Etude de la composante organique de l'aérosol atmosphérique : cas de deux vallées alpines (Chamonix et Maurienne) et développement analytique

Composition du jury :M. TARDY Marc Pr. -Université de Savoie- (Président du Jury) M. BERGAMETTI Gilles DR – CNRS, LISA, Paris XII- (Rapporteur)M. ROSSET Robert Pr. – Université Paul Sabatier- (Rapporteur)M. BESOMBES Jean-Luc MCF -Université de Savoie-M. MASCLET Pierre Pr. –Université de Savoie- M. JAFFREZO Jean-Luc CR –CNRS, LGGE, UJF-Mme POISSON Nathalie ADEME -département Air, Paris -Atmospheric particles are known to contain organic carbon material in variable amounts, depending on their location. This class of particulate matter is important in a wide range of geophysical and environmental problems, ranging from local issues (pollution) to the global scale (climate change). Unfortunately, the knowledge of the physicochemical properties and formation mechanisms of this organic fraction, called POM (Particulate Organic Matter), is still very insufficient. This work thus fits in the category of obtaining a better knowledge of the organic fraction of the aerosol. As part of the PO.V.A. program (POllution des Vallées Alpines), whose principal objectives are to understand air pollution phenomena and the dispersive mechanisms specific to the mountainous systems, two 15 days intensive sampling campaigns were performed in two sensitive valleys : the valley of Chamonix and the valley of Maurienne. The first sampling campaign was performed in summer 2000 and the second in winter 2001 to investigate seasonal variations and to obtain good air pollution fingerprints at these two valleys before reopening the tunnel of Mont Blanc. After the presentation of the problems (chapter I) and the methods used (chapter II), the results of two types of analyses are presented (chapter III). The first type is focused on a class of compounds: Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH). Next to the public health concern, the study of atmospheric PAHs is of geochemical interest as they are emitted by combustion processes (oil derivatives and biomass) and are therefore good indicators of these emissions. The second type of analyses, more exploratory, consists in carrying out the quantitative speciation of the organic fraction and to establish relationships between chemical composition, and sources, seasons and physical parameters. Compounds like guaiacol, vanillin, syringol (...) emitted by wood combustions or nopinone known as secondary compound could be quantified. The results obtained made it possible to highlight: - an important anthropic contribution in the aerosols collected in the two valleys, for the two seasons and more particularly in winter when very important PAHs concentrations were observed (maximum 150 ng.m-3);- primary anthropic compounds with concentrations systematically more important in the valley of Chamonix, in spite of the absence of heavy traffic;- an overwhelming importance of the geomorphology of the valleys and of the meteorological conditions for the dispersion of pollutants; - a very marked contribution of wood combustion in the valley of Chamonix during winter. The quantitative speciation of POM (chapter III) made it possible to determine overall between 10 and 74% of organic carbon mass. The identified fraction depends on the season and is higher during winter (34-74%) when the anthropic primary sources contribution is dominating. This seasonal variability highlighted the gaps of the analytical protocol used, which does not allow us to quantify the polyfunctional oxygenated compounds and thus secondary organic compounds. Alternative sampling and analysis methods of these compounds were developed and presented in Chapter IV.Les particules atmosphériques appelées aérosols jouent un rôle potentiellement important sur le bilan radiatif terrestre et sur celui des photo-oxydants comme l'ozone troposphérique. Lorsque leurs tailles est inférieures à 2,5µm, ils peuvent présenter un danger pour la santé publique. La connaissance de la composition physico-chimique de ces aérosols est encore très insuffisante en ce qui concerne sa composante organique, appelée MOP (Matière Organique Particulaire). De même, les mécanismes de formation de la MOP demeurent encore mal connus. Ce travail s'inscrit donc dans la problématique générale d'une meilleure connaissance de la composante organique de l'aérosol. Dans le cadre du programme PO.V.A. (POllution des Vallées Alpines), articulé autour de la réouverture du tunnel sous le Mont Blanc et dont les principaux objectifs sont de mieux appréhender les phénomènes de pollution atmosphérique et les mécanismes dispersifs propres aux systèmes montagneux, des aérosols ont été collectés dans les vallées de Chamonix et de Maurienne au cours de deux campagnes intensives de mesures. Elles se sont déroulées au cours de l'été 2000 et de l'hiver 2001. Après la présentation des problématiques (chapitre I) et des méthodes utilisées (chapitre II), les résultats de deux types d'analyse sont présentés (chapitre III). Le premier type se focalise sur une classe de composés : Les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP). L'intérêt de l'étude des HAP est double. D'une part ils sont, pour la plupart, considérés comme cancérogènes et mutagènes. D'autre part, ils sont émis quasi exclusivement par les combustions (dérivés du pétrole et biomasse) et leur étude permet de mieux appréhender les influences relatives des différentes sources anthropiques. Le second type d'analyses, plus exploratoire, consiste à réaliser une spéciation quantitative, la plus exhaustive possible, de la fraction organique et d'établir des relations entre la composition chimique, les sources, les saisons et les paramètres météorologiques. Des composés comme le guaiacol, la vanillin, le syringol (...) (émis par les feux de bois) ou comme la nopinone (composé secondaire) ont ainsi pu être quantifiés.Les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence :- un apport anthropique important dans les deux vallées, pour les deux saisons et plus particulièrement en hiver où des concentrations en HAP très élevées et représentatives de grands centres urbains ont été observées (maximum 150 ng.m-3) ;- des niveaux de concentrations en composés anthropiques primaires systématiquement plus importants dans la vallée de Chamonix, malgré l'absence du trafic des poids lourds;- l'influence des conditions météorologiques et de la géomorphologie des vallées dans la dispersion des polluants ; - une contribution très marquée des combustions de bois (chauffage domestique) dans la vallée de Chamonix l'hiver.La spéciation quantitative de la MOP (chapitre III) a permis de déterminer globalement entre 10 et 74% du carbone organique. La fraction identifiée dépend de la saison considérée et est plus élevée l'hiver (34-74%) lorsque l'apport des sources primaires anthropiques est prépondérant. Cette variabilité saisonnière a mis en évidence les lacunes du protocole analytique utilisé, qui ne permet pas de quantifier la plupart des composés oxygénés polyfonctionnels et donc les composés constitutifs l'aérosol organique secondaire. Une méthode alternative de prélèvement et d'analyse de ces composés a été développée (Chapitre IV)