Mai dernier, La Mairie de Paris a lancé « Pollutrack », une flotte de micro-capteurs placés sur les toits des véhicules circulant dans la capitale pour mesurer en temps réel le niveau de particules fines présentes dans l'air. Un an plus tôt, Rennes a proposé aux habitants de participer à l'évaluation de la qualité de l'air via des capteurs individuels.

Pour plusieurs années, des concentrations élevées de particules fines en France ont été régulièrement observées, et la pollution de l'air est devenue un problème de santé majeur. Chaque année en France, 48, 000 décès prématurés sont liés à la pollution de l'air.

L'hiver 2017 a été un parfait exemple de ce phénomène, avec des niveaux quotidiens atteignant jusqu'à 100µg/m ³ dans certains domaines, et avec des conditions stagnantes pendant plusieurs jours en raison des conditions météorologiques froides et anticycloniques.

Pollutrack :des capteurs de pollution sur des véhicules établisssent une carte de la pollution à Paris https://t.co/dmlQJmdAWk pic.twitter.com/OfRT7QIni2

— Vivre Paris (@vivreparis) 29 mai, 2017

Un croquis de police de la particule fine

Une particule fine (matière particulaire, PM) se caractérise par trois facteurs principaux :sa taille, nature et concentration.

Sa taille, ou plutôt son diamètre, est l'un des facteurs qui affecte notre santé :les PM10 ont un diamètre allant de 2,5 à 10μm; PM2,5, un diamètre inférieur à 2,5 µm. A titre de comparaison, une particule est environ 10 à 100 fois plus fine qu'un cheveu. Et c'est le problème :plus les particules que nous inhalons sont petites, plus ils pénètrent profondément dans les poumons, entraînant une inflammation des alvéoles pulmonaires, ainsi que le système cardiovasculaire.

La nature de ces fines particules est également problématique. Ils sont constitués d'un mélange de substances organiques et minérales plus ou moins dangereuses :l'eau et le carbone forment la base autour de laquelle se condensent les sulfates, nitrates, allergènes, métaux lourds et autres hydrocarbures aux propriétés cancérigènes prouvées.

Quant à leur concentration, plus il est grand en termes de masse, plus le risque pour la santé est grand. L'Organisation mondiale de la santé recommande de ne pas dépasser l'exposition personnelle de 25 g/m ³ pour les PM2,5 en moyenne sur 24 heures et 50 g/m ³ pour le PM10. Dans les années récentes, les seuils sont constamment dépassés, surtout les grandes villes.

L'homme n'est pas le seul concerné par le danger de ces particules fines :lorsqu'elles se déposent, ils contribuent à l'enrichissement des milieux naturels, qui peut aussi conduire à l'eutrophisation, un phénomène d'excès de nutriments, comme l'azote véhiculé par les particules, se déposent dans le sol ou l'eau. Cela peut conduire à des proliférations d'algues qui peuvent étouffer les écosystèmes locaux. En outre, en raison de la réaction chimique de l'azote avec le milieu environnant, l'eutrophisation conduit généralement à l'acidification des sols. Un sol plus acide devient drastiquement moins fertile :la végétation s'appauvrit, et lentement mais inexorablement, les espèces meurent.

D'où viennent-ils?

Les émissions de particules fines proviennent principalement des activités humaines :60 % des PM10 et 40 % des PM2,5 sont générés par la combustion du bois, notamment du chauffage par cheminée ou poêle, 20% à 30% proviennent du carburant automobile (le diesel est le numéro un). Finalement, près de 19 % des émissions nationales de PM10, et 10 % des émissions de PM2,5 proviennent des activités agricoles.

Pour aider les pouvoirs publics à limiter et maîtriser ces émissions, la communauté scientifique doit améliorer l'identification et la quantification de ces sources d'émissions, et doivent mieux comprendre leur variabilité spatiale et temporelle.

Lectures complexes et coûteuses

Aujourd'hui, les lectures de particules fines sont principalement basées sur deux techniques.

D'abord, des échantillons sont prélevés sur des filtres ; ceux-ci sont pris après une journée entière et sont ensuite analysés en laboratoire. Outre le fait que les données sont retardées, le matériel analytique utilisé est coûteux et compliqué à utiliser; un certain niveau d'expertise est requis pour interpréter les résultats.

