Recherche pour PM10

Lors de ce travail 23 hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), 27 hydrocarbures aromatiques polycycliques oxygénés (OHAP) et 32 hydrocarbures aromatiques polycycliques nitrés (NHAP) ont été mesurés simultanément sur la phase gazeuse et la phase particulaire atmosphérique (PM10) pendant une année entière (échantillonnage tous les 3 jours) à Grenoble, sur le site urbain des Frênes. Le travail présenté est le premier d’envergure au niveau français et européen sur l’étude des NHAP et OHAP dans l’air ambiant et n’a pas d’équivalent au niveau international. Les résultats obtenus ont montré que les concentrations moyennes totales (phase gazeuse + particulaire) des HAP (23HAP) et des HAP oxygénés (27OHAP) étaient du même ordre de grandeur et d’environ une dizaine de ng.m-3 tandis que celles HAP nitrés (32NHAP) étaient 50 à 100 fois moins importantes et de l’ordre de la centaine de pg.m-3. De façon générale, les concentrations des HAP, OHAP et NHAP sont de 5 à 7 plus élevées en période « froide » (octobre à mars) par rapport à la période dite « chaude » (avril à septembre). Cette variabilité peut être expliquée par l’augmentation des émissions primaires de ces composés en hiver due aux activités de chauffage. Elle peut également être expliquée par les conditions climatiques avec en hiver une stagnation des polluants entrainant leur accumulation due la formation fréquente de couches d’inversion et en été, une baisse des concentrations de ces composés due à la forte activité photochimique entrainant leur dégradation dans l’atmosphère. L’étude la partition gaz/particule des NHAP et OHAP a montré que les composés les plus lourds sont principalement associés à la phase particulaire (masse moléculaire > 225 g.mol-1) alors que les composés les plus légers sont majoritairement présents en phase gazeuse (masse moléculaire L’origine primaire ou secondaire des NHAP dans l’atmosphère a été appréhendée à l’aide de l’étude du rapport 2-NFlt/1-NP. Les résultats ont montré que Grenoble semble un cas particulier car en hiver, la stagnation des polluants (inversions thermiques) favorise certainement les processus chimiques entrainant la formation secondaire des NHAP (et probablement OHAP) alors que les études précédentes disponibles dans la littérature ont montré que la formation secondaire des NHAP est prépondérante en période estivale. L’évaluation de l’impact des HAP, NHAP et OHAP sur la santé a été réalisée en étudiant l’excès de risque cancérigène induit par leur présence dans l’atmosphère. Les HAP représentent la plus grande part du risque total cancérigène mais la contribution des OHAP et NHAP peut représenter jusqu’à 24 % alors que le nombre de composés utilisés dans ce calcul (1 OHAP et 10 NHAP) est 2 fois moins important par rapport aux HAP parents (21 HAP) et que les concentrations des NHAP sont environ 100 fois moins importantes. L’évaluation de risque présentée ici était certainement minimisée car l’aspect mutagène n’a pas été considéré alors que les OHAP et NHAP sont des composés mutagènes bien plus puissants que leurs HAP parents. Plus particulièrement, l’année 2013 a été marquée par des pics de particules pendant le mois février-mars et décembre. Ces périodes correspondent aux concentrations maximales annuelles des HAP, OHAP (décembre) et NHAP (février-mars et décembre). Les concentrations des OHAP (Σ27OHAP) étant même supérieures à celles des HAP (Σ23HAP) lors du pic de décembre. Lors de ce pic, l’impact sanitaire des particules est probablement accentué par la présence des HAP et de leurs dérivés de par leurs caractères toxiques, cancérigènes et mutagènes. Lors de ces évènements, l’accumulation des polluants a probablement favorisé les processus chimiques et la formation secondaire de composés tels que les OHAP et les NHAP. Enfin, les résultats obtenus ont permis de montrer que les périodes de fin d’hiver et début du printemps semblent être celles les plus propices à la formation secondaire de NHAP et OHAP et certainement de l’AOS issus des HAP en lien avec les conditions photo-oxydantes favorables (pics de PM explicités par la forte proportion de nitrate d’ammonium, composé secondaire inorganique), des émissions primaires de HAP parents toujours importantes (chauffage résidentiel) et une dispersion des polluants limitée.

