Instruments de mesure et métrologie

Les analyseurs de SO2, NOx et O3 :

Analyseurs

Analyseurs de SO2, NOx et O3

Les analyseurs permettent de mesurer des polluants sous formes gazeuses. L’analyse se fait en temps réel et permet d’avoir les concentrations en continu. Le prélèvement de l’air à analyser se fait à l’extérieur via une veine de prélèvement relié à chaque analyseur.

L’analyseur d’ozone

La mesure de l’ozone repose sur le principe de spectrométrie, l’ozone étant une espèce qui absorbe dans l’UV. L’air est prélevé en continue au moyen d’un système de pompage et introduit dans une chambre de mesure où un rayonnement UV est émis par une lampe à vapeur de mercure. Un détecteur (spectromètre UV) mesure alors l’atténuation de l’intensité du faisceau lumineux entre un air purifié (sans ozone) et l’air ambiant, ce qui permet de déterminer les concentrations ambiantes d’ozone (schéma ci-après).

Ce système est complètement automatisé et possède une bonne sensibilité dans les mesures. Les résultats sont exprimés en ppb (1 partie par milliard de volume) que l’on peut convertir ensuite en microgramme d’ozone par mètre cube d’air.

Schéma du fonctionnement de l’analyseur d’ozone

Schéma du fonctionnement de l’analyseur d’ozone

L’analyseur de NOx

La mesure des NOx repose sur la chimiluminescence, c’est-à-dire sur l’émission d’un photon après une réaction chimique.

L’échantillon d’air considéré doit être divisé en deux, afin d'avoir la même concentration dans les deux échantillons (même volume). Dans un premier temps, on introduit l’échantillon dans une chambre de réaction où la concentration en ozone est en excès.
La réaction NO + O3 → NO2 + O2 + restitue une partie de l’énergie de la réaction sous forme de lumière, qui est directement proportionnelle à la concentration initiale en NO. Le rayonnement lumineux est mesuré par un photomultiplicateur.

Le second échantillon est préalablement introduit dans un convertisseur chauffé à haute température où NO2 est converti en NO. L’échantillon ne contenant plus que du NO, il passe par les mêmes étapes que précédemment en subissant la réaction NO + O3 → NO2 + O2 + où le rayonnement lumineux mesuré sera directement proportionnel à la concentration initiale en NOx.

Schéma du fonctionnement d’un analyseur de NOx

Schéma du fonctionnement d’un analyseur de NOx

Les résultats sont exprimés en ppb. Si les mesures de NO sont précises et fiables avec cette technique, celles pour le NO2 sont sujettes à de nombreuses interférences.

L’analyseur de SO2

Le SO2 est mesuré à partir d’une méthode spécifique et sensible au SO2 basée sur la fluorescence UV. Une fois l’air à analyser introduit dans l’analyseur à l’aide d’une pompe, celui-ci est soumis à un rayonnement UV d’une longueur d’onde de 214 nm. À cette longueur d’onde, les molécules de SO2 absorbent le rayonnement incident pour passer dans un état dit excité, puis réémettent un rayonnement fluorescent dans la gamme de longueur d’onde 220-240 nm afin de revenir à leur état initial.

SO2 + → SO2*

SO2* → SO2 +

C’est cette radiation fluorescente qui est mesurée avec un détecteur. La concentration de SO2 est déterminée par le changement d’intensité de la fluorescence et est proportionnelle au nombre de photon émis (hν).

Les hydrocarbures absorbant le rayonnement UV à la même longueur d’onde que le SO2, ils doivent être éliminés. Ainsi, l’air à analyser passe par un filtre à hydrocarbure avant de passer par la chambre UV.

Mesure des conditions climatiques

Mesurer les conditions climatiques est indispensable à la compréhension d’un phénomène de pollution. Il existe des conditions favorables à l’apparition d’un pic de pollution, par exemple, des conditions antycycloniques (pression atmosphérique élevée, ciel dégagé, peu de vent et de pluie qui pourrait permettre la dispersion des polluants).

La station météorologique

SMAP7 regroupe également des instruments de mesure afin d’évaluer les conditions météorologiques. La station météorologique est constituée d’une sonde de température, d’un hygromètre qui détermine l’humidité relative de l’air et d’un baromètre pour la mesure de la pression atmosphérique. La vitesse du vent et sa direction sont mesurées par un anémomètre couplée à une girouette. De plus, un pluviomètre recueille l’eau de pluie et permet de quantifier les précipitations.

Station météorologique

Station météorologique

Le ceilomètre

Le ceilomètre permet de mesurer :

  • la hauteur de la couche limite atmosphérique (couche de l’atmosphère directement en contact avec la surface terrestre)
  • la base des nuages (visualiser les précipitations)

Connaître la hauteur de la couche limite permet d’expliquer les concentrations des polluants dans l’atmosphère.

L’appareil est basé sur le principe du LIDAR (Light Detection And Ranging) qui consiste en l’émission pulsée d’un faisceau laser en direction du ciel. A chaque tir, les photons rétro-diffusés par les cibles (aérosols, gouttes) sont captés par les télescopes puis transmis à de puissants photomultiplicateurs. Les temps d’arrivés des photons rétrodiffusés permettent de déterminer l’altitude des cibles rétro-diffusantes.

Ceilomètre

Ceilomètre

Le TEOM (Tapered Element Oscillating Microbalance)

Le TEOM est une microbalance qui mesure la masse des particules. L’échantillon est prélevé sur un filtre conique dont la fréquence d’oscillation est proportionnelle à sa masse. On enregistre la fréquence de vibration d’une plaque d’impaction et puis on suit ensuite la variation de sa masse et connaissant le volume prélevé par unité de temps, on en déduit la concentration massique (µg/m3).

Cet appareil est très sensible et permet des mesures continues et automatiques. En revanche, il est sensible à l’humidité ce qui peut induire des pertes par volatilisation.

Le TEOM de SMAP7 est équipé d’une tête de prélèvement PM10.

L’OPC (Optical Particule Counter)

Un OPC mesure le nombre de particule par gamme de taille (distribution granulométrique). Pour cela, il mesure la lumière diffusée par les particules selon la théorie de Mie. On utilise ponctuellement l’OPC pour l’étude des épisodes de pollution afin d’avoir une information plus précise sur la taille des particules. De manière complémentaire, on utilise des préleveurs sur filtre pour connaître la composition chimique des particules et ainsi remonter à leurs sources potentielles.