L'autre technique consiste à effectuer des mesures en temps réel, à l'aide d'outils tels que l'éthalomètre multi-longueurs d'onde AE33, un appareil relativement cher, à plus de 30€, 000, mais a l'avantage de fournir des mesures toutes les minutes voire moins d'une minute. Il est également capable de surveiller le noir de carbone (BC) :il peut identifier les particules qui proviennent spécifiquement des réactions de combustion. Le moniteur de spéciation chimique des aérosols (ACSM) mérite également d'être mentionné, car il permet d'identifier la nature des particules, et prend des mesures toutes les 30 minutes. Cependant, son coût de 150, 000 euros signifie que l'accès à ce type d'outil est limité aux experts de laboratoire.

Compte tenu de leur coût et de leur niveau de sophistication, il existe un nombre limité de sites en France équipés de ces outils. Grâce à ces simulations, l'analyse des moyennes journalières permet de créer des cartes avec un maillage de 50 km sur 50 km.

Puisque ces moyens de mesure ne permettent pas d'établir une carte en temps réel avec des échelles spatio-temporelles plus fines – en termes de km ² et minutes – les scientifiques se sont récemment tournés vers de nouveaux outils :les microcapteurs de particules.

Comment fonctionnent les microcapteurs ?

Petit, léger, portable, peu coûteux, facile à utiliser, connectés… les microcapteurs semblent offrir de nombreux avantages qui complètent l'éventail des techniques analytiques lourdes évoquées ci-dessus.

Mais à quel point ces nouveaux appareils sont-ils crédibles ? Pour répondre à cette question, nous devons examiner leurs caractéristiques physiques et métrologiques.

Maintenant, plusieurs fabricants se disputent le marché des microcapteurs :le britannique Alphasense, le chinois Shinyei et le constructeur américain, Honeywell. Ils utilisent tous la même méthode de mesure :la détection optique à l'aide d'une diode laser.

Le principe est simple :l'air, aspiré par le ventilateur, traverse la chambre de détection, qui est configuré pour éliminer les plus grosses particules, et ne retenir que les fines particules. L'air, chargé de particules, traverse le signal optique émis par la diode laser, dont le faisceau est diffracté par une lentille.

Un photodétecteur placé en face du faisceau émis enregistre les baisses de luminosité provoquées par le passage des particules, et compte le nombre par tranches de taille. Le signal électrique de la photodiode est ensuite transmis à un microcontrôleur qui traite les données en temps réel :si le débit d'air est connu, le nombre de concentration peut alors être déterminé, puis la masse, en fonction des gammes de tailles, comme le montre la figure ci-dessous.

De la version la plus basique à la version totalement intégrée (incluant les logiciels d'acquisition et de traitement des données, et transmission des mesures via le cloud computing), le prix peut aller de 20 à 1, 000 euros pour les systèmes les plus élaborés. C'est très abordable, par rapport aux techniques mentionnées ci-dessus.

Peut-on faire confiance aux microcapteurs ?

D'abord, il est à noter que ces microcapteurs ne fournissent aucune information sur la composition chimique des particules fines. Seules les techniques décrites ci-dessus peuvent le faire. Cependant, la connaissance de la nature des particules renseigne sur leur origine.

Par ailleurs, le système de microcapteurs utilisé pour séparer les particules par taille est souvent rudimentaire; des tests sur le terrain ont montré que si les particules les plus fines (PM2,5) sont assez bien surveillées, il est souvent difficile d'extraire la fraction PM10 seule. Cependant, les particules les plus fines sont précisément ce qui affecte le plus notre santé, donc cette lacune n'est pas problématique.

Au niveau des limites de détection/quantification, lorsque les capteurs sont neufs, il est possible d'atteindre des seuils raisonnables d'environ 10µg/m ³ . Ils ont également des niveaux de sensibilité entre 2 et 3µg/m ³ (avec une incertitude d'environ 25 %), ce qui est plus que suffisant pour surveiller la dynamique de la façon dont les concentrations de particules changent dans la plage de concentration allant jusqu'à 200 µg/m ³ .

Cependant, heures supplémentaires, les détecteurs fluidiques et optiques de ces systèmes ont tendance à s'encrasser, conduisant à des erreurs dans les résultats. Les microcapteurs doivent donc être régulièrement calibrés en les connectant à des données de référence, telles que les données publiées par les agences de contrôle de la pollution atmosphérique.

Ce type d'outil est donc idéalement adapté pour un diagnostic instantané et semi-quantitatif. L'idée n'est pas de fournir une mesure extrêmement précise, mais plutôt de rendre compte des changements dynamiques de la pollution atmosphérique particulaire à une échelle avec des niveaux bas/moyens/élevés. En raison du faible coût de ces outils, ils peuvent être distribués en grand nombre sur le terrain, et ainsi contribuer à une meilleure compréhension des émissions de particules.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.