97:00 162.8 SSW

O 03-03 au 05-03-1992 54:15 91.2 SSW

P 05-05 au 07-05-1992 46:45 78.6 W

Q 12-05 au 14-05-1992 53:00 89.3 S

Tableau II.2: Caractéristiques générales des séries d'échantillons prélevés à l'aide de l'impacteur

d'Andersen.

1.2 Prélèvement des aérosols totaux 1.2.1 L'appareillage

La collecte des aérosols totaux se fait par pompage de l'air ambiant sur un filtre approprié (filtre membrane en ester de cellulose, de 47mm de diamètre et de 0.45µm de porosité). Le dispositif expérimental comprend un porte-filtre orienté vers le bas dans lequel on place le filtre prépesé, un compteur de gaz qui mesure le nombre de m échantillonnés, et une pompe électrique (type pompe à

membrane) dont le débit est de 1.2 m /h.

Nous avons opté pour l'utilisation de filtres membrane en esters de cellulose de 47mm de diamètre en raison de leur propreté, de leur coût faible, de l'aspect lisse de leur surface, et de la régularité de la taille des pores. Ces 2 dernières caractéristiques permettent le dépôt des particules quasi uniquement à la surface du filtre, contrairement aux filtres en fibre par exemple (Maenhaut, 1989).

Les filtres en polycarbonate possèdent une régularité des pores encore meilleure que les filtres membrane mais ils présentent d'autres inconvénients: manipulation délicate, pesée difficile (fragilité, électricité statique), coût élevé. Les filtres choisis ont un diamètre de pores égal à 0.45µm. Cette porosité est la plus communément utilisée (Demuynck & Dams, 1981; Van Borm et al., 1989; Thiessen

& Lenelle, 1990; Dams, 1992) et résulte d'un compromis entre la volonté de collecter les particules de toutes tailles et l'augmentation de la perte de charge quand la porosité diminue.

1.2.2 Les prélèvements

Cinquante-sept échantillons ont été prélevés entre décembre 1990 et septembre 1991. Nous avons choisi de diversifier les lieux de prélèvement dans le but de caractériser l'aérosol bruxellois de manière la plus complète possible et d'obtenir des informations sur la variabilité spatiale et temporelle de la composition des aérosols.

Les différents lieux de prélèvements correspondent aux zones suivantes (figure II.6):

‚ Zone fortement urbanisée: (1) Centre-ville, (2) Petite ceinture (trafic routier important, (3) Campus de la Plaine de l'ULB, (4) Institut d’Hygiène et d’Epidémiologie IHE (côté jardin ou côté rue de l'institut).

‚ Zone industrielle: (5) Vilvorde (proximité de l'incinérateur de déchets ménagers).

‚ Périphérie à caractère résidentiel: (6) Hôpital Erasme.

Des prélèvements en parallèle à l'intérieur et à l'extérieur des locaux ont également été effectués, étant donné le caractère pluridisciplinaire de notre étude (collaboration avec le service de Pneumologie de l'Hôpital Erasme). Ceux-ci se justifient par le fait que l'homme passe la majorité de son temps à l'intérieur des bâtiments (Brauer et al., 1990).

En outre, une série d'échantillons d'aérosols urbains nous a été donnée par l'Institut d'Hygiène

et d'Epidémiologie (I.H.E). Leur technique de prélèvement est exactement la même que la nôtre; la

durée du prélèvement est de 24 heures (de 00:00 à 24:00 heures GMT).

Enfin, 13 échantillons ont été prélevés en milieu marin (océan Atlantique et mer du Nord) dans le but d'effectuer des comparaisons entre les aérosols marins et urbains, en terme de composition et de chimie.

Après la collecte, les filtres sont séchés dans un dessicateur puis pesés et analysés soit par microscopie électronique, soit par fluorescence des rayons-X.

La liste des filtres analysés, les conditions de prélèvement et le type d'analyse effectué sont repris dans le tableau II.3.

Figure II.6: Lieux de prélèvements des aérosols totaux en région bruxelloise.

NE Date Temps Vol. Lieu Anal. Météo. et Remarques

¶ HH:MM (m )

# § *

FR19 12-12-90 24:20 3 AI+SG Courants maritimes polaires, pluie et/ou neige, vent mod. W6N.

FR21 14-12-90 72:00 3 AI+SG Continental, sec, vent faible N-NE, D=2 le 16-12.

FV9130 15-01-91 24:00 3 SG Continental, "aérosols", vent mod.

ENE.

FV9131 31-01-91 06:25 3 SG Continental, gris, brumeux, vent

FV9132 31-01-91 15:00 3 SG faible ESE-SSE, D=2.

FV9133 06-02-91 16:00 3 SG Continental,froid,neige,vent mod.

