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septembre 2017 | novembre 2017

LOAC

L’équipe atmosphère du LPC2E a développé entre 2010 et 2013 un mini-compteur d’aérosols, appelé LOAC (Light Optical Aerosols Counter), pouvant être notamment embarqué sous tous types de ballons atmosphériques. Le projet a été financé par l’ANR Ecotech, et a reçu le prix de l’innovation en écotechnologie de l’ANR en 2014. Une des motivations de ce développement était la participation à la campagne internationale ChArMEx dédiée à l’étude du bassin méditerranéen à l’été 2013.

DESCRIPTION / PRINCIPE / REALISATION / PERFORMANCES

L’instrument LOAC.

LOAC (Light Optical Aerosols Counter) est un nouveau compteur d’aérosols miniaturisé. L’instrument a été développé dans le cadre d’un projet de l’Agence Nationale de la Recherche, avec un partenariat public - privé regroupant le Laboratoire de Physique et Chimie de l’Environnement et de l’Espace (LPC2E, CNRS / Université Orléans), le Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE, CNRS / CEA), le Laboratoire d’Aérologie (LA, CNRS / Université de Toulouse), les sociétés Environnement-SA et Aérophile, et avec le soutien logistique du Centre National d’Etude Spatiale (CNES). L’instrument est maintenant distribué par la société MeteoModem. LOAC (Figure 1) pèse 250 grammes hors boîte de confinement pour une utilisation extérieure, et a une consommation électrique de 3 W.
Comme tout compteur d’aérosols, la mesure est basée sur le principe de la diffusion des particules passant dans un faisceau lumineux, l’intensité diffusée étant proportionnelle à la taille des particules et à leur indice de réfraction. L’aspect novateur du LOAC est la manière dont sont effectuées les mesures en combinant les observations à deux angles de diffusion. Le premier est vers 12°, où le flux diffusé est insensible à la nature des particules dès qu’elles ne sont plus de forme sphérique parfaite (le signal étant dominé par la diffraction). Cette propriété s’applique bien aux particules atmosphériques solides mais aussi pour les gouttelettes qui sont déformées dans le flux d’air ; par contre elle ne convient pas aux particules solides sphériques indéformables telles que les billes de latex ou de métal. Le deuxième angle est vers 60°, où cette fois le flux diffusé est très sensible à l’indice de réfraction des particules et donc à leur nature. A un tel angle, le flux diffusé est d’autant plus faible que les particules sont absorbantes ; une particule de carbone peut être jusqu’à cent fois moins lumineuse qu’une particule liquide de même taille.

Abaques obtenus en laboratoire pour identifier la topologie de différentes natures de particules ; en pointillés, exemples de courbes individuelles ; en traits gras, zones moyennes de spéciation.

La concentration en particules est obtenue pour 19 gammes de taille entre environ 0,2 et 100 μm. On parle ici de diamètre optique qui peut différer d’autres diamètres tels que ceux aérodynamique ou de mobilité électrique, chacun étant inhérent à la technique de mesure utilisée. Il est aussi possible d’estimer la nature principale des particules, ou topologie, dans le cas de milieux plutôt homogènes. Cette analyse est effectuée en comparant « l’indice de spéciation de LOAC », provenant de la combinaison des signaux des 2 voies de mesures, à des « zones de spéciation » obtenues en laboratoire avec LOAC pour des familles particules de nature connues (carbones, grains minéraux, sels). La Figure 2 présente des mesures d’étalonnage obtenues en laboratoire, avec des courbes individuelles et les zones de spéciation moyennes. Il est à noter que dans la zone de spéciation « carbone », plus l’indice est élevé plus les particules sont constituées de carbone pur.

HISTORIQUE / UTILISATION

LOAC en verison nacelle pour BLD.

Plus de 120 exemplaires de LOAC ont été produits depuis 2013 par Environnement-SA et MeteoModem. LOAC existe en version pour vol sous ballon météorologique (Figure 3) et en version portative pour des mesures au sol (Figure 4). Ainsi, LOAC peut être utilisé sous ballon météorologique (BLD), sous ballon captif touristique, sous ballon pressurisé de couche limite (BPCL), sous ballon stratosphérique ouvert (BSO) en tant que passager à bord de nacelles), et sous ballon pressurisé stratosphérique.
35 vols sous BLD et BPCL ont été mené à l’été 2013 dans le cadre de la campagne ChArMEx. LOAC effectue en routine depuis février 2014 un vol toutes les 2 semaines en moyenne sous BLD pour le suivi du contenu en aérosols de la haute troposphère et de la stratosphère, dans le cadre du labex VOLTAIRE ; les vols sont menés par le CNES depuis Aire sur l’Adour et par MeteoModem depuis Ury. Des vols supplémentaires sont conduits depuis l’Islande et l’Ile de la Réunion, pour étudier certaines sources en aérosols. Ainsi, une centaine de vols sous BLD a été menée depuis 2014 (39 vols en 2015). Par ailleurs, un vol par an est aussi mené sous BSO, avec un plafond à altitude constante de plusieurs heures, depuis le Canada et la Suède dans le cadre du projet AEROWAVE d’étude des aérosols de la moyenne stratosphère.

LOAC développé pour une utilsation au sol.

Un réseau de mesure LOAC au sol a été mis en place pour étudier les épisodes de pollution récurrents. Il se compose de :
- LOAC à bord du ballon captif touristique Observatoire Atmosphérique Generali, à Paris, depuis mi-2013.
- LOAC à bord du ballon captif touristique Terra Botanica, à Angers, depuis l’été 2016.
- LOAC sol au SIRTA à Palaiseau, depuis fin 2012.
- LOAC sol au CNRS à Orléans, dans le cadre du Labex VOLTAIRE, depuis fin 2015.

La centralisation des données est progressivement transférée au SIRTA (Palaiseau) pour le stockage des données et la visualisation en temps réel ; le LPC2E est copropriétaire de toutes ces données.
Enfin, des campagnes ponctuelles (par exemple en Chine fin 2015) sont menées avec le LOAC recorder.
LOAC a fait l’objet d’une couverture médiatique intense (télévision, radio presse, internet) sur l’analyse des épisodes de pollution majeurs à Paris.

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