Cette étude, conduite en collaboration avec le Centre de Géosciences (équipe de géostatistique) de Mines ParisTech, s’inscrit dans le cadre des travaux du LCSQA relatifs au système PREV’AIR. Elle a pour objet d’améliorer la réalisation des cartes analysées, qui sont produites en corrigeant les simulations du modèle CHIMERE à l’aide des données d’observation. Ce rapport présente les résultats obtenus pour la cartographie horaire d’ozone sur la France. Un travail sur la cartographie journalière des PM10 a été effectué pour les besoins de l’étude LCSQA 2009 « Evaluation des zones géographiques touchées par les dépassements de valeurs limites ». Les compléments et adaptations nécessaires à une mise en œuvre opérationnelle dans PREV’AIR seront réalisés en 2010. Rappelons que la méthode de correction utilisée à ce jour dans PREV’Air est la technique géostatistique du krigeage des innovations. Elle suppose que la concentration d’ozone est la somme du modèle CHIMERE et d’un résidu aléatoire non corrélé spatialement à CHIMERE mais structuré. Des valeurs expérimentales de ce résidu, les innovations, peuvent être calculées aux stations en faisant la différence entre les concentrations mesurées et modélisées. La méthode d’analyse consiste à ajouter à CHIMERE un champ correctif obtenu par krigeage ordinaire des innovations. En 2008, la variabilité relative des mesures et des simulations a été examinée dans le temps et l’espace. A la lumière de cette analyse, il est apparu que les hypothèses sous-jacentes au krigeage des innovations n’étaient pas toujours vérifiées. Le modèle linéaire de corégionalisation a été proposé pour décrire de façon plus satisfaisante les relations entre les observations et CHIMERE. Ce modèle, utilisable dans un cokrigeage, permet de différencier les rapports de variabilité par échelle de temps ou d’espace. En 2009, le krigeage des innovations et le cokrigeage ont été testés et comparés dans un cadre purement spatial, sur deux périodes estivales d’environ un mois. A cette occasion, le krigeage avec CHIMERE en dérive externe a été également appliqué. Il ne distingue pas les échelles de variabilité comme le cokrigeage mais, plus général que le krigeage des innovations, il permet d’ajuster localement une relation linéaire entre les observations et CHIMERE. Dans le domaine convexe défini par les stations de mesure, les trois méthodes produisent des résultats comparables. Ainsi la précision de l’estimation dépend-elle en premier lieu de la qualité des données disponibles et de la bonne répartition des stations utilisées en entrée du krigeage. Les statistiques d’erreurs donnent toutefois l’avantage au krigeage avec dérive externe qui sera mis en fonctionnement dans PREV’AIR en 2010. Pour une pleine efficacité, le cokrigeage, dont on a pu constater aussi la pertinence pour la cartographie des PM10, appelle des ajustements complémentaires.

La note synthétise les travaux récents du LCSQA en matière de modélisation géostatistique. Elle aborde des points de méthodologie et fournit des scores de performance des méthodes développées. Un modèle de cokrigeage pour la cartographie des PM10 et des PM2.5 a été ainsi mis au point. Il permet à la fois d’améliorer la précision des cartographies de PM2.5 et la cohérence entre les estimations de PM2.5 et de PM10. Un lissage a été également introduit dans le krigeage afin d’améliorer la continuité des cartes dans les zones peu contraintes par les stations de mesure. Ces travaux sont destinés à être implantés de manière opérationnelle dans le système PREV’AIR pour améliorer la qualité de la production quotidienne de cartographies de la qualité de l’air pour le jour d’avant. Ils participent donc à la démarche d’assurance qualité du système national de prévision et de cartographie de la qualité de l’air, pour une plus grande précision et une plus grande fiabilité des informations diffusées auprès du Ministère, des AASQA et du grand public. Ces travaux ont été conduits à l’initiative du LCSQA. Certains d’entre eux ont fait l’objet d’échanges techniques avec le Centre de Géosciences de l’Ecole des Mines de Paris, dans le cadre d’une convention de collaboration scientifique avec l’INERIS.

Le TEOM (Tapered Element Oscillating Microbalance) est un appareil de mesure très répandu au sein des Associations Agréées de Surveillance de la Qualité de l’Air (AASQA). Il est capable de mesurer en continu la concentration massique des particules en suspension dans l’air (en μg/m3), ce qui le rend préférable à la méthode gravimétrique qui nécessite des pesées postérieures au prélèvement. A l’heure actuelle, cet appareil est étalonné à l’aide de cales étalons raccordées au système international. Ces cales, ayant des masses de l’ordre de 80-100 mg, permettent de vérifier laconstante d’étalonnage de la microbalance. Le contrôle de sa linéarité est effectuée grâce à trois cales étalons ayant des différences de masses de l’ordre de la dizaine de mg. En considérant un débitvolumique du TEOM-FDMS de 3 L/min, la valeur limite pour les PM10 (50 μg/m3 en moyenne journalière) représente une masse particulaire d’environ 2 μg sur 15 min de prélèvement. Ladifférence de masse des cales étalons n’est donc pas représentative des masses particulaires atmosphériques prélevées sur un quart d’heure. De plus, l’utilisation de ces cales ne permet pas deprendre en compte un éventuel dysfonctionnement du système de prélèvement en amont de la mesure de la masse et du système de filtration intrinsèque à la microbalance. Par conséquent, le LNE a proposé de développer une méthode d’étalonnage en masse des TEOM-FDMS qui consiste à : - Générer et prélever des particules ayant des concentrations connues et stables dans le temps (prélèvement de masses particulaires inférieures à 5 mg sur une demi-heure pour l’année 2013 pour cette phase d’optimisation avec un objectif de descendre à une masse particulaire inférieure à 500 μg sur une demi-heure en 2014), d'une part sur le filtre du TEOM-FDMS en passant par lesystème de prélèvement (hors tête de prélèvement), et d'autre part sur un filtre externe, -  Puis comparer les masses mesurées par le TEOM-FDMS avec les masses « vraies » mesurées par la méthode gravimétrique sur le filtre externe. En considération de l’ensemble des éléments précités, cette méthode a également été développéepour mettre en place un étalonnage des TEOM-FDMS (1) - pour une gamme de masse inférieure àcelle des cales étalons et (2) - réalisable dans des conditions proches de leur fonctionnement« normal ». Le problème rencontré en 2012 lors des essais avec le porte filtre externe a été résolu en 2013 (régulateur de débit massique (RDM) remplacé et le nouveau RDM a fait l’objet d’un étalonnage endébit). En parallèle, des travaux ont été menés afin de rendre portable le système de génération (ajout d’un compresseur d’air, portabilité, …). Des essais ont ensuite été effectués en couplant ce nouveausystème de génération portable avec le TEOM-FDMS du LCSQA/LNE, puis avec trois différents types de TEOM-FDMS sur le site du LCSQA/INERIS à Verneuil-en-Halatte. Les résultats ont globalement conduit à des écarts-types relatifs de répétabilité et de reproductibilité relativement faibles (inférieurs à 5,1%) en comparaison avec les études précédentes. Lors de cette étude, un domaine de masses de référence a été caractérisé grâce aux mesures « porte filtre externe » calculées pour 27 expériences menées sur neuf jours différents. Les masses deréférence obtenues aux temps de chargement de 12, 24 et 36 minutes, en prenant en compte les écarts-types de reproductibilité (k=2) obtenus grâce à l’application de la norme ISO5725-2, sontrespectivement égales à 1260 ± 101 μg ; 2507 ± 163 μg et 3759 ± 242 μg. Il a ainsi été effectué une comparaison globale entre ce domaine de référence et les masses moyennes pesées et lues obtenues pour chacun des quatre différents « TEOM-FDMS » impliquésdans cette étude. Il ressort de cette comparaison une validation des mesures «TEOM-FDMS », pesées et lues, avec les mesures gravimétriques.

Afin de distinguer et quantifier les sources des HAP particulaires, l’apport du couplage du modèle aethalomètre (mesure du black carbon, BC) avec les données de mesures des HAP particulaires au sein d’un modèle source -récepteur du type PMF (Positive Matrix Factorization) a été évalué. particulaires. Deux sites d’études ont été investigués comprenant un site de fond urbain, Talence, et un site de fond régional, SIRTA (25 km au sud -ouest de Paris). Les mesures de BC, HAP et PM10 ont été réalisées durant une année sur ces deux sites. En complément, une caractérisation étendue de la composition chimique des PM10 a été réalisée sur le site du SIRTA. L’analyse PMF a été réalisée de façon simplifiée avec seuls BC, HAP et PM10 comme données d’entrée sur les deux sites, et sur le jeu étendu de données chimique des PM du SIRTA (PMF « étendu ») en complément et comme point de comparaison de l’approche PMF « simplifiée ». Le modèle « simplifié » permet de distinguer 3 facteurs correspondant à 3 sources de HAP particulaires. La combustion de biomasse apparait comme source majoritaire, représentant environ 85%, sur chacun de deux sites étudiés. La contribution de la source « combustion d’hydrocarbures » (trafic préférentiellement) est assez limitée notamment dans le cas du site de Talence, site très fortement impacté par la combustion de biomasse. Le modèle PMF « étendu » appliqué au SIRTA, met en avant 5 sources de HAP en lien avec les sources de PM : combustion de biomasse (50%), les poussières et remise en suspension (23%), le nitrate enrichi (15%), sels marins anthropisés (7%) et combustion d’hydrocarbures (3%). La source majoritaire de HAP au SIRTA est dans ce cas la combustion de biomasse mais avec une contribution de 50%. Une part significative des HAP particulaires semble transportée ou associée à des sources d’influence à échelle régionale avec les sources « nitrate enrichi » (probablement lié au trafic « éloigné ») et « sel marin anthropisé ». Le modèle « simplifié » ne permet donc qu’une détermination qualitative des sources des HAP. Son utilisation ne considérant que 3 facteurs, il ne permet pas de visualiser la contribution des sources autres que la combustion de biomasse et la combustion d’hydrocarbures et donc de retranscrire une influence plus régionale des sources de HAP et leur transport.

Depuis 2007, une surveillance est effectuée par l’ensemble des AASQA de façon continue ou ponctuelle, pour le Pb, As, Cd et Ni dans les PM10 en accord avec les directives européennes (2008/50/CE et 2004/107/CE modifié par la 2015/1480/CE). Les objectifs de Mines Douai, au sein du LCSQA, sont : d'assurer un rôle de conseil et de transfert de connaissances auprès des AASQA, de procéder à des travaux permettant de garantir la qualité des résultats, de participer activement aux travaux de normalisation français (AFNOR X43D) et européens (WG14, WG20, WG44), de réaliser une veille technologique sur les nouvelles méthodes de prélèvement et d’analyse susceptibles d’optimiser les coûts tout en respectant les objectifs de qualité, de participer à la valorisation des activités de surveillance et des études menées en collaborations avec les AASQA.   Au cours de l'année 2016, les travaux réalisés dans le cadre du LCSQA ont porté sur les actions suivantes : Fourniture de filtres vierges en fibre de quartz. Des filtres sont achetés par lots et leurs caractéristiques chimiques sont contrôlées, avant d’être redistribués aux AASQA sur simple demande de leur part. En 2016, 4 550 filtres en fibre de quartz (Pall et Whatman) ont été distribués auprès de 16 AASQA différentes. Participation au comité de suivi « Benzène, métaux, HAP » sur la stratégie de mesure de As, Cd, Ni, Pb dans l’air ambiant, au groupe de travail « Caractérisation chimique et sources des PM » et au groupe de travail « Référentiel constituant ». Préconisation méthodologique pour l’analyse du chrome total dans les PM10. La méthode préconisée pour les 4 métaux réglementés, issue de la norme EN 14902, n’est pas appropriée pour cet élément (cf travaux LCSQA-Mines Douai 2014). Une revue de la littérature et des essais sur divers matériaux de référence certifiés et sur filtres vierges et impactés de PM10 (Téflon et quartz) ont été réalisés afin de proposer la meilleure méthode disponible pour la mesure du Cr total dans les PM10. Analyse des métaux, métalloïdes et éléments majeurs dans des échantillons de PM10 collectés dans le cadre du programme CARA à Nogent sur Oise, Poitiers et SIRTA (Paris) pendant l’année 2015. L’application de modèles source-récepteur (PMF) permet l’identification des principales sources de particules affectant les zones (sites récepteurs) et leurs contributions relatives à la masse des PM10 (voir rapport LCSQA-CARA).

La note "synthèse sur la comparaison des chiffres d’exposition calculés par le LCSQA et les AASQA" compare des chiffres d’exposition nationaux et régionaux pour les dépassements des objectifs de long terme et des valeurs cibles O3 et de la valeur limite journalière PM10, pour l'année 2013. Elle compare en effet les valeurs de surface de dépassement et de population ou végétation exposée calculées respectivement par le LCSQA, à partir de données de cartographie à l’échelle nationale, et par les AASQA, à partir de données de cartographie à l’échelle régionale ou urbaine. Elle dresse un constat des similarités et des différences qui existent entre ces valeurs et propose des explications possibles des écarts observés. Cette note permet donc de valider la pertinence des évaluations de critères d’exposition réalisées au niveau national, comme un possible complément d’analyse des évaluations réalisées au niveau régional par les AASQA en vue du rapportage européen sur la qualité de l’air. Les mêmes approches sont utilisées à travers l’outil PREV’AIR Urgence, et sont donc évaluées positivement comme outil d’aide à la décision au service des AASQA pour la mise en œuvre de l’arrêté Mesures d’Urgence, en complément des outils implantés localement.

Dans le cadre de la mise en oeuvre des demandes qualité fixés par le ministère chargé de l’environnement, un essai de comparaison inter laboratoires (CIL) analytique a été organisé par le LCSQA (l’INERIS en collaboration avec le LNE) au premier semestre 2014 pour les laboratoires d’analyse sous-traitants des AASQA. Cet essai portait sur l’analyse du Benzo[a]pyrène (B[a]P) et des autres HAP concernés par la directive 2004/107/CE du 15 décembre 2004 ainsi que sur le phénanthrène, le fluoranthène et le benzo[g,h,i]pérylène. La norme NF EN 155491 étant seulement applicable pour le B[a]P, les laboratoires ont mis en oeuvre leurs propres méthodes analytiques pour les autres HAP. Cet exercice comprenait des matrices de concentrations très différentes afin de prendre en compte les gammes de travail habituelles des laboratoires réalisant l’analyse de filtres issus de prélèvements haut débit ou bas débit. Chaque participant a donc reçu les matériaux suivants : - trois matériaux de référence certifiés (MRC) préparés par le LNE, constitués de trois solutions étalons notées : Etalon 1, Etalon 2 et Etalon 3, présentant des concentrations différentes ; - deux matériaux préparés par l’INERIS à partir d'un prélèvement réel sur membrane en quartz notés : Extrait 1 et Extrait 2 ; - trois matériaux solides (poinçons de filtre) contenus dans des boîtes de Pétri préparés par l’INERIS et issus de prélèvements réels pour deux d’entre eux, le troisième étant un blanc de laboratoire. Les prélèvements ont été effectués sur filtre en quartz à l'aide d'un préleveur grand volume de type ANDERSEN, équipé d'une tête PM10, à un débit de 70 m3/h. Chaque filtre était découpé avec un emporte-pièce en 16 morceaux de 47 mm de diamètre. Trois filtres notés Filtre 1, Filtre 2 et Filtre 3 ont ainsi été envoyés aux participants. Le traitement statistique robuste des résultats a permis d’identifier une dégradation sévère des performances des laboratoires dans l’analyse des filtres contrairement aux extraits et étalons. Ceci induit un très large dépassement des exigences de la Directive 2004/107/CE vis-à-vis de l’incertitude élargie (de 70- 100 % contre Compte tenu de ces résultats, une nouvelle CIL sera organisée au premier semestre 2015. Par ailleurs, peu de laboratoires participants (4/11) sont aptes à respecter les recommandations du guide national2 pour les analyses de HAP concernant le respect des limites de quantification pour des prélèvements bas débit. Les AASQA réalisant de tels prélèvements sont invitées à porter une attention particulière aux performances de leur laboratoire d’analyse.