NNE-ENE.

FV9120 30-07-91 02:00 1.7 5 AI+SG Ensoleillé,vent faible à mod. SE.

FV9121 30-07-91 01:00 0.8 5 AI+SG Orageux,vent faible à mod. NW.

FV9122 30-07-91 01:00 0.8 5 AI Orageux, vent faible à mod. SW-W.

FM13 30-07-91 24:20 16.4 5 XRF FM13 = FV9120+21+22.

FV9123 31-07-91 01:30 1.2 2 AI Orageux, vent faible à mod. E.

FV9124 31-07-91 02:00 1.7 2 AI

FV9125 01-08-91 01:55 1.6 2 AI+SG Courant maritime humide, vent SE.

FM14 31-07-91 25:10 17.0 2 XRF FM14 = FV9123+24+25.

FV9126 01-08-91 02:00 1.7 4/J AI Maritime, vent faible dir. variée.

FV9127 01-08-91 03:00 2.5 4/J AI Maritime, vent faible W.

FV9128 02-08-91 03:00 2.5 4/J AI Maritime, vent faible à mod. S-SW.

FM15 01-08-91 23:55 16.5 4/J XRF FM15 = FV9126+27+28.

FRLabo -01-91 01:00 6/I AI+SG

FI9101 03-07-91 01:10 0.8 1/I AI Beau temps,chaud, vent faible N.

FI9102 03-07-91 01:10 1.0 1 AI

FI9103 03-07-91 01:24 0.9 6/I AI

FI9104 03-07-91 01:24 1.1 6 AI

FI9105 03-07-91 01:00 0.8 6/I AI

FI9106 03-07-91 01:00 0.6 6/I AI

FM1 12-07-91 24:18 17.9 3/I XRF Pluie intermittente, vent modéré

FM2 12-07-91 24:18 23.0 3 XRF WSW-SSW.

FM3 13-07-91 48:20 35.5 3/I XRF Pluvieux, vent modéré à assez fort

NE Date Temps Vol. Lieu Anal. Météo. et Remarques

¶ HH:MM (m )

# § *

FM4 13-07-91 48:20 45.7 3 XRF SW.

FM5 22-07-91 23:35 17.7 3/I XRF Beau, vent faible à mod. de direction varié puis faible à mod. SE et SW la nuit du 23 au 24-07, peu voitures (congé le 22-07),

FM06=FM05+FM07.

FM7 23-07-91 24:10 15.6 3/I XRF

FM6 22-07-91 47:50 45.9 3 XRF

FM8 24-07-91 23:30 14.8 3/I XRF Averses orageuses, forte nébulosité,

FM9 24-07-91 23:30 22.2 3 XRF vent modéré SW-W.

FI9112 25-07-91 03:30 2.2 3/I AI Nuageux, averses, vent faible à mod. SSW-WNW-NW, TE

= 21EC.

FI9113 25-07-91 03:30 2.8 3 AI

FI9114 25-07-91 03:00 1.9 3/I AI

FI9115 25-07-91 03:00 2.4 3 AI

FI9116 26-07-91 03:00 1.9 3/I AI

FI9117 26-07-91 03:00 2.4 3 AI

FI9118 26-07-91 03:00 2.0 3/I AI

FI9119 26-07-91 03:00 2.5 3 AI

FM11 26-07-91 24:05 22.4 3/I XRF Idem FI9112.

FM10 26-07-91 24:05 14.8 3 XRF

FM12 27-07-91 45:40 42.5 3 XRF En Parallèle, impacteur série B.

FV9144 22-02-92 24:00 12.0 4/J AI+SG Vent faible SW-S.

FV9145 22-02-92 24:00 15.0 4/R SG

FV9146 26-02-91 24:00 15.0 4/J SG Brouillard (prototype) prélevé à FV9147 26-02-91 24:00 15.0 4/R SG Wavre, vent E.

FV9148 27-02-91 24:00 15.0 4/J SG Brouillard (prototype) prélevé à FV9149 27-02-91 24:00 15.0 4/R SG Forest, Uccle et Anderl., vent ENE.

FV9150 22-10-91 24:00 15.0 4/J SG Brouillard prélevé stat°10,

FV9151 22-10-91 24:00 15.0 4/R SG vent WSW-SSW, D=2.

FV9152 29-11-91 24:00 15.0 4/R SG Prélèv. brouill. stat° 7,vent ESE.

FV9153 30-11-91 24:00 15.0 4/R SG Prélèv. brouill. stat° 5, vent S.

FV9207 21-04-91 24:00 16.0 4/J AI+SG Avant pluie, vent E puis SW.

FV9208 22-04-91 24:00 16.0 4/J AI+SG Pendant pluie, vent SSW-